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中国矿业大学（北京）团队在《煤炭学报》发表煤基质吸附态瓦斯表观扩散系数测定研究
2022年2月，中国矿业大学（北京）赵伟、王凯、李成武等人在《煤炭学报》（Journal of China Coal Society）第47卷第2期发表题为《基于流动扩散互竟关系的基质吸附态瓦斯表观扩散系数实验室测定准确性分析》的研究论文。该研究针对煤中瓦斯扩散系数测定存在的误差问题，提出了考虑游离瓦斯流动影响的表观扩散模型，并建立了损失时间修正方法，为煤层气开发与瓦斯灾害防治提供了更精准的理论依据。
学术背景
煤中瓦斯（煤层气）的运移特性直接影响煤层气开采效率与矿井瓦斯突出危险性评估。瓦斯在煤中以游离态（free gas）和吸附态（adsorbed gas）两种形式存在，其传质机制包括裂隙中的渗流（flow）与基质中的扩散（diffusion）。传统实验室测定吸附态瓦斯表观扩散系数（apparent diffusion coefficient）时，常忽略解吸初期游离瓦斯高速涌出对扩散模型拟合的干扰，导致测定结果偏差较大。此外，工程中用于评估突出风险的钻屑解吸指标k₁（瓦斯解吸指标）也因损失时间（loss time）的不确定性而存在误差。因此，研究团队旨在揭示游离瓦斯与吸附瓦斯在解吸过程中的竞争关系，建立更精确的表观扩散系数测定方法。
研究流程与方法
研究分为实验测定、模型构建与数据分析三部分：
实验设计与样品制备
- 煤样来源：试验煤样取自内蒙古鄂尔多斯煤田柳塔矿2-2煤层，属中低变质烟煤，镜质组反射率为0.461%。
- 样品处理：煤样破碎筛分为60~80目（0.178~0.250 mm）颗粒，经真空脱气后以CO₂替代瓦斯进行吸附平衡实验，平衡压力设为0.5、1.0、1.5 MPa三组。
解吸试验与数据采集
- 自主研发设备：采用团队开发的“瓦斯解吸特性自动监测仪”，每秒采集1次解吸量数据，解决了传统量筒人工读数在初期高速解吸阶段的误差问题（图2）。
- 损失时间模拟：通过截取不同时间段的解吸曲线，模拟0、1、5、10 min四种损失时间条件下的解吸行为。
模型构建与拟合
- 全浓度表观扩散模型：结合单孔扩散模型（unipore diffusion model）与游离瓦斯线性流动模型，提出修正公式（式12），量化游离瓦斯贡献比例λ。
- 时因衰减模型：基于伪一级动力学方程，建立表观扩散系数有效值（D/r²）随损失时间衰减的关系式（式2），并定义修正因子c（式3）。
数据分析
- 通过MATLAB编程拟合解吸曲线，计算不同损失时间下表观扩散系数有效值，分析λ的衰减规律及其与压力的关系。
主要结果
解吸三阶段划分：
- 游离瓦斯主控阶段：解吸初期（0~1 min），游离瓦斯快速逸散，解吸量与时间呈线性关系（式10），贡献比例λ最高达18.6%（0.5 MPa）。
- 过渡阶段：游离瓦斯逸散速率下降，吸附瓦斯扩散逐渐主导，λ随损失时间延长而降低（1 min时降至10.6%）。
- 吸附扩散主控阶段：解吸后期（>5 min），λ降至3.2%（10 min），解吸曲线符合单孔扩散模型（图4）。
表观扩散系数衰减规律：
- 表观扩散系数有效值随损失时间增加呈指数衰减（图5），0.5 MPa下从1.08×10⁻² s⁻¹（0 min）降至3.71×10⁻³ s⁻¹（10 min）。衰减速度初期较快，后期趋缓，符合伪一级动力学特征（表3）。
压力对λ的影响：
- 高压（1.5 MPa）下游离瓦斯含量更高，λ衰减速度减缓（10 min时λ仍为12.6%），表明压力通过改变游离/吸附瓦斯比例影响传质主导机制（图8）。
结论与价值
理论创新：
- 首次量化了游离瓦斯流动对表观扩散系数测定的干扰，提出“流动-扩散互竟关系”框架，为双重孔隙介质传质模型提供新思路。
- 建立的时因衰减模型将k₁测定误差从传统√t模型的拟合度提升20.8%，显著提高工程参数准确性。
应用价值：
- 为煤层气储量计算、瓦斯突出指标k₁的实验室标定及损失量推算提供高精度方法。
- 自主研发的自动解吸装置解决了初期数据采集难题，可推广至页岩气等非常规气体扩散研究。
研究亮点
- 方法创新：首次将游离瓦斯流动贡献λ纳入扩散模型，结合实验与理论修正了传统单孔扩散模型的局限性。
- 技术突破：高频率自动解吸监测技术克服了人工读数的固有误差，为瞬态传质研究提供工具支持。
- 工程指导性：明确k₁的有效测算时间区间（1~5 min），指导矿井现场更科学地评估突出风险。
其他价值
研究揭示了压力通过改变游离/吸附瓦斯比例影响传质机制的规律，为高压煤层气开发中的扩散行为预测奠定基础。数据与模型已通过《煤炭学报》开源，可供同行验证与拓展。