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一、研究作者与发表信息
本研究由程远平（中国矿业大学安全工程学院）、易明浩（湖南科技大学资源环境与安全工程学院）和王亮（中国矿业大学安全工程学院）共同完成。研究论文《煤中吸附态与游离态甲烷的串联扩散特征及理论表征》发表于《煤炭学报》（Journal of China Coal Society）2025年第50卷第1期。
二、学术背景与研究目的
煤是一种孔隙高度发育的多孔介质，其内部复杂的孔隙系统是煤层甲烷存储和运移的主要场所。研究煤中孔隙结构对甲烷吸附和扩散的影响，对于理解煤层甲烷运移机制及实现高效抽采具有重要意义。传统的甲烷扩散模型（如单孔扩散模型、时变扩散模型和双孔并联扩散模型）未能充分反映煤中多尺度孔隙结构内甲烷赋存和运移的复杂性。因此，本研究旨在通过定量表征煤中多尺度孔隙结构，建立吸附态和游离态甲烷的串联扩散模型，揭示甲烷解吸过程中的扩散特征及其控制因素。
三、研究流程与方法
1. 煤样采集与预处理
研究煤样取自贵州毕节新田煤矿9煤层1901工作面。煤样经过破碎和筛分处理，制备成不同粒径的颗粒试样，粒径范围为1～3 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、0.2～0.25 mm、0.074～0.2 mm及<0.074 mm。
多尺度孔隙结构表征
采用低压氮气和低压二氧化碳吸附法对煤中多尺度孔隙结构进行定量表征。通过DFT方法分析0.33～1.50 nm的孔隙孔径分布，利用BET和BJH方法表征1.50 nm以上的孔隙结构。结果显示，吸附态甲烷主要赋存于0.38～1.50 nm的填充孔中，而游离态甲烷的扩散通道为1.50～100 nm的扩散孔。
甲烷吸附与解吸实验
通过甲烷等温吸附实验测定煤样的甲烷极限吸附量，并利用煤粒甲烷解吸实验获取解吸曲线。实验结果表明，煤中90%以上的吸附态甲烷以微孔填充形式赋存于填充孔内，吸附态甲烷密度为353～358 kg/m³，远高于游离态甲烷。
双孔串联扩散模型的建立与求解
基于填充孔和扩散孔的传质关系，建立吸附态和游离态甲烷的毛细管束双孔串联扩散模型。模型通过COMSOL Multiphysics软件进行数值求解，采用反问题方法获得双孔结构参数（当量孔长、当量孔径和当量孔数）及甲烷扩散系数。
四、研究结果
1. 孔隙结构特征
填充孔的当量孔长为0.109～2.855 μm，当量孔数为10¹⁶～10¹⁷个/g；扩散孔的当量孔长为0.525～3.106 mm，当量孔数为10¹⁰～10¹²个/g。填充孔数量多、孔长短，导致吸附态甲烷浓度高，质量传输速度远快于扩散孔内的游离态甲烷。
甲烷扩散特征
吸附态甲烷的扩散系数为10⁻¹³ m²/s量级，游离态甲烷的扩散系数为10⁻⁶ m²/s量级。煤中甲烷解吸主要受扩散孔内游离态甲烷扩散过程的控制。
模型验证与对比
双孔串联扩散模型对实验解吸数据的拟合优度为0.921～0.992，显著优于传统单孔扩散模型和双孔并联扩散模型。研究结果表明，煤中甲烷解吸速度与游离态甲烷有效扩散系数正相关，而吸附态甲烷有效扩散系数的变化对解吸速度的影响较小。
五、研究结论与意义
本研究通过定量表征煤中多尺度孔隙结构，建立了吸附态和游离态甲烷的串联扩散模型，揭示了甲烷解吸过程中的扩散特征及其控制因素。研究结果表明，煤中甲烷解吸主要受扩散孔内游离态甲烷扩散过程的控制，填充孔内吸附态甲烷的快速扩散为游离态甲烷的运移提供了持续的物质来源。该研究为煤层甲烷高效抽采提供了理论支持，具有重要的科学价值和应用价值。
六、研究亮点
1. 创新性模型
首次建立了吸附态和游离态甲烷的毛细管束双孔串联扩散模型，填补了传统扩散模型在表征煤中多尺度孔隙结构内甲烷运移特征方面的不足。
定量表征方法
采用低压氮气和二氧化碳吸附法对煤中多尺度孔隙结构进行定量表征，为研究甲烷赋存和运移特征提供了可靠的数据支持。
实验与数值模拟结合
通过甲烷解吸实验和COMSOL Multiphysics数值模拟相结合，验证了双孔串联扩散模型的准确性，为煤层甲烷运移机制的研究提供了新方法。
七、其他有价值的内容
研究还发现，煤中游离态甲烷主要以诺森扩散（Knudsen diffusion）形式运移，其扩散能力的变化与煤的吸附膨胀作用密切相关。这一发现为进一步研究煤层甲烷运移机制提供了新的视角。