煤体复杂介质内瓦斯气体脱附及扩散动力学研究

The desorption and diffusion of the coal-bed methane gas are the important hidden dangers of coal mine production safety. However, the researches on the desorption and the diffusion were too simple, and did not take into account the complex structure of the coal and the destruction to the structure in the actual production process. Based on the the acutal structure as models, the studies on the desorption and diffusion have important theoretical and practical significance. .According to the pre-experimental data, the methods of the statistical physics will be used to explore interacting feedback mechanism of the changing complex pore structure and the gases of molecular desorption and diffusion.Topics include: (1)the multi-scale, changing structures will be described by the complex network models of coal pore; (2) based on the pore network models, the generalized kinetic lattice gas models will be used to study the desorption kinetics mechanism from internal pore of open space of coal; (3) the stochastic dynamic equation and continuous time random walk will be applied to the diffusion processes of the gas molecules in the coal complex netwowrks, and further addressing the impact on desorption rate for the coal pore dynamics structures. This project will supply the new materials for the study of statistical physics and complex systems. Moreover, the results of the project will provide a new theoretical basis for the prevention and control of the security and development of methane gas use.

煤层瓦斯气体的脱附与扩散是煤矿安全生产的重大隐患之一。目前理论对瓦斯气体的脱附和扩散研究过于简单，未考虑煤体复杂结构以及生产中对煤体结构的可能破坏。依据煤体实际结构为模型研究瓦斯气体脱附扩散具有重要的理论和实践意义。 .本研究拟依据前期实验数据，利用统计物理研究方法，探讨煤体复杂孔隙结构动态变化与瓦斯气体分子脱附扩散的相互反馈机制。具体内容包括：(1)构建煤体孔隙复杂网络模型， 解决煤体在外场下多尺度、动态孔隙结构的描述问题；(2)基于该孔隙网络模型，利用推广的动力学格气模型，研究煤体内开空间多粒子相互作用下瓦斯气体分子的脱附动力学机理； (3)利用随机动力学方程和连续时间随机行走理论研究煤体复杂网络内气体分子的输运扩散过程，进一步解决煤体孔隙结构动态变化对格气模型脱附速率的影响。该课题将为统计物理与复杂系统的研究提供新的素材，其成果将为瓦斯气体的安全防治和开发利用提供新的理论依据。

煤层瓦斯气体的脱附与扩散是煤矿安全生产的重大隐患之一。目前理论对瓦斯气体的脱附和扩散研究过于简单，未考虑煤体复杂结构以及生产中对煤体结构的可能破坏。依据煤体实际结构为模型研究瓦斯气体脱附扩散具有重要的理论和实践意义。 本研究依据前期实验数据，利用统计物理研究方法，探讨煤体复杂孔隙结构与瓦斯气体分子脱附扩散的相互反馈机制。具体内容包括:(1)研究了多种气体分子在复杂材料表明的吸附特性，得到了不同分子在不同晶格结构上的吸附能，为后续开展脱附和扩散研究提供了微观依据;(2)基于多孔网络模型，利用推广的动力学 格气模型，研究煤体内开空间多粒子相互作用下瓦斯气体分子的脱附动力学机理，讨论了孔隙内吸附多个分子时的行为，得到了脱附率分子速率分布等重要信息; (3)利用大规模蒙特卡罗模拟，同时考虑了网络结构和气体相互作用的影响，研究了多孔网络中吸附气体的平衡相变，得到了平衡相变的相图，发现并分析了三临界行为，进一步，在考虑了热流的基础上，讨论了非平衡相变。该课题为瓦斯气体的安全防治和开发利用提供一定理论依据，复杂系统中存在的多临界行为也是统计物理的重要研究内容。