煤炭学报

作者：陈世强, 张玉贵, 张明杰, 闫江伟, 刘操, 李东会, 史广山,

关键词：差压穿透法, 煤, 吸附气体, 表面扩散系数, 测定方法,

煤吸附气体表面扩散行为难以测量和定量表征，一直是煤层气(煤矿瓦斯)运移规律研究中存在的问题或难点。采用吸附动力学方法，基于Maxwell-Stefan扩散理论，利用每次吸附平衡时体相与吸附相化学势改变量的一致性，推导了覆盖度依赖性表面扩散通量方程并以Fick定律形式表达；结合质量守恒方程，建立了差压下煤中两相气体传输统一模型，提出了差压穿透法测定煤吸附气体表面扩散系数的原理与实验方法，并应用差压穿透法测得了表面扩散系数和两相气体传输贡献度。结果表明：覆盖度依赖性表面扩散通量方程的表面扩散系数与Maxwell-Stefan扩散理论的表面扩散系数符合HIO模型关系，是Maxwell-Stefan扩散理论的延展，能用Arrhenius 方程形式表示，理论推导结果正确，可用于表征煤吸附气体表面扩散行为。差压下煤中两相气体传输统一模型描述了差压下煤中吸附气体和游离气体传输的统一过程，该模型结合煤体多尺度孔隙结构串联物理模型构建，考虑了煤吸附气体表面覆盖度的影响，为差压穿透法原理的基础。基于模型构建差压−时间关系式，利用表面扩散的敏感参数(差压−时间曲线)反演表面扩散系数，提出了差压穿透法原理。基于原理，设计了差压穿透法实验，搭设了差压穿透法实验装置，测得了差压−时间曲线。差压−时间关系式与差压−时间曲线拟合度R2达0.977 6，验证了差压穿透法原理，可从总的气体传输过程(差压−时间曲线)中提取表面扩散系数。实验的表面扩散系数可用原理中煤吸附气体表面扩散系数表征公式描述，拟合度R2达0.997 9，拟合参数D0s∞、α在理论分析的取值范围之内，实验测定结果正确，可适用于煤中单组分气体且覆盖度为0～1内的表面扩散系数测定。在温度303 K，吸附平衡压力0.1～3 MPa，改变相同差压dp/dx实验条件下，煤吸附气体(甲烷−九里山煤样)表面扩散贡献度为95.70%～29.08%，游离气体运移贡献度为4.30%～70.92%，随着压力的降低，煤中气体运移过程由游离气体运移主导逐渐过渡为吸附气体表面扩散主导。实验结果表明煤中不仅存在吸附气体表面扩散行为，且在低压条件下(˂1.5 MPa)，煤层气(煤矿瓦斯)运移过程会由吸附气体表面扩散主导(贡献度超过50%)，煤吸附气体表面扩散行为不可忽略。评价煤中吸附气体的传输能力，可靠地预测吸附气体对煤层气(煤矿瓦斯)抽采效率的长期影响，煤吸附气体表面扩散系数的实验测定必不可少。

来源：2026年第3期

《煤炭学报》期刊编辑部

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