瓦斯脱附扩散迟滞压力及双重孔隙煤体窜流函数

刘清泉，褚 鹏，黄文怡，吕 彪，王 亮，张保勇，刘嫄嫄

(1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.深圳大学 土木与交通工程学院，广东 深圳 518060；3.黑龙江科技大学 安全工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

煤层瓦斯运移理论是进行抽采设计与涌出量预测等工作的重要理论基础。由于煤中发育有纳米级至毫米级的复杂孔隙，瓦斯在煤中的运移形态极其复杂。

早期，煤层中的瓦斯渗流理论是我国指导矿井瓦斯防治工作的重要理论基础，其基于煤中吸附瓦斯解吸扩散瞬间完成这一简化假设，忽略了孔隙瓦斯扩散对整个瓦斯运移过程的影响，现在常用的煤层透气性系数测定方法、工作面瓦斯涌出量预测方法均是基于该理论。

煤的孔隙-裂隙二重介质模型及瓦斯脱附-扩散-渗流贯序运移模式是近年来被越来越多的人认可和使用。其物理意义是指，煤由裂隙-基质(孔隙)组成，基质被裂隙分割和包围，大部分瓦斯以吸附态赋存于基质中；当煤中的吸附平衡被打破后，基质吸附瓦斯脱附扩散进入裂隙，进而渗流进入钻孔或从煤壁涌出。针对这种存在速度不同的2套输运系统的运移模式进行建模时，为简化问题，学者将基质系统(离散系统)处理为裂隙系统(连续系统)的内质量源，两系统间的流体质量交换被定义为窜流，质量交换量及速率使用窜流函数进行计算[5-6]。窜流函数的本质是基质瓦斯扩散模型以裂隙瓦斯浓度为边界条件时的解析解。窜流量是基质瓦斯扩散与裂隙瓦斯渗流相互调和的结果，其大小由扩散系数、基质形状因子与基质-裂隙间的浓度差所决定。

当前被广泛使用的Warren和Root拟稳态窜流函数(下文简称WR窜流函数)在构建时基于瓦斯解吸(脱附扩散)无迟滞且吸附扩散与脱附扩散完全可逆这一基本假设。然而，煤中瓦斯脱附扩散过程较吸附扩散过程存在不可忽略的附加阻力，无论使用煤粒还是煤块进行解吸试验时均发现了解吸滞后效应，例如过大的残存瓦斯含量、吸附解吸残余变形及吸附解吸迟滞，且试验样品尺度越大滞后效应越明显。此外，有研究表明基质尺度与应力之间满足Langmuir形式的函数关系，随着开采深度的增加，地应力持续增大，解吸滞后效应对于煤层瓦斯运移的影响将更加显著。

笔者从宏观现象、微观机理与理论分析等角度对该问题进行了研究和阐释，研究结果将有助于理解深部煤层瓦斯运移的物理本质。

1 煤中瓦斯的脱附扩散的附加阻力

1.1 煤中的瓦斯吸附与运移

煤是自然界中一种典型的多孔介质，其内发育有由有机质和矿物质等形成的各类孔隙，从纳米级到毫米级均有分布，煤中孔隙的连通性与孔隙形状也有多种形式。瓦斯在煤中的赋存形式和运移形态与孔隙特征密切相关。大量研究表明，煤是一种富微孔结构的多孔介质，煤中孔隙结构以微孔为主，微孔结构是影响其甲烷吸附能力的主导因素。

煤对甲烷分子的吸附是以范德华力为作用力的物理吸附。绝大多数吸附理论认为吸附过程发生在吸附剂表面，但当吸附剂孔径尺寸与被吸附分子的大小接近，孔壁间距很小，其表面残余力场会产生力场叠加，会在微孔内形成叠加力场区域，使得微孔内部对吸附质分子的引力场更强，吸附质分子会在微孔内部凝聚，吸附则可能是对微孔容积的填充而不是表面覆盖。程远平等研究发现：甲烷在孔径大于1.50 nm孔隙中的吸附能力受孔隙表面积控制，吸附形式为单分子层吸附，甲烷在孔径0.38～1.50 nm孔隙中的吸附能力受孔隙孔容控制，吸附形式为微孔填充(图1)，且以该形式吸附的甲烷量占据主导地位。

