热烟气驱替过程中煤体孔隙结构演变特征及其对瓦斯驱替效果的影响机制研究

针对高瓦斯低渗透煤层中热烟气注入引发的矿物溶解及孔隙结构改变问题，研究人员通过CT扫描与COMSOL Multiphysics数值模拟相结合，揭示了矿物溶解后煤体渗透率提升至2.2331×10?11 m2的机制，证实BET方程更适用于此类煤层的吸附-解吸模型，为工程化瓦斯驱替提供了关键理论支撑。

　　

在能源开发与安全生产领域，高瓦斯低渗透煤层的瓦斯抽采效率一直是制约煤矿安全的瓶颈问题。传统瓦斯驱替技术面临渗透率低、气体滞留等挑战，而利用燃气电厂热烟气（含CO₂和水分）注入煤层的新思路，虽能通过酸性环境溶解矿物改善孔隙结构，但其具体作用机制尚不明确。针对这一科学问题，中国矿业大学的研究团队在《Geomechanics for Energy and the Environment》发表论文，首次系统揭示了热烟气驱替过程中煤体孔隙动态演变规律及其对瓦斯驱替效果的定量影响。

研究团队采用多尺度技术联用策略：通过自动高温高压气体吸附实验平台验证煤样吸附特性，选用BET方程（Brunauer-Emmett-Teller，比表面积分析模型）替代传统Langmuir方程更精准描述吸附行为；基于CT扫描获取真实煤样三维结构，结合COMSOL Multiphysics建立流体-化学耦合模型，模拟矿物溶解前后孔隙网络变化对气体运移的影响。

研究结果分为三个关键发现：

1. 吸附模型优选：对比Langmuir方程，BET方程对高瓦斯低渗透煤层吸附数据的拟合优度提升12.7%，其多层吸附理论更适用于含复杂孔隙的煤基质。
2. 矿物溶解效应：当10.11%的方解石等矿物溶解后，CT图像显示新生裂隙连通性增强，COMSOL模拟表明裂隙流速提升3.2倍，渗透率从7.0711×10^?12 m²跃升至2.2331×10^?11 m²。
3. 驱替动力学：残余瓦斯压力从初始值降至0.1 MPa的时间缩短40%，空间压力分布呈现显著非均质性，证实孔隙改造可加速气体解吸-运移耦合过程。

讨论部分指出，该研究首次量化了酸性环境下矿物溶解-孔隙重构-瓦斯运移的级联效应，提出的BET-COMSOL联合分析方法为煤层气高效开采提供了新工具。工程意义上，通过调控热烟气注入参数（如CO₂浓度、温度）可定向优化孔隙改造效果，这对实现"双碳"目标下的甲烷减排与能源回收具有双重价值。作者Yajie Hu和Baiquan Lin特别强调，该方法可推广至页岩气等非常规储层改造，但需进一步研究长期酸性流体作用对煤岩力学稳定性的影响。