基于双孔扩散模型的瓦斯扩散系数压力依赖特性数值分析研究

煤炭学报
网络首发时间：2024-08-08 11:29:06

作者

冯小军邓狮狮刘泉霖王恩元
单位

中国矿业大学安全工程学院
摘要

瓦斯扩散系数作为描述瓦斯在煤层中迁移能力的关键参数，其准确性对瓦斯运移的预测和控制有重要影响。现有的双孔扩散模型研究中，瓦斯扩散系数通常被视为常数，这忽略了煤体复杂孔隙结构中瓦斯扩散系数随气体压力的变化，导致瓦斯扩散系数与气体压力之间的关系至今尚未厘清。为深入探究煤体瓦斯扩散系数的压力依赖特性，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，开展了不同粒径煤颗粒在不同吸附平衡压力条件下的瓦斯解吸实验，通过引入压力依赖扩散系数，建立了压力依赖的双孔扩散模型（EPBDM），并结合粒子群优化算法，对大孔、微孔的压力依赖扩散系数进行了反演，然后，通过数值模拟和模型对比，分析了扩散系数的压力依赖特性及时空演化规律，并进一步对模型的可靠性和适用性进行了分析讨论。结果表明：（1）大孔、微孔扩散系数与相对瓦斯压力之间呈正相关关系。（2）同一粒径煤样，大孔扩散系数随初始平衡压力的增大而减小，微孔扩散系数随初始平衡压力的增大而增大，二者变化趋势相反；同时，随着煤样粒径的减小，大孔、微孔扩散系数均呈现出减小的趋势。（3）在时间和空间尺度上，煤粒内部大孔、微孔扩散系数随解吸时间的增加而逐渐减小，且受压力变化影响，减小速度逐渐变缓，扩散系数总体呈现出非均匀变化的特征。（4）与传统的双孔扩散解析模型（CBDM）相比，压力依赖的双孔扩散模型模拟结果与实验数据高度吻合，拟合效果明显更优，能更好地反映瓦斯扩散过程中大孔、微孔扩散系数的真实变化情况。研究成果可为深入揭示煤体瓦斯扩散机制提供理论和方法依据。
关键词

扩散系数压力依赖性双孔模型数值模拟粒子群优化算法
文章目录

0引言
1建立模型
1.1双孔扩散解析模型
1.2双孔扩散数值模型
1.3压力依赖的双孔扩散模型
2解吸实验
3数值模拟
3.1数值模拟过程
3.2参数优化结果
3.3扩散系数压力依赖特性分析
3.4扩散系数时空演化规律分析
4模型分析与讨论
4.1模型可靠性分析
4.2模型适用性讨论
5结论
引用格式

冯小军,邓狮狮,刘泉霖,等.基于双孔扩散模型的瓦斯扩散系数压力依赖特性数值分析研究[J/OL].煤炭学报,1-13[2024-08-08].https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2024.0714.