图1 煤中甲烷的吸附形态与不同孔径孔隙的吸附势阱[14- 15]

由于煤体呈现异常复杂的非均匀孔隙与裂隙结构特征，建立完全真实的描述甲烷分子在煤中运移的数学模型无法实现，往往根据研究的需要对煤的孔裂隙结构及瓦斯运移形态进行简化。目前被广泛认可的煤的简化模型为孔隙-裂隙二重介质模型。在此基础上，煤中的瓦斯运移形式也可进行大幅简化，占比90%以上的吸附态瓦斯要想被抽采出来，甲烷分子运移需要经过如图2所示的过程。

图2 煤中瓦斯运移的物理简化过程

(1) 由于孔隙结构与煤分子组成的复杂性，煤孔隙吸附位的势阱深度具有显著的非均匀性，根据甲烷分子的受力情况可将微孔填充区域划分为强吸附势区(对应深吸附势阱)和弱吸附势区(对应浅吸附势阱)，只有当甲烷分子具备脱离吸附势阱逸散的能量时，其将从吸附位脱附进入基质孔隙成为游离气体。

(2) 受限于基质孔隙的孔径，甲烷分子仅能以扩散的形式在浓度梯度的驱动下发生运动；由于渗流速度相对更快，基质与裂隙间将形成浓度差，宏观上表现为基质向裂隙系统释放甲烷。

(3) 甲烷分子进入裂隙系统后受压力梯度驱动向钻孔或煤壁渗流。

可以发现，甲烷分子的脱附与扩散发生在基质系统内，渗流发生在裂隙系统内，脱附、扩散与渗流是一个连续的串联过程，需遵循质量守恒定律。基质系统与裂隙系统之间流体的质量交换称之为“窜流”，其英文名称为“Interporosity flow”或“Matrix-fracture mass transfer”。

窜流概念的引入对于建立描述煤层瓦斯运移的数学模型至关重要。如图3所示，对于孔隙-裂隙二重介质模型，裂隙系统为连续系统，基质系统由独立的基质块组成，各基质块间无直接的质量传递。显然，无法针对所有基质块内的甲烷分子扩散及与裂隙系统间的质量交换进行单独建模，图3中，为基质瓦斯压力。基于连续介质的处理思想，基质块可视为均匀分布在裂隙系统的内质量源，基质块与裂隙间的质量交换即窜流量受两者的压力差、基质形状因子、扩散参数所控制，其中裂隙瓦斯压力隐含了位置信息，也就确定了邻近基质块的相对位置，这就给基质-裂隙质量交换建模(窜流函数)及数值模拟带来了很大便利。窜流函数的建立将在后文详细阐述。

图3 立方体简化模型与基质系统-裂隙系统间的质量交换

1.2 脱附扩散存在附加阻力的宏观表现

低渗透致密储层是否存在气体启动压力梯度曾引发诸多学术争论。笔者看来，抛开宏观流动量的限定，单个气体分子可在孔径极小的孔隙中产生表面扩散，气体在低渗多孔介质中流动应不存在启动压力。

然而，在有限时间内，煤中甲烷运移的宏观表现又反映出在其某个环节存在能量阈值，使甲烷运移呈现出脱附扩散存在附加阻力的特点。笔者从公开发表的文献中找到下述现象并加以描述，供广大科技工作者讨论。

煤中残存瓦斯含量是指煤样在常压解吸后残留在煤中的瓦斯含量，其值对于瓦斯含量的准确测定、涌出量预测及抽采达标评判非常重要。大量研究表明残存瓦斯量随煤样尺度的增大而增大，如陈向军等测试表明粒径3～6 mm煤粒的残存瓦斯含量是粒径0～0.25 mm煤粒的4.2倍；李德详指出解吸90%的瓦斯，1 cm和1 m的块煤分别需要15 a和15万a，但未给出计算依据。综合上述研究成果可以发现，在工程时间尺度内，煤块暴露于空气中的残存瓦斯含量远大于0.1 MPa瓦斯压力对应的吸附量理论值。

