瓦斯气体在煤孔隙中的扩散模式

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1、#&&&年!&月矿业安全与环保第#$卷第%期瓦斯气体在煤孔隙中的扩散模式聂百胜，何学秋，王恩元’中国矿业大学安全技术及工程实验室，江苏徐州##!&&()摘要：根据气体在多孔介质中的扩散模式，结合煤结构的实际特点，分析了瓦斯气体在煤孔隙中的扩散机理，得出瓦斯在煤体中有以下几种扩散模式：菲克型扩散、诺森扩散、过渡扩散、表面扩散和晶体扩散，并分析了煤层中影响瓦斯扩散的因素和各种扩散模式的适用条件。关键词：瓦斯；诺森数；扩散机理；扩散模式中图分类号：*+$!#,-%!文献标识码：.文章编号：!&&(/""0%’#&&&)&%/&&!"/&1!引言时，分子的平均自由程大于孔隙直径，此时瓦斯气体分子

2、和孔隙壁之间的碰撞占主导地位，而分子之间的目前，瓦斯在煤层中的运移从总体上可以分为碰撞退居次要地位，此类扩散不再遵循菲克扩散，而两种：一种是瓦斯气体在孔径!2!!3孔隙中的扩为诺森扩散。当&-!2"<2!&时，孔隙直径与瓦斯气散流动；一种是在孔径!.!!3范围内的渗流流体分子的平均自由程相似，分子之间的碰撞和分子与动。而瓦斯气体在煤层中的扩散基本上以宏观研究面的碰撞同样重要，因此此时的扩散是介于菲克型扩为主，尤其是对扩散的微观机理研究的更少，文献4!5散与诺森扩散之间的过渡型扩散，见图!。首次对瓦斯气体分子在煤层中扩散机理进行了分析，文献4#5根据煤层中的孔隙直径和瓦斯气体分子的平均自由

3、程提出了几种扩散方式，这些分析对于我们理解煤层中瓦斯的流动提供了有益的帮助和理解，但对其分类方法没有进行详细讨论，还需要进一步的深入探讨。"瓦斯气体分子在煤层中的扩散机理和扩散模式从分子运动论的观点看，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41，"5，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A—菲克型扩散；B—诺森型扩散；9—过渡型扩散"#$%&!’!)图!瓦斯气体的扩散式式中%———孔隙平均直径，36由于多孔特性及其大分子结构，煤是一种良好!———气体分子的平均自由程，3。的吸附剂，当瓦斯气体分子被强烈地吸

4、附于煤的固将扩散分为一般的菲克’789:)型扩散、诺森体表面时，就产生表面扩散。对吸附性极强的煤来’;<=>?@<)型扩散和过渡型扩散。当"<.!&时，孔隙说，表面扩散占有很大比重。当孔隙直径与瓦斯气体直径远大于瓦斯气体分子的平均自由程，这时瓦斯分子尺寸相差不大，压力足够大时，瓦斯气体分子就气体分子的碰撞主要发生在自由瓦斯气体分子之会进入微孔隙中以固溶体存在，发生晶体扩散，在煤间，而分子和毛细管壁的碰撞机会相对较少，此类扩体扩散中一般比较小。散仍然遵循菲克定理，称为菲克型扩散；当"<(&-!#-!菲克型扩散当"#.!&时，由于孔隙直径远大于瓦斯气体分收稿日期：!000/&(/#$子的平均

5、自由程，因此扩散是由于瓦斯气体分子之作者简介：聂百胜’!0$1/)，男，中国矿业大学在读博士研究间的无规则运动引起的，可以用经典的菲克扩散定生。·!"·#%%%年!%月矿业安全与环保第#$卷第"期律去描述，即数的关系为9":!#()*+,’#(!!!!’)6’<(式中(———瓦斯气体通过单位面积的扩散速度，+;,++,+2,")’*·#(；!"$表面扩散!#———沿扩散方向的浓度梯度；对于凸凹不平的煤粒表面，具有表面势阱强度!’+,———菲克扩散系数，#)*；即表面能量7=>当瓦斯气体分子的能量等于表面能#———瓦斯气体的浓度，")#。17=时，气体分子在煤表面形成表面扩散，见图#。由于

6、孔道是弯曲的各种形状，同时又是相互连通的通道，所以扩散路径因孔隙通道的曲折而增长，孔截面收缩可使扩散流动阻力增大’孔截面扩大引起的影响较小(，从而使实际的扩散通量减少，考虑以上因素，瓦斯气体分子在煤层内有效扩散系数可图#瓦斯气体在煤表面上的表面扩散其表面扩散有效系数为定义为7&++,-+,!-"’.(+*,)+*?,@A（B）’$(01式中++,———瓦斯气体在煤层内的有效/012扩散式中+*,———有效表面扩散系数；系数，#)*；+*?———与气体及多孔介质本身有关的常数；!———有效表面孔隙率；7=———表面吸附势阱深度。"———曲折因子，"是为修正扩散路径变化由上式可以看出，表面扩

7、散的大小与煤的表面而引入的。特征、表面粗糙度、煤的表面吸附势阱深度以及煤层很显然，对于给定状态的某种瓦斯气体来讲，菲的温度等因素有关。表面扩散经常同普通的菲克型克型扩散的扩散系数大小取决于煤本身的孔隙结构扩散在煤层较大孔隙中同时进行，使扩散的总通量特征。增大；另一种情况是当瓦斯气体被煤表面强烈吸附!"!诺森型扩散时，吸附层增厚使得瓦斯气体扩散通量减少。当.&(%3!时，瓦斯气体在煤层中的扩散属于!"%晶体扩散诺森型扩散，根据分子运动