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本研究由李成武、薛洪来和刘文彪共同完成，作者单位为中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院。研究论文发表于《煤炭学报》（Journal of China Coal Society）2018年第43卷第3期，具体发表日期为2018年3月。
本研究属于煤矿安全与瓦斯治理领域，主要关注承压条件下含瓦斯煤的解吸-扩散特性。煤矿开采过程中，煤体受到采动应力的影响，导致孔隙和裂隙系统重新分布，进而影响瓦斯的解吸和扩散。瓦斯解吸和扩散速度的增加可能引发煤与瓦斯突出事故，甚至导致瓦斯爆炸。因此，研究承压条件下煤体的瓦斯解吸-扩散特性对于理解煤与瓦斯突出的机理和预防事故具有重要意义。
研究的主要目标是建立受载煤体瓦斯扩散系数的动态演化模型，并通过实验验证该模型的有效性。研究还探讨了不同轴向应力和煤样粒度对瓦斯解吸量和扩散系数的影响，旨在为井下构造煤的瓦斯扩散规律提供理论依据。
研究分为以下几个主要步骤：
模型建立
研究首先根据孔隙度动态演化规律，建立了受载煤体瓦斯扩散系数的动态演化模型。该模型考虑了煤体在轴向应力作用下的弹性变形、塑性变形以及损伤破裂对孔隙度和扩散系数的影响。模型中引入了单孔模型（unipore model）和双孔模型（bidisperse model）来计算不同粒度煤样的瓦斯扩散系数。
实验样品准备
实验煤样取自万峰煤矿1121工作面，该区域地质条件复杂，煤体破碎严重。煤样经过破碎和筛选，分为0.25～0.5 mm、0.5～1 mm和1～2 mm三种粒度，分别密封保存以备实验使用。
实验系统搭建
实验系统包括充气单元、吸附-加压单元、脱气单元和气体收集单元。充气系统通过钢瓶、减压阀和参考罐向煤样罐中充入甲烷气体。吸附-加压单元通过千斤顶对煤样施加0～12 MPa的轴向应力。脱气单元通过真空泵和真空计确保煤样罐内的真空度达到10 Pa以下。气体解吸量通过排水集气法测量。
实验步骤
实验前30分钟调节室内温度至20±1℃。称取200±0.1 g煤样，放入煤样罐中，进行脱气处理。随后向煤样罐中充入1 MPa的甲烷气体，直至吸附平衡。通过手动油压泵对煤样施加轴向应力，保持5分钟后释放游离瓦斯，并开始记录瓦斯解吸量。解吸过程持续100分钟，实验结束后更换煤样，重复上述步骤。
数据分析
实验数据通过单孔模型和双孔模型进行拟合，计算不同应力条件下的瓦斯扩散系数。使用MATLAB软件进行数值计算，得到有效扩散系数及最大相关性系数。
应力对瓦斯解吸量的影响
实验结果表明，随着轴向应力的增大，瓦斯解吸量呈现先下降后波动上升的趋势。与不加轴压相比，轴向应力为1 MPa时，瓦斯解吸量有所下降；而当轴向应力增大至12 MPa时，瓦斯解吸量显著增加。煤样粒度越小，瓦斯解吸量越大。
扩散系数计算
双孔模型的计算结果与实验数据的相关性系数稳定在99.5%以上，拟合效果优于单孔模型。宏观有效扩散系数在10^-4 s^-1数量级上，比微观有效扩散系数高出1～2个数量级。单孔模型的有效扩散系数位于宏观和微观有效扩散系数之间。
应力对扩散系数的影响
随着轴向应力的增大，宏观和微观有效扩散系数呈现“V”形变化趋势。煤样粒度越大，扩散系数对应力的敏感性越高，且宏观扩散系数对应力的敏感性高于微观扩散系数。
煤样粒度对扩散系数的影响
相同轴向应力条件下，煤样粒度越小，瓦斯解吸量和扩散系数越大。粒度大的煤样在应力作用下扩散系数的增长速度更快，表明粒度大的煤样对应力更敏感。
本研究通过建立受载煤体瓦斯扩散系数的动态演化模型，并通过实验验证了模型的有效性。研究结果表明，轴向应力和煤样粒度对瓦斯解吸量和扩散系数有显著影响。随着轴向应力的增大，瓦斯解吸量和扩散系数呈现先下降后波动上升的趋势。煤样粒度越大，扩散系数对应力的敏感性越高。研究结果为理解承压条件下构造煤的瓦斯扩散规律提供了理论依据，对预防煤与瓦斯突出事故具有重要的应用价值。
创新性模型
研究首次建立了受载煤体瓦斯扩散系数的动态演化模型，考虑了轴向应力对煤体孔隙度和扩散系数的影响。
实验设计
实验系统设计合理，能够精确控制轴向应力和测量瓦斯解吸量，确保了实验数据的可靠性。
多粒度研究
研究涵盖了0.25～0.5 mm、0.5～1 mm和1～2 mm三种粒度的煤样，全面分析了粒度对瓦斯解吸和扩散的影响。
高相关性拟合
双孔模型的计算结果与实验数据的相关性系数高达99.5%以上，显著优于单孔模型，为后续研究提供了可靠的数值计算方法。
研究还讨论了温度、孔隙压力和吸附量对煤体孔隙度的影响，进一步丰富了模型的理论基础。此外，研究结果对煤矿安全生产具有重要的指导意义，特别是在构造煤发育区域，煤体粉碎越严重，瓦斯解吸和扩散速度越快，煤与瓦斯突出的危险性也越高。