煤层气开采工艺：煤层气扩散机制

随煤基质块孔径大小的不同有3种扩散方式。一是体积扩散，即分子－分子间的相互作用；二是克努森型扩散，即分子－孔壁间相互作用；三是表面扩散，即像液膜一样吸附的甲烷沿微孔隙壁运移。当孔隙直径大于气体分子的平均自由程时以整体扩散为主，当孔隙直径小于气体分子的平均自由程时以克努森型扩散为主，表面扩散作用受气体分子和孔壁表面之间的连续碰撞所控制，气体是作为吸附相运移的。整个扩散作用中，表面扩散作用最小。

煤基质孔隙直径小，与气体分子直径或分子自由程在一个数量级上，因此，由煤基质孔隙表面解吸下来的煤层气在基质块内的迁移是3种扩散运动的共同作用。扩散是分子在浓度差的驱动下由高浓度区域向低浓度区域随机运动的过程，是由于分子热运动而产生的质量迁移，扩散的速率与物质的浓度梯度成正比。

煤层气分子在煤基质微孔隙中的扩散过程可以用拟（准）稳态扩散和非稳态扩散两种模型来描述。

（1）拟（准）稳态扩散

煤基质显微孔隙内甲烷气体的扩散是在浓度差的驱动下进行的，若扩散速率（单位时间内通过单位面积的气体物质的量）与浓度梯度成正比，即为拟（准）稳态扩散，遵循Fick第一定律：

式中：J——扩散速率；

　　　D——扩散系数；

　　　▽——哈密顿算符；(www.xing528.com)

　　　C——甲烷浓度。

所以，拟（准）稳态扩散就是物质浓度随距离的变化梯度不随时间变化，扩散通量仅取决于距离而与时间无关，

（2）非稳态扩散

若煤层甲烷的扩散通量既随时间变化，又随距离变化，则称为非稳态扩散，用Fick第二定律来描述：

式中：τ——扩散时间；

　　　x——扩散距离。

这是一个二阶齐次微分方程，其解可由甲烷浓度、扩散时间和距离的关系及边界条件、初始条件得出。该非稳态扩散方程基于如下假设：在初始状态下，x＝0处C→∞，而在x≠0处C＝0；任何时候，所有分子都无限扩散。