孔隙气体在煤层中扩散的机理.pdf

第3 0 卷第1 期 2 0 0 1 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 0N o ． J a n ，2 0 0 I 文章编号i 0 0 01 9 6 4 2 0 0 1 O l 一0 0 0 10 4 孔隙气体在煤层中扩散的机理 何学秋，聂百胜 中国矿业大学能源科学与工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要分析了孔隙气体在煤体中的扩散模式和微观机理，得出在煤体中存在菲克型扩散，诺森扩 散、过渡型扩散、表面扩散和晶体扩散几种扩散模式，并分析了抽放时瓦斯气体在煤层中的运移过 程厦其在煤微孔隙中的扩散过程．根据分子运动论．从微观上讨论了压强和温度对甲烷分子平均 自由程的影响规律，并解释了升高压强和温度增强甲烷气体在煤层微孔隙中扩散能力的机理．分 析了前人测定的不同压力下瓦斯在煤体中的扩散系数与分子平均自由程之间的关系，表明孔隙气 体在煤微孔隙中扩散的宏观参数从根本上来看是由于分子微观参数的改变引起的． 关键词孔隙气体} 甲烷；诺森数；扩散机理；分子平均自由程 中图分类号T D7 1 2文献标识码A 我国煤矿生产中经常发生煤与瓦斯突出、瓦斯 爆炸等重大灾害事故．治理瓦斯灾害必须减少煤层 中瓦斯的释放量．最有效的措施是进行瓦斯抽放． 中国煤层甲烷的储量十分丰富，据测算[ “，全国埋 深20 0 0m 以浅的范围内．拥有煤层甲烷总资源量 约为 3 0 ～3 5 x1 0 ”m 3 ，相当于常规天然气的储 量．所以煤层瓦斯抽放既能够解决煤矿中由瓦斯引 起的灾害问题，又能够合理利用资源，变害为宝．我 国对煤层瓦斯的抽放都是在井下进行的，地面抽放 仅处于试验阶段，要成功地开采，必须了解瓦斯的 扩散、流动规律．而瓦斯在煤层中的扩散目前基本 上以宏观研究为主，对扩散的微观机理的研究较 少．文献E 2 ] 首次对瓦斯气体分子在煤层中扩散的 机理进行了分析，文献E 3 3 根据煤层中的孔隙直径 和瓦斯气体分子的平均自由程提出了几种扩散方 式，这些分析对于我们理解煤层中孔隙气体的运移 提供了有益的帮助．本文即是在此基础上，对孔隙 气体在煤孔隙中扩散的微观机理及影响因素进行 进一步探讨． 1 孔隙气体在煤层中的扩散模式 1 ．1 孔隙气体在煤孔隙中的扩散模式 从分子运动论的观点来看．气体扩散的本质是 气体分子不规则热运动的结果．煤是一种典型的多 孔介质，根据气体在多孔介质中的扩散机理的研 究[ ‘] ，可以用表示孔隙直径和分子运动平均自由程 相对大小的诺森数K n 将扩散分为一般的F i c k 型 扩散、K n u d s e n 型扩散和过渡型扩散．它的表达式 为 K ” 了d ． 1 式中d 为孔隙平均直径，i n ；A 为孔隙气体分子的 平均自由程，m ． 当K n ≥1 0 时，孔隙直径远大于孔隙气体分子 的平均自由程，这时孔隙气体分子的碰撞主要发生 在自由孔隙气体分子之间，而分子和毛细管壁的碰 撞机会相对较少，此类扩散仍然遵循菲克定理，称 为菲克 F i c k 型扩散．当K n ≤0 ．1 时，分子的平均 自由程大于孔隙直径，此时孔隙气体分子和孔隙壁 之间的碰撞占主导地位，而分子之间的碰撞退居次 要地位，此类扩散不再遵循菲克扩散，此即诺森 K n u d s e n 扩散．当0 ．1 K n 1 0 时，孔隙直径与 孔隙气体分子的平均自由程相近，分子之间的碰撞 和分子与壁面的碰撞同样重要，因此此时的扩散是 介于菲克型扩散与诺森扩散之间的过渡型扩散，见 图1 ． 收■日期；Z 0 0 0 0 5 1 5 基盒项目。国家自然科学基金资助项目 5 9 8 7 4 0 2 8 国家杰出青年基金赍助项目 5 9 9 2 5 4 1 1 作者筒介；何学秋 1 9 6 1 一 ．男．辽宁省灯塔县人，中国矿业大学教授，博士生导师，工学博士，从事安全系统工程、安全环境工程、古孔 隙流体煤岩灾害动力学方面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报 第3 0 卷 a F i e k 型扩散 K n ≥1 0 b K n u d s e n 型扩散 K n ≤O ．】 