本文是一篇科研论文，题为“Experimental study on kinetic characteristics of gas diffusion in coal under nitrogen injection”，发表在《Energy》期刊上。文章的主要作者包括Yang Bai, Hai-Fei Lin, Shu-Gang Li等，他们主要来自中国西安科技大学安全科学与工程学院以及西安科技大学矿井瓦斯智能抽采西部工程研究中心。论文接收日期为2022年5月10日，并于2022年5月14日上线发布。在文内引用了大量相关研究以支持其分析与讨论。
该研究主要聚焦于煤层气（Coalbed Methane, CBM）的低渗透性煤层瓦斯抽采问题，这是全球范围内煤层气开采的关键科学课题之一。煤层气的主要成分为甲烷（CH4），是一种经济替代能源和温室气体。在传统钻孔预抽方法效果不足的背景下，气体注入替代法被视为改善抽采效率与缩短抽采时间的有效手段。然而，对于注气过程中瓦斯分子与含气煤相互作用促进瓦斯解吸的机制，以及解吸扩散的动力学效应仍需要进一步研究。
该研究的目标是通过实验方法探究：
- N2 注入条件下含气煤解吸的动力学特性和扩散规律；
- 基于动态过程分析建立适用于注气条件的煤气扩散动力学修正模型；
- 为煤层瓦斯抽采改进工艺提供理论依据。
研究流程包括样品选择与处理、实验设备构建、实验设计及结果分析四大部分。
实验样品取自中国新疆艾维尔沟煤矿4号煤层的煤样，通过真空密封防止氧化和变质。煤样被加工为60-80目颗粒后，在333 K的真空干燥箱中处理6小时。其固定碳（FC_ad）、水分（M_ad）、灰分（A_ad）和挥发分（V_daf）分别为69.85%、0.28%、8.49%和23.45%。显微煤岩类型分析显示，煤样中镜质组、惰质组和壳质组的比例为87.6%、12.4%和0%，镜质组反射率R_o,max为1.25%。
实验系统以高压吸附仪（PCTPro E&E）为核心，结合气相色谱仪（Trace 1300）。高压吸附仪温度控制范围为-23 K至673 K，压力范围为0至2×10^7 Pa，精度达±0.1 K与±102 Pa。整个实验系统由以下部分组成： 1. 称量系统：包括高精度平衡仪、筛分仪及煤样收集袋。
2. 气体存储系统：高压气存储池安全设计。
3. 脱气系统：自动压力控制PID系统操作。
4. 压力监控系统：包含多种量程传感器，自动切换，读数精度0.12%。
5. 温度控制系统：13 K至773 K恒温调节。
6. 数据采集与分析系统：记录并处理实验数据。
7. 安全系统：高灵敏度气体泄漏检测与报警功能。
实验分为两大部分： 1. 不同温度下的解吸与扩散实验
- 在303 K至343 K条件下进行等温吸附-解吸实验，饱和吸附压力为1×10^6 Pa，记录不同平衡压力下的解吸变化曲线。
2. N2注入条件下解吸与扩散实验
- 注入1×10^6 Pa的N2气体至饱和煤样，记录CH4和N2在不同平衡压力和温度下的解吸行为，结合扩散模型分析动态变化。
等温解吸实验表明，CH4的解吸容量与平衡压力呈负相关，在6.351 cm³/g至8.291 cm³/g范围内波动。结果显示瓦斯解吸为吸热过程，高温条件下分子热运动增强，有利于CH4分子的扩散解吸。
在N2注入实验中，CH4的解吸容量范围为6.779 cm³/g至14.357 cm³/g。随着平衡压力的降低和温度升高，N2竞争吸附效应增加显著促进了CH4解吸。两气体解吸容量与平衡压力的变化均符合幂函数曲线，其平均拟合度分别为0.900和0.888。
基于Fick扩散定律，研究计算了不同条件下CH4分子的扩散系数。303 K至343 K之间，CH4扩散系数范围为4.390×10⁻¹⁰ m²/s至5.625×10⁻¹⁰ m²/s。在N2注入条件下，扩散系数为6.555×10⁻¹⁰ m²/s至8.388×10⁻¹⁰ m²/s。实验还发现，在解吸初期，扩散系数呈快速衰减趋势，随后逐渐趋于稳定，符合d(t) = d₀·e^(-bt)这种指数衰减关系。
研究通过分析解吸动力学的实验数据，建立了一个煤气扩散动力学修正模型，考虑了扩散系数随时间变化的影响。公式如下： [ qt / q\infty = 1 - 6 \sum_{n=1}^{\infty} \left[ b_n \cdot \cos(b_n) + 2 \right] \cdot \exp\left(-d₀ \cdot e^{-bt} \cdot b_n^2 t / r \right) ] 模型通过实验验证，结果显示修正模型预测数据与实测数据的相关性较高（相关系数为0.988），具有较高准确性和稳定性。
作者通过实验研究不同温度及N2注入条件下的煤层气解吸与扩散性质，得出了以下结论： 1. 注气技术能显著增强瓦斯解吸效果。 2. 高温能加速分子扩散，提高瓦斯解吸速率。 3. 所提出的修正模型为煤层气动力学研究提供了新的理论工具。
该研究具有重要科学意义，为低渗透煤层瓦斯的高效抽采和安全利用提供了理论支持和数据基础。实际应用方面，研究结果有助于优化N2注气的工程参数，提升煤矿瓦斯抽采效率。