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主要作者及研究机构

该研究由秦玉金、安丰华、苏伟伟、贾宏福和陈向军共同完成。秦玉金、安伟华、苏伟伟和贾宏福来自中煤科工集团沈阳研究院有限公司的煤矿安全技术国家重点实验室，贾宏福和陈向军还分别隶属于河南理工大学的煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心和安全科学与工程学院。该研究于2023年8月发表在《煤炭科学技术》期刊上。

学术背景

瓦斯扩散能力直接影响瓦斯资源的开采、突出危险性、瓦斯涌出及含量测定。然而，煤中瓦斯扩散系数受应力、瓦斯压力、温度等多种因素的影响，其变化规律尚不明确。传统的扩散系数测定方法通常通过解吸曲线反推，存在模型依赖性问题。为此，本研究旨在通过稳态浓度差条件下的直接测定方法，探究瓦斯扩散系数的变化规律，并构建变扩散系数模型，以更准确地描述煤基质中的瓦斯扩散过程。

研究流程

研究分为以下几个主要步骤：

1. 煤样制备及基本参数测定
   研究在焦作赵固二矿二1煤层掘进工作面采集了块煤煤样，并进行了工业分析、吸附常数和密度测定。煤样的水分、灰分、挥发分、真密度、视密度和孔隙率等基本参数见表1。此外，通过压汞法和低温液氮吸附法对煤样的孔隙结构进行了分析，结果显示煤样中微孔和小孔分布较多，中孔和大孔相对较少。

2. 扩散系数直接测试方法
   研究采用基于Fick扩散定律的稳态浓度差测量法直接测定原煤扩散系数。实验装置包括充气系统、温度控制系统、应力加载系统、真空脱气系统和扩散通量测定系统。通过理想气体状态方程计算试验煤样两端部的瓦斯浓度，并在扩散通量稳定后利用Fick扩散公式计算原煤综合扩散系数。

3. 扩散系数变化规律研究
   研究分别探讨了应力、瓦斯浓度和温度对扩散系数的影响。

   • 应力变化对扩散系数的影响：通过通入甲烷（CH₄）和氦气（He）进行试验，发现扩散系数与有效应力呈近似线性的负相关关系，但相较于渗透率，应力对扩散系数的影响较小。
     
   • 瓦斯浓度变化对扩散系数的影响：研究发现，CH₄扩散系数随进气压力（浓度梯度）增大呈幂函数衰减规律。
     
   • 温度变化对扩散系数的影响：研究表明，CH₄扩散系数与温度呈正相关，且满足阿伦尼乌斯公式，CH₄扩散所需活化能为14.06 kJ/(mol·K)。

4. 扩散系数间接测定方法及对比分析
   研究通过粒煤解吸试验，采用经典模型和时变扩散系数模型计算扩散系数，并与稳态法实测结果进行对比。结果表明，稳态法实测扩散系数随气体压力增大呈幂函数衰减，而时变扩散系数模型和经典模型的计算结果与气体压力的关系存在差异。

5. 变扩散系数模型构建及预测
   基于扩散系数受压力（浓度）和温度影响的规律，研究建立了变扩散系数扩散模型，并利用柱状煤实测数据对粒煤在恒温和变温条件下的解吸数据进行了预测。模型预测结果与解吸试验数据吻合良好，表明该模型能够准确反映不同块度煤中瓦斯扩散过程。

主要结果

1. 应力对扩散系数的影响：无论是吸附性气体CH₄还是非吸附性气体He，扩散系数与有效应力呈近似线性的负相关关系，但应力对扩散系数的影响较小。
   
2. 瓦斯浓度对扩散系数的影响：CH₄扩散系数随进气压力（浓度梯度）增大呈幂函数衰减规律。
   
3. 温度对扩散系数的影响：CH₄扩散系数与温度呈正相关，且满足阿伦尼乌斯公式。
   
4. 扩散系数测定方法对比：稳态法实测扩散系数与时变扩散系数模型和经典模型的计算结果在量级上相同，但大小可相差数倍，且随气体压力增大的变化趋势不同。
   
5. 变扩散系数模型验证：模型在恒温和变温条件下均能准确预测粒煤解吸数据，为瓦斯抽采和涌出的模拟提供了有效工具。

结论

研究通过稳态浓度差条件下的直接测定方法，揭示了瓦斯扩散系数受应力、瓦斯浓度和温度影响的规律，并构建了变扩散系数扩散模型。该模型能够准确预测不同块度煤中瓦斯扩散过程，为瓦斯抽采、涌出及含量测定提供了重要的理论支持和技术手段。

研究亮点

1. 创新性方法：研究采用稳态浓度差条件下的直接测定方法，避免了传统解吸曲线反推方法的模型依赖性问题。
   
2. 全面性分析：研究系统地探讨了应力、瓦斯浓度和温度对扩散系数的影响，揭示了其变化规律。
   
3. 实用性模型：构建的变扩散系数扩散模型在恒温和变温条件下均表现出良好的预测能力，具有广泛的应用价值。

其他有价值内容

研究还通过对比不同扩散模型的计算结果，揭示了模型选择对扩散系数推算的影响，为未来相关研究提供了重要参考。此外，研究结果对煤层气开采、瓦斯灾害防治等领域具有重要的应用价值。