本文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：
实验研究：裂隙煤中气体扩散动力学——对原位煤层气体运移的深入理解
第一作者及机构
本研究由Ting Liu（中国矿业大学安全工程学院）、Baiquan Lin（中国矿业大学安全工程学院）、Xuehai Fu（中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室）等合作完成，发表于期刊*Energy*第195卷（2020年），文章编号117005。
学术背景
研究领域为煤层气（CBM）开发与二氧化碳地质封存（CO₂-ECBM）中的气体运移机制。煤层气开采过程中，气体运移分为解吸、扩散和渗流三阶段。扩散作为连接解吸与渗流的关键环节，直接影响煤层气产量和CO₂注入效率。然而，实验室通常采用粉煤（powder coal）研究气体扩散动力学，忽略了原位煤层的应力约束条件和裂隙结构的影响。因此，本研究旨在解决以下核心问题：
1. 实验室粉煤测试结果能否真实反映原位煤层的气体扩散行为？
2. 围压（confining stress）和孔隙压力（pore pressure）如何影响裂隙煤中的气体扩散？
研究流程与方法
1. 实验样本与制备
- 煤样选择：选取甘肃盐北（GSYB，低变质烟煤）和贵州林华（GZLH，无烟煤）两种不同变质程度的煤样，通过工业分析（proximate analysis）和镜质体反射率（vitrinite reflectance）表征其物性（表1）。
- 样本处理：
- 粉煤实验：将煤样粉碎为9种粒径（0.075–30 mm），研究尺度效应（scale effect）。
- 裂隙煤实验：制备圆柱形煤芯（Φ50×100 mm），模拟原位煤层的裂隙结构。
2. 实验装置与流程
- 无应力约束实验（图1a）：
- 使用脱气模块（degassing module）和吸附/解吸模块，测定不同粒径煤样的CH₄扩散动力学。
- 通过氦气（He）标定吸附细胞体积，计算平衡吸附量（q∞）和有效扩散系数（effective diffusivity, De）。
- 应力约束实验（图1b）：
- 采用三轴应力加载系统，研究围压（4–20 MPa）和孔隙压力（1–5 MPa）对裂隙煤扩散的影响。
- 确保裂隙内无游离气体后，记录解吸量（qt）随时间的变化。
3. 数据分析方法
- 基于单孔扩散模型（unipore diffusion model，公式1-2），通过拟合曲线ln(1−qt/q∞)~t的斜率计算De。
- 引入时间依赖性模型（time-dependent model）解释De随时间的衰减现象，考虑基质收缩（matrix shrinkage）、扩散模式转变（分子扩散→Knudsen扩散）等因素。
主要结果
1. 尺度效应
- 临界粒径：GSYB和GZLH的扩散临界粒径分别为0.25–0.38 mm和0.45–2 mm（图2c-d）。当煤粒小于临界值时，De随粒径增大而降低（如GSYB从4.74×10⁻⁵降至4.19×10⁻⁶）；超过临界值后，De趋于稳定。
- 机制解释：临界值对应完整煤基质（coal matrix）的尺寸。小煤粒仅包含部分基质孔隙，结构简单；而完整基质的复杂多级孔隙结构导致扩散阻力显著增加（图5）。
2. 围压与孔隙压力的影响
- 围压效应（图3）：
- 围压从4 MPa增至20 MPa时，GSYB和GZLH的De分别降低80.9%和63.5%。
- 机制：围压增大导致有效应力（effective stress）升高，裂隙闭合和孔隙压缩共同抑制扩散。
- 孔隙压力效应（图4）：
- 孔隙压力从1 MPa增至5 MPa时，GSYB和GZLH的De分别提升183.5%和320.8%。
- 机制：高压下气体分子平均自由程（mean free path）缩短，扩散模式从Knudsen扩散向Fick扩散转变。
结论与价值
- 科学价值：
- 首次通过实验确定了煤中气体扩散的临界尺度效应，揭示了裂隙煤在应力约束下的扩散动力学规律。
- 提出“煤基质尺寸”作为实验室样本选择的依据，避免粉煤实验的局限性。
- 应用价值：
- 为煤层气开发中的废弃井压力阈值、CO₂注入时长等工程问题提供理论支撑。
- 强调未来研究需采用含完整裂隙结构的煤芯，并模拟原位应力条件。
研究亮点
- 创新方法：结合粉煤与裂隙煤实验，系统量化尺度效应和应力影响。
- 关键发现：临界粒径的提出为实验室样本设计提供了明确标准。
- 跨学科意义：成果可拓展至页岩气、地热储层等多孔介质气体运移研究。
其他有价值内容
- 通过核磁共振（NMR）和氩离子抛光-SEM（Ar ion polishing-SEM）表征了煤的孔隙结构（图S1），证实GSYB以微米-纳米级孔隙为主，GZLH以纳米孔占优。
- 补充材料（Supplementary Data）包含实验原始数据和孔隙图像，支持结论的可重复性。
（全文约2000字）