多孔介质煤体中甲烷时域扩散主控因素的演化特征：理论模型与实验验证

《Process Safety and Environmental Protection》：Characterisation of the evolution of the main controlling factors of methane time-domain diffusion in porous media coals: theoretical model and experimental verification

本文通过多尺度孔隙表征与气体解吸动力学相结合的方法，揭示了构造变形与机械破碎对煤体中大孔（>50 nm）和介孔（2-50 nm）发育的显著促进作用，并利用自主研发的Langmuir拟合时变扩散模型（L-TVDM），首次系统阐明了甲烷扩散能力主控因素随时间演化的分段特征：初始阶段（0-30 s）受大孔控制，中期（30-1000 s）由介孔分形维数（DF2）主导，后期（>1000 s）则转为微孔（<2 nm）控制。研究创新性提出了“储集-桥接-输运”三分孔隙分类框架，为通过多尺度孔隙结构调控瓦斯运移提供了新的机理认识，对优化煤层气抽采及瓦斯灾害防治具有重要意义。

　　

Section snippets

Coal samples

本文选用的煤样来自中国沁水煤田南部的大宁煤矿、东南部的潞安张村煤矿和东北部的阳泉新景煤矿。为研究构造变形对煤孔隙结构的改造及其对孔隙内瓦斯运移的影响，本研究选取了阳泉新景煤矿的原生结构煤（YQ-R）和构造变形煤（YQ-T），以及...

Pore size distribution (PSD)

如图3所示，对比不同煤样的阶段进汞曲线可以发现，YQ-R和DN-R样品的曲线呈双峰分布，峰集中在介孔（2-50 nm）范围。阶段孔容（PV）随着孔径增大而逐渐减小，而YQ-R和DN-R在50-10,000 nm区间内的曲线变化平缓。在50-10000 nm范围内，YQ-R和DN-R煤样表现出平滑的变化，仅存在较小的...

Research on the dominant factors governing the multi-scale pore structural characteristics and methane diffusion capability of coal matrices

图13展示了实验煤样的孔隙结构参数与有效扩散系数（D_e）（10 s, 30 s, 120 s）之间的相关性。同时，统计了相关性较大的孔隙结构参数（图14）。对于孔容（PV）而言，大孔孔容百分比（V_ma%）与D_e的相关性最强，相关系数分别为0.781、0.783和0.775，且呈正相关。其次是微孔孔容百分比（V_mic%），其R2分别为-0.747、-0.675和-0.639。相关程度...

Conclusions

(1) 构造活动和机械破碎导致煤的介孔和宏孔域分形维数变小，同时孔隙表面粗糙度和结构复杂性降低。构造变形煤的D_e超过原生结构煤，但随着解吸时间的延长，两者之间的差异逐步缩小。煤样的瓦斯解吸量和初始解吸速率均随着粒径的减小呈上升趋势。