c 过菠型扩散 o ．1 K n 1 0 图1 孔晾气体的扩散模式 F i g ．1 D i f f u s i o nm o d e so fp o r o u sg a s e s 由于多孔特性及其大分子结构，煤是一良好的 吸附剂，当孔隙气体分子被强烈地吸附于煤的固体 表面时，由于煤表面具有表面势阱强度E ，当孔隙 气体分子的能量等于表面能△E 日时，气体分子在 煤表面形成表面扩散，见图2 ．对吸附性极强的煤 来说，表面扩散对扩散速度有很大的贡献．当孔隙 直径与气体分子尺寸相差不大，而压力足够大时， 孔隙气体分子就会进人到微孔隙中以固溶体存在， 此过程中会发生晶体扩散，不过在煤体中扩散一般 较小． o 目 二 ≤ 疆 恒 ≮b { { 的微孔隙发育，瓦斯通过煤粒的扩散需要一定时 间，扩散阻力不可忽视．但是目前对这一阶段的微 观研究还比较少． 瓦斯气体在煤微孔隙中扩散时，由前述可知 当K n ≥1 0 时，在较大孔隙中服从F i c k 型扩散；当 K n ≤o ．1 时，在较小孔隙中服从K n u d s e n 型扩散； 当0 ．1 五” 1 0 时，则服从过渡型扩散．同时，在 煤孔隙表面由于吸附作用的强弱不同，还会有不同 程度的表面扩散，这就加强了瓦斯在煤孔隙中的扩 散速度．由于煤体孔隙尺寸由小到大分布．所以瓦 斯在其中扩散的几种模式都存在．对于主要吸附在 与K n ≤0 ．1 相对应尺寸的煤微孔隙表面的瓦斯解 吸后，会依次经过K n u d s e n 型扩散、过渡型扩散、 F i c k 型扩散3 种扩散方式进入裂隙系统中． 2 孔隙气体分子平均自由程对扩散能力的 影响 2 ．1 气体分子的平均自由程 气体分子在多孔介质中的扩散模式与多孔介 质孔径的大小和气体分子的平均自由程有关，所以 从微观上我们应该了解气体分子的平均自由程． 由热力学可知，气体分子每时每刻都在不停地 运动着，但其运动有一定限度．这是因为在任意空 问中总存在有大量分子，任一分子在运动时总会有 机会与别的分子相互碰撞．分子在相互碰撞前所 走的一段直线距离称为分子的自由程．平均自由程 即分子连续碰撞之间所通过自由程的平均值，用 表示．根据分子运动论，对于理想气体， 可由下式 确定 k 赢’ 化’ 式中 为玻尔兹曼常数，1 ．3 8 1 0 _ 2 3 ．J ／K ；T 为 绝对温度，K d 。为分子有效直径，r i m ；户为气体的 压强，M P a ． 由式 2 可以看出，气体分子的平均自由程与 温度成正比，与压强成反比． 耐盘 l 山l 万方数据 第1 期 何学秋等孔隙气体在煤层中扩散的机理 2 ．2 对扩散能力的影响 根据式 2 ，在常温常压下 2 0 ℃，0 ．1M P a ， 矿井主要孔隙气体分子的有效直径及平均自由程 见表1 ． 衰1 矿井主要孔l 囊气体在常沮常压 2 0 ℃，0 ．1M P a 下 的分子平均自由程 T a b l e1T h em e a l lf r e ep a t ho fg a sm o l e c u l e s 由于在实际煤系地层中孔隙气体的压强通常 都远大于常压，所以真实条件下孔隙气体的平均自 由程要小得多．根据式 2 得出的常温下孔隙气体 分子平均自由程随压强的变化见图3 ．从整体看， 随压强增大而减小，但在o ．1 ～1M P a 之间随压强 的增大减小迅速，大于1M P a 后趋于稳定．因为在 压强增大的情况下，某些煤孔隙中气体的扩散模式 会从K n u d s e n 扩散转化为H c k 型扩散或过渡型扩 散，所以对于同样的煤样来说，煤微孔隙中气体压 力越大，其扩散能力越强，但是在大于1 ．5M P a 之 后这种增大趋势就不太明显了． g 口 二 刚 旧 _ 皿 霸 斗 k 彘 p ／M P a 常温下瓦斯分子平均自由程与压强的关系 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e a nm o l e c u l et m ep a t h a n dg a sp r e s s u r e 丁 2 9 3K 孔隙气体分子的平均自由程与温度也有关，根 据式 2 得出的常压下分子平均自由程随温度的变 化见图4 ．