CO气体在煤层中的扩散机理及模式

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1、第31卷第4期河北理工大学学报(自然科学版)Vol131No142009年11月JournalofHebeiPolytechnicUniversity(NaturalScienceEdition)Nov.2009文章编号:167420262(2009)0420001205CO气体在煤层中的扩散机理及模式112庞睿智,郭立稳,齐玉磊(11河北理工大学资源与环境学院,河北唐山063009;21河北钢铁集团唐山钢铁股份有限公司发展规划部,河北唐山063016)关键词:煤层;CO;扩散摘要:分析了CO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、

2、表面扩散和晶体扩散几种扩散模式。从微观上看,影响CO气体在煤层中扩散的主要因素是CO气体的平均自由程和煤不同尺寸微孔隙的分布情况。根据分子运动论,从微观上讨论了压强和温度增强CO气体在煤层微孔隙中扩散能力的机理。根据不同孔隙分布的煤层,结合河北省部分煤矿煤样的孔隙分布实测数据,探讨了各种扩散模式的适用条件。+中图分类号:TD752文献标志码:A0引言一氧化碳作为煤炭早期自然发火的标志性气体已经得到了大多数人的认可,通过实验证明,CO作为指标气体,适用于在煤温50～150℃阶段,此时CO的含量随着温度的升高,表现出极强的规律性,有着良好的指数对应关系。但是,许多煤矿在开采过程中

3、发现CO超限的现象,煤矿工作人员作了积极的灭火工作,煤[1,2]层却没有发生火灾。一般认为,除爆破和爆炸产生的CO外,CO来源于煤层发生了自燃发火或其他火灾,极少考虑到煤层赋存的CO的扩散情况。对煤层中赋存的CO的扩散规律研究不够。本文对CO气体在煤层中的扩散机理及模式进行了研究。1CO气体在煤层中的扩散机理及模式[3,4]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Kn=d/λ(1)式中d———空隙平均直径,m;λ———气体分子的平均自由程,m。将扩散分为一般的菲克(Fick)型扩散、诺森(Knudse

4、n)型扩散和过渡型扩散。Kn≥10时,孔隙直径远大于CO气体分子的平均自由程,这时CO气体分子的碰撞主要发生在自由CO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,称为菲克型扩散。当Kn≤0.1时,分子的平均自由程大于孔隙直径,此时CO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,而为诺森扩散。当0.1

5、剂,当CO气体分子被强烈地吸附于煤的固体表面时,就产生表面扩散。对吸附性极强的煤来说,表面扩散占有很大比重。当孔隙直径与CO气体分子尺收稿日期:20092012162河北理工大学学报(自然科学版)第31卷寸相差不大,压力足够大时,CO气体分子就会进入微孔隙中以固溶体存在,发生晶体扩散,在煤体扩散中一般比较小。1.1菲克型扩散当Kn≥10时,由于孔隙直径远大于CO气体分子的平均自由程,因此扩散是由于CO气体分子之间的无规则运动引起的,可以用菲克扩散定律去描述,即5CJ=-Df(2)5X2式中J———CO气体通过单位面积的扩散速度,kg/(s×m);5C———沿扩散方向的浓度梯度

6、;5X2Df———菲克扩散系数,m/s;2C———CO气体的浓度,kg/m。等式中由于扩散是沿着浓度减少的方向进行的,而扩散系数总是正的,故式中要加一个负号。由于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,从而使实际的扩散通量减少。考虑以上因素,CO气体分子在煤层内有效扩散系数可定义为Dfe=Dfθ/τ(3)2式中Dfe———CO气体在煤层内的有效Fick扩散系数,m/s;θ———有效表面孔隙率;τ———曲折因子,为修正扩散路径变化而引入的。对于给定状态的某种CO气体来讲,菲克型扩散的扩散系数大小取决于煤本

7、身的孔隙结构特征。1.2诺森型扩散当Kn≤011时,CO气体在煤层中的扩散属于诺森型扩散,根据分子运动论,在半径为r的孔隙内,由于壁面的散射而引起的CO分子扩散系数为28RTDk=r(4)3πM式中Dk———诺森扩散系数;r———孔隙平均半径,m;R———普适气体常数;T———绝对温度,K;M———CO气体分子量。若考虑有效表面孔隙率、曲折因子半径变化等因素,则有效扩散系数为θ2Dk4θ8RT8θ2RTDke==-=(5)τ3sρπM3τ,ρπM2式中s———煤粒的比表面积,m/kg;3ρ———煤密度,