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作 者
王登科1,2,3,4,李 睿1,3,魏建平1,3,4,于 充1,3,张凯旋1,3
1. 河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地；2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室；3. 河南理工大学 安全科学与工程学院；4. 煤炭安全生产河南省协同创新中心
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研究背景
多孔介质中流体的质量传递、渗透率、流动阻力和扩散性能均与介质内部的微观结构密切相关。煤作为一种具有从微孔到大孔范围的多孔介质材料,其内部流体的传热传质一直以来都是研究的热点和难点。由于煤体内部存在有机质和无机质分布的不均匀性,流动通道呈现出复杂多变的结构特征,多采用理想水动力管束模型和宏观流动方程研究气体传输机理,难以对真实孔隙流动通道内的传输机理进行准确定义。
笔者以粗糙微通道中孔隙形态和内壁粗糙元分形分析为基础,推导了粗糙微纳米孔隙中的瓦斯气体传输方程,将瓦斯气体等效视渗透率模型与实验结果进行对比,从孔隙结构参数的精确求解和分子流动机理两方面印证了笔者所建瓦斯气体传输方程的合理性和准确性。
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摘 要
为揭示煤体孔隙内表面粗糙微结构对瓦斯传输的影响机制,准确研究粗糙孔隙中的瓦斯气体传输规律,运用自相似特性分形理论推导出了微纳米孔隙内壁面粗糙元有效平均高度和孔隙有效半径的精确数学表达式。
采用Optical Tensiometer设备对取自煤体孔隙内壁表面进行3D形貌结构量化分析,将所得关键参数代入相对粗糙度表达式求得对应值为0.352。
结合流体速度滑移效应和分子扩散传输机理,推导出了粗糙微纳米孔隙中的瓦斯气体滑流修正传输方程和非连续流扩散传输方程,再通过等效转换原则推导出微纳米孔隙内的视渗透率模型。
考虑到煤体纳米级孔隙难以进行精确测量表征和规避孔隙连通性对气体传输的影响,选取结构规整的纳米级圆孔阳极氧化铝薄膜作为气体流动通道载体。
研究结果表明:基于分形表征建立的粗糙微纳米孔隙瓦斯气体传输方程合理可靠,考虑孔隙粗糙度对瓦斯流动的影响是应该且必须的,以分形理论表征的孔隙相对粗糙度公式比前人所提出的孔隙粗糙度经验性公式更为精确,研究结果可为在分形拓扑领域中构建自仿射粗糙微通道的气体流动模拟研究工作中提供借鉴。
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中图片
JSM-6390LV扫描电镜
煤中粗糙孔隙微通道形貌结构
煤中孔隙微通道结构简化模型
圆管内微元体传输结构
粗糙形貌的3D扫描成像仪
煤体孔隙壁面粗糙形貌结构
孔隙壁面粗糙体三维分布特征
纳米孔隙薄膜SEM图和对应的二值化图
纳米薄膜微渗透性测试设备
理论模型与实验数据比较结果
王登科，男，1980年5月19日生，湖南省永州人，河南省高等学校青年骨干教师，河南省教育厅学术技术带头人，教授，博士生导师。出版专著2部，发表论 80余篇，SCI收录10余篇，EI收录42篇。获发明专利授权20余项，实用新型专利授权34项，获省部级奖励8项。
研究方向
安全科学与工程、煤层气（瓦斯）流动理论、矿山岩石力学
主要成果
致力于煤层瓦斯流动理论和煤层增透技术的研究，揭示了煤层瓦斯多机制流动特性，完善了煤层瓦斯流动理论，提出了有效的煤层瓦斯增透方法，取得了多项创新性成果，为煤矿安全生产和煤层瓦斯的高效抽采提供了理论支撑；在煤层瓦斯运移规律和测试技术方面，提出了多项新的测试方法和测试技术，获得了多项发明专利，取得了一系列创新性成果；在矿山岩石力学方面，研究揭示了受载煤岩裂隙动态演化规律，建立了受载含瓦斯煤的损伤本构模型，为煤矿安全高效生产提供了有力保障。
李波波,李建华,杨康,等. 考虑水分影响的煤岩渗透率模型及演化规律[J]. 煤炭学 ,2019,44(11):3396-3403.
LI Bobo,LI Jianhua,YANG Kang,et al. Coal permeability model and evolution law considering water influence[J].Journal of China Coal Society,2019,44(11):3396-3403.
审 核：常琛
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