可以看出， 随温度的升高线性增加，但 增加缓慢，影响并不大．但是在实际情况下，往往温 度对气体扩散的影响比压力更明显．这可能是因为 温度升高煤层对孔隙气体的吸附置减少，使游离气 体量及压强增大} 另外，根据理想气体状态方程，温 度升高，在体积不变时压强也升高，所以这两者共 同作用使 的减小比温度引起的增加量更甚，使得 孔隙气体的扩散能力加强． 雪 鐾 皿 毫 塞 S 净 图4 常压下瓦斯分子平均自由程与温度的关系 F i g ．4R e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e a l lm o l e c u l ef r e ep a t h a n dt e m p e r a t u r e p 0 ．1M P a 图5 是渡边伊温口3 在甲烷在煤粒中扩散的实 验中测得的扩散系数与我们根据甲烷压力计算的 分子平均自由程之间的关系．可以看出，分子平均 自由程与扩散系数之间基本上是线性相关，自由程 越小，在煤层中易扩散的模式所占比重越大，就越 容易扩散．因为孔隙气体在煤层中的扩散受到许多 因紊的影响，所以实际扩散能力也受到多因素的制 约，沿程的甲烷压力是逐渐下降的．在扩散过程中 平均自由程也是不断发生变化的，所以扩散系数并 没有象图3 那样出现突变，但是上述分析说明了微 观上的参数与测得的宏观参数之间确实存在着联 系．这也说明了压强对孔隙气体在煤层中扩散能力 的影响从根本上来说是改变了孔隙气体分子的微 观参数． ， h 0 E 3 岛 糕 蟮 釜 b 分子平均自由程 ／n m 图5甲烷扩散系数与分子平均自由程之间的关系 F i g ．5R e h t i o n s h i pb e t w e e nd i f f u s i o nc c _ e f f i c i e n t a n dm ∞nm o l e c u l ef r e ep a t ho fm e t h a n e 3 结论 1 分析了孔隙气体在煤层中的扩散模式和机 理，根据诺森数将孔隙气体在煤层中的扩散模式分 为菲克型扩散、诺森扩散和过渡型扩散，此外在煤 体中还有表面扩散和晶体扩散； 2 描述了抽放时瓦斯气体在煤层中的运移过 程及在煤微孔隙中的扩散过程，在煤微小孔隙表面 吸附的瓦斯解吸后会依次经过K n u d s e l l 型扩散、 过渡型扩散、F i c k 型扩散3 种扩散方式进入裂瞬c 系 酊郇 F ，7 X 万方数据 4 中国矿业大学学报 第3 0 卷 统中； 3 根据分子运动论从微观分析了压强和温度 对气体分子平均自由程的影响规律，并解释了增大 压强和温度增强甲烷气体在煤层微孔隙中扩散能 力的机理； 4 孔隙气体宏观的扩散参数从根本上看是由 于孔隙气体分子微观参数的改变引起的． 参考文献 [ 1 ]张新民，张遂安．钟玲文．等．中国的煤层甲烷[ M ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 3 西安陕西科学技术出版社．1 9 9 1 ．9 61 2 9 ． 何学秋．刘明举．含瓦斯煤岩破坏电磁动力学[ M ] ． 徐州；中国矿业大学出版社，I9 9 5 ．1 4 8 1 5 1 ． 聂百胜．煤粒瓦斯解吸扩散动力过程的实验研究 [ D ] ．太原太原理工大学采矿系．1 9 9 8 ． 林瑞豢．多孔介质传热传质引论[ M ] ．北京科学出 版社，1 9 9 5 ．1 5 2 15 6 ． 渡边伊温，煤的瓦斯解吸特性浅析[ 刀．