煤粒的瓦斯放散规律、机理和模型的研究是煤层瓦斯含量测定、突出危险性预测参数测定、落煤的瓦斯涌出和煤层气开发等方面的关键科学问题之一。煤粒瓦斯放散动力学规律和模型大多是基于均质煤粒建立，没有考虑软硬煤在孔隙结构和分子结构方面的差异及其对瓦斯放散规律的影响，工程实践表明，软煤瓦斯含量损失量推算、煤粒瓦斯解吸指标等参数测定偏差较大。
《基于煤结构的煤粒瓦斯放散规律与机理研究》（刘彦伟著. 北京: 科学出版社，2018. 3）研究了不同煤阶典型软硬煤分子结构、孔隙结构、初始瓦斯扩散浓度和瓦斯放散动态过程的差异特征，探讨动力变质对煤粒瓦斯放散规律的影响。通过研究获得以下主要结论。
▋ (1) 围绕华北板块典型煤田，统计分析了板块内绝大部分矿区和矿井与构造煤有关的资料，其中，主要矿区38 个，矿井344 对，高突矿井67 对。形成了华北煤田构造煤的区域和层域分布规律的地质构造控制作用机理的理论。华北板块受挤压构造带和伸张构造带控制，构造软煤总体比较发育，在区域上，可划分为北、中、南三带；在层域上，受地层结构、含煤地层结构和煤岩层岩性和厚度及组合控制，构造软煤层域特征明显。
▋ (2) 煤粒瓦斯放散规律实验前的准备，研制了具有温控功能的高效、大质量煤样的煤粒瓦斯吸附-放散实验系统和湿煤样、平衡水煤样的制作装置。
▋ (3) 不同吸附平衡压力的极限瓦斯放散量采用Langmuir 改进公式[式(8-9)] 计算；
提出不同吸附平衡压力的瓦斯放散速度随时间的变化关系可表示为V =B·PKp·t-Kt，但同一煤样，不同时间段，相关参数均发生变化；煤粒瓦斯扩散系数随吸附平衡瓦斯压力增大而稍有减小，与吸附平衡压力对瓦斯放散速度的影响量相比，减小量可忽略不计，即认为吸附平衡瓦斯压力对煤粒瓦斯扩散系数没有影响；硬煤的瓦斯扩散系数随放散时间基本不变化，可用均质模型描述，软煤的瓦斯扩散系数则随放散时间显著减小。
▋ (4) 变质程度对瓦斯极限放散量的影响与对吸附能力的影响一致，对于实验煤样，总体随变质程度的提高而增加；相同时间内，瓦斯放散量与瓦斯放散速度均随变质程度的提高而增大；变质程度对扩散系数的影响总体随变质程度的提高呈增大趋势，变质程度为贫瘦煤的鹤壁煤样高于无烟煤的晋城煤样，分析原因是受破坏程度或变质变形环境影响；不同变质程度软煤的扩散系数均随时间而减小。
▋ (5) 破坏程度对极限瓦斯放散量影响不大，软煤稍高于硬煤；相同时间，瓦斯放散量和瓦斯放散速度明显大于硬煤，通过实验数据回归，评价了9 个经验公式，乌斯基诺夫式更合理，但相关系数偏低；软煤的扩散系数明显高于硬煤，基本在2 ~10 倍变化，随破坏程度(f 值减小) 提高扩散系数增大；瓦斯扩散系数随时间延长而衰减，破坏程度越高，衰减程度越大。
▋ (6) 软硬煤瓦斯放散初速度差值随粒度的减小而减小，粒度减小到一定程度——该粒度称为原始粒度，小于等于该粒度时，软硬瓦斯放散速度和扩散参数KB 几乎没有差别，该粒度受变质程度、煤岩组分等影响；结合前人研究成果，完善了粒度对瓦斯扩散量、扩散速度和扩散系数的影响规律和机理，提出了粒度差别是软硬煤差别的本质特征之一；瓦斯扩散参数KB 随粒度的减小而增大，扩散系数随粒度减小而减小，查明了瓦斯扩散参数和扩散系数随粒度变化的原因。
▋ (7) 煤粒中气态水分的增加减小了极限瓦斯放散量，减小了相同时间内的瓦斯放散初速度和扩散系数，查明了水分瓦斯放散规律的影响机理。
▋ (8) 根据气体在多孔介质中理论，理论推导了瓦斯放散量与环境温度的关系式，瓦斯放散量随温度呈指数变化；通过实验研究，确定了理论公式中各项系数，提出了解吸环境温度对瓦斯放散量的修正公式，给出了不同变质程度煤的回归系数和适用条件；查明随温度升高瓦斯放散速度加快的主要原因是，扩散系数随温度升高而增大，拟合出扩散参数KB 与温度T 的关系，印证了瓦斯放散量温度修正公式；查明了温度对扩散系数的影响机理。
▋ (9) 采用孔隙结构测定结果表明，破坏程度增加了煤的总孔容、中孔、过渡孔、大孔孔容和比表面积，其中中孔增加最显著，孔隙连通性也得到明显改善，微孔变化不明显；随变质程度提高，总体上，总孔容呈指数下降，大孔、中孔和过渡孔呈下降趋势，微孔逐渐升高，比表面积呈U 形变化。结合煤的分子结构研究成果，动力变质作用在一定程度上提高了软煤的变质程度。
▋ (10) 理论分析表明，煤粒的吸附瓦斯放散过程，可用气体在多孔介质中的扩散理论描述，扩散模式包括细孔扩散、表面扩散和晶体扩散，其中，细孔扩散决定了煤粒瓦斯的动力学特性，实际煤粒的扩散参数受孔隙直径、孔分布、迂曲度和连通性等孔隙结构特征控制，具有随时间衰减的特征。
▲ 非均质煤颗粒物理模型概念图
▋ (11) 根据以上认识和气体在多孔介质模型研究进展，建立了基于煤粒瓦斯连续性扩散理论的三层结构新模型，推导了扩散率关于放散时间的无穷级数通解，扩散率与时间呈指数关系，经数值验证，与煤粒瓦斯扩散实验规律一致。
受时间和篇幅所限，对获得关于瓦斯扩散规律的新认识和新模型，在具体应用方面开展研究较少，本书完成后，将继续对新模型的通解采用数值计算的方法，研究通解相关参数的变化规律并充分验证，进而简化应用到具体问题中。
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本文摘编自《基于煤结构的煤粒瓦斯放散规律与机理研究》（刘彦伟著. 北京: 科学出版社，2018. 3）一书“第10章 结论与讨论”，有删减，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-054692-0
责任编辑: 王 运 姜德君
（本文编辑：刘四旦）
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