密度梯度驱动的煤粒瓦斯解吸扩散模型及试验研究

摘要

为解决菲克扩散模型在煤粒瓦斯解吸扩散过程中存在较大偏差的问题,更好地解释瓦斯在煤粒中的解吸扩散机制,首先开展了封闭空间煤粒瓦斯解吸试验,得到不同初始解吸压力下的煤样瓦斯解吸数据,并评估了4种解吸经验公式的精确性;随后回顾了浓度梯度驱动的菲克扩散模型,提出了游离瓦斯密度梯度驱动的新扩散模型;在此基础上,建立了相关的解吸扩散数学方程,并采用有限差分数值方法进行数值解算;最后将新模型与菲克模型的解算结果以及试验数据进行比较,讨论了新瓦斯扩散模型的优势。结果表明:不同的解吸经验公式拟合试验数据的精确度差异较大,优选出了一种能够在全试验时间尺度下拟合情况良好的经验公式;4种不同初始解吸压力条件下的新扩散模型的数值预测结果在整个试验时间尺度内与试验数据基本一致;相对来说,基于菲克扩散模型数值解算的结果准确性不高;在保证理论预测精度的前提下,新扩散模型中的微孔道扩散系数不随时间和压力而改变;而建立在常扩散系数的假设之上的经典菲克扩散模型的解析解和数值解会产生较大误差。新模型可以更合理和准确地描述瓦斯解吸扩散行为。研究结果旨在为瓦斯解吸扩散机理的认识、瓦斯突出解吸指标及煤层瓦斯含量的标定等工作提供一些新的思路和参考。