世界煤炭技 术，I9 8 6 9 3 5 4 0 ． D i f f u s i o nM e c h a n i s mo fP o r o u sG a s e si nC o a lS e a m s H EX u e q i u ，N I EB a is h e n g C o l l e g eo fE n e r g yS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，C U M T ，X u z h o u J i a n g s u2 2 1 0 0 8 C h i n a A b s t r a c t D i f f u s i o nm o d e sa n dm i c r o m e c h a n i s mo fg a s e si nC O n lw e r ea n a l y z e d ．I ti sp o i n t e dO U tt h a ti nc o n l s e a m st h e r ea r et h ef o l l o w i n gd i f f u s i o nm o d e s F i c kd i f f u s i o n ，K n u d s e nd i f f u s i o n ，t r a n s i t i o n a ld i f f u s i o n ．S U E f a c ed i f f u s i o na n dc r y s t a ld i f f u s i o n ．M o r e o v e r ，t h em o v e m e n ta n dd i f f u s i o np r c c e s s e so fg a si nc o a ls e a m s d u r i n gt h ed r m n a g ew e r ed e s c r i b e d ．T h ee f f e c tr u l e so fp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r eo nt h em e a nm o l e c u l ef r e e p a t ho fg a sw e r ed i s c u s s e di nm i c r o c o s ma c c o r d i n gt Om o l e c u l ed y n a m i c s ．B e s i d e s ，t h em i c r o m e c h a n i s mo f e n h a n c i n gt h ed i f f u s i o na b i l i t yo fp o r o u sg a s e sb yi n c r e a s i n gp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ew a se x p l a i n e d ．O nt h e b a s i so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n t sa n dt h em e a nf r e ep a t ho fg a sm o l e c u l e s ，i ti sf o u n d t h a tt h em a c r o p a r a m e t e r so fg a sd i f f u s i o ni sd e t e r m i n e da l lb yt h em i c r o - p a r a m e t e r so fg a sm a k e u p s ． K e yw o r d s p o r o u sg a s e s ；m e t h a n e ；K n u d s e n ’sn u m b e r ；d i f f u s i o nm e c h a n i s m ；m e a nm o l e c u l ef r e ew a l k 1 9 9 9 中国矿业大学学报 自然科学版 被中国科技论文与引文 数据库 C S T P C D 收录为统计源期刊． 影响因子为0 ．3 1 9 ，在矿业学科内排名第2 位，在1 3 7 2 种期刊中 排名第2 6 4 位． 总被引频次数为1 6 8 ，在矿业学科内排名第4 位，在1 3 7 2 种期刊 中排名第4 0 5 位． 万方数据