中国矿业大学王亮教授团队从扩散的角度，分析煤基质与裂隙的质量交换关系，通过颗粒煤解吸的动态过程求解基质形状因子，进而推算出颗粒煤等效基质尺度。该方法不仅从另一个角度提供了计算各种粒径下煤基尺度的方法，还对进一步研究扩散渗流关系，解释不同颗粒煤的扩散规律有着重要意义。研究成果7月27日以“颗粒煤基质尺度计算新方法及应用”为题在《煤炭科学技术》网络首发。
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煤层瓦斯运移可分为脱附、扩散、渗流三个阶段，其中扩散与渗流速度是决定瓦斯在煤体内流动快慢的关键，宏观上表现为抽采工程的效率。煤基质内部含有大量以微孔和小孔为主的孔隙，这些孔隙提供了较大的比表面积，是吸附瓦斯赋存的主要场所。当瓦斯运移边界条件改变时，瓦斯分子首先从孔隙表面解吸，然后向裂隙扩散，再通过渗流运移出煤体。瓦斯抽采后期随浓度梯度的下降，瓦斯运移出基质的阻力大，此阶段扩散是限制瓦斯抽采的主要传质形式。
研究基于颗粒煤时变扩散模型、基质模型与基质形状因子等理论分析，提出了如下基本假设：
（1）煤基质为各向同性的球体。
（2）煤基质内部孔隙系统由多尺度纳米级、大小不一的非均质多级孔隙构成，且分布均匀。
（3）基质内扩散按照孔隙由大到小，扩散位置按照从基质外到内的顺序进行，受浓度梯度的驱动。
（4）瓦斯在多级孔隙中扩散时遵从连续性原理，瓦斯解吸为等温条件下的解吸过程。
（5）在短时间内的扩散过程看作是在稳态扩散条件下进行的。
（6）颗粒煤内部瓦斯流动全部看作扩散，忽略大颗粒煤基质间的裂隙渗流。
研究选用来自贵州省普安县南部糯东矿的原生煤，在中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心进行粉碎和筛分，将煤制成了不同粒度（0.074~0.2 mm、0.2~0.25 mm、0.5~1 mm和1~3 mm）进行物性参数和吸附常数等实验。
研究发现：
1）时变扩散模型对解吸实验数据的拟合相关系数都达到了0.98以上，可以准确得到扩散系数随时间的衰减规律。其中初始扩散系数反映基质外层大孔中瓦斯的扩散能力，与基质的形状大小有关，在一定程度上反映了煤基质的破坏程度。
2）煤基质形状因子具有时变性，扩散后期基质形状因子可准确反映基质形态。通过处理三组粒径的实验数据，最终确定糯东矿原生煤三种颗粒煤的基质尺度分别为0.059 mm、0.287 mm和0.457 mm，随粒径的增大而增大，扩散极限粒径的存在是大颗粒煤基质的完整性的体现。
3）对比了K1值计算结果对煤颗粒大小和基质尺度的敏感性，结果表明代入基质半径进行计算得到的结果依次增大了0.064 cm3/g、0.081 cm3/g、0.105 cm3/g，呈现出的规律与实际煤样第1 min的解吸规律一致，对K1值有很好的修正效果，提高了直接法计算瓦斯损失量的精确性，对深部小基质的构造煤的突出预测具有指导意义。
这项研究得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项的资金支持。李子威博士研究生为论文通讯作者。
扩散模型拟合结果
王亮,李子威,郑思文,等.颗粒煤基质尺度计算新方法及应用[J/OL].煤炭科学技术:1-12[2023-08-08].DOI:10.12438/cst.2023-0886.
WANG Liang, LI Ziwei, ZHENG Siwen，et al.A new method for calculating particle coal matrix scale and its application[J].Coal Science and Technology:1-12[2023-08-08].DOI:10.12438/cst.2023-0886.
