煤层瓦斯微纳米串联多尺度动态扩散渗透率实验-模型-机理及意义

多尺度科学问题作为当前世界科学前沿的热点问题之一,已拓展到自然科学与工程技术的众多领域,作为多尺度科学的一个分支,煤岩渗流力学亦存在自身的多尺度科学问题.煤体中存在从毫米到微纳米的多尺度孔裂隙,孔径量级可达百万倍之巨,这使得煤体渗透率也呈现出百万量级的空间与时间多尺度特征.因而,煤体多尺度渗透率研究既是煤岩渗流力学的学科内涵问题,亦是瓦斯抽采亟需的工程外延问题.采用柱状原煤煤心开展了无应力和三轴应力下CH4/He的非稳态扩散-渗流实验和三轴应力下稳态渗流实验.实验结果表明:柱状煤心的表观扩散系数随时间延长而动态衰减,并呈现出 2类时间多尺度特征,一种为连续光滑的动态衰减特征,一种为两阶段阶跃式动态衰减特征.导出了动态表观扩散数学模型,该模型能较准确描述柱状煤心中气体(CH4/He)非稳态流动全过程.提出了多管串联多尺度孔隙结构物理模型和数学模型,采用压汞孔径数据验证了串联多尺度孔径模型,并据此给出了串联多尺度渗透率的数学证明.以努森数(Kn)为标准,划分了连续流-滑移流-过渡流-自由分子流等流域,以串联多尺度孔径为关联纽带,建立了考虑有效应力和流态的多尺度渗透率模型.研究结果揭示了煤层瓦斯串联多尺度渗流机理,即煤体微纳米孔径及其串联级数是影响多尺度渗透率的决定性因素,可测孔径范围内多尺度效应影响程度可达数万量级.流动初期,气体首先从外层大孔裂隙中流出,流动后期,逐渐从微小孔隙中流出,直至深达纳米级孔隙.随着时间延长,串联孔隙级数逐渐增长,等效孔径逐渐减小,其量级接近于最小孔径,进而使得等效渗透率随时间延长而急速衰减,渗透率的时间多尺度动态衰减特征是空间多尺度的外在反映.气体流动后期,努森数增大,滑移-过渡流态效应超过有效应力效应,并占据主导作用.瓦斯串联多尺度渗透率的实验发现和模型构建,解决了当前多尺度渗流缺乏实验的问题,弥补了单管理论的缺陷,表观意义上实现了扩散与渗流的统一,实现了多尺度渗透率的微观区分与宏观联合.