如图4(a)所示，煤吸附甲烷时膨胀变形，解吸时收缩，很多学者研究发现这一过程并非完全可逆，即煤存在残余变形。如图4(b)所示，NIE 等研究发现大粒径压制的型煤其解吸残余变形越大，同一煤样的吸附平衡压力越大，解吸残余变形越大，魏彬等使用氮气作为吸附质也获得了相同的结论。影响煤解吸残余变形量的因素很多，包括煤的变质程度、吸附气体种类、吸附平衡压力、吸附-解吸压差及各向异性结构等。但对于产生煤解吸残余变形的机制，学者多从解吸后部分瓦斯滞留在煤孔隙中的角度进行阐释：如聂百胜等认为在瓦斯解吸时，瓦斯压力突然降低，煤体内部的孔隙、裂隙闭合，煤体内部瓦斯无法向外运移，一部分瓦斯气体残留在煤体内部，使煤体产生残余变形；祝捷等认为瓦斯在微孔中的滞留导致了煤样解吸瓦斯后出现残余变形。

图4 煤的吸附-解吸残余变形

图5 可逆与不可逆的等温吸附曲线示意

吸附解吸迟滞机理目前尚存争议，早期人们认为是由试验误差、毛细凝聚或煤中残余水分等因素造成，但越来越多的人开始从煤的孔隙结构以及煤与吸附瓦斯相互作用的角度阐释，如马东民等发现不同变质程度煤甲烷吸附/解吸试验均出现解吸滞后于吸附现象，且从煤层气试井排采资料中可以得到印证，其认为微孔和小孔对甲烷分子束缚能力强是解吸迟滞的主要原因。张遂安等认为吸附的甲烷分子解吸时需要一定的能量来克服煤与甲烷分子间的范德华力，因此产生解吸迟滞。WANG等认为煤发育有大量具有狭窄孔喉的微孔，当吸附甲烷后产生膨胀使孔喉进一步变窄，从而使解吸较吸附需要更多的能量去克服孔隙变化造成的附加阻力(图6)。

图6 吸附解吸迟滞机理[9]

上述3种被广泛观测到的现象均表明吸附态甲烷解吸较吸附过程需要更多能量克服阻力，吸附过程与解吸过程并非完全可逆。与瓦斯运移过程有机结合可知，吸附态瓦斯解吸滞后的特性主要发生在基质系统，其将影响降压阶段基质系统与裂隙系统间的质量交换。

当前被广泛使用的窜流函数基于瓦斯解吸无迟滞且吸附扩散与脱附扩散完全可逆这一基本假设，显然这将导致降压过程的窜流量被高估，特别是随着地应力增大，这一问题将被继续放大。窜流量由扩散系数、基质形状因子与基质-裂隙间的浓度差所决定，且前两者与滞后效应无关，滞后效应本质由基质-裂隙间的质量浓度差控制，即基质孔隙中吸附态瓦斯解吸滞后的特性宏观表现为存在附加阻力，需要提出评价指标量化脱附扩散附加阻力对于瓦斯运移的影响。

2 煤的瓦斯脱附扩散迟滞压力

通过开展煤样的等温吸附解吸试验，形成扩散边界为定压的简化条件，有助于分析煤体瓦斯脱附扩散附加阻力及其影响因素。

2.1 煤的吸附解吸迟滞测定试验

..煤样准备

本次试验煤样采自河南永煤集团顺和煤矿，利用密封取回的新鲜煤样制备35 mm×100 mm柱状煤样，并利用破碎机将剩余的煤样破碎筛分成1～3，0.5～1.0，0.25～0.50，0.20～0.25，0.074～0.200 mm粒径的颗粒煤样，制备好的煤样自然干燥密封备用。

利用0.074～0.200 mm煤样进行工业分析测定煤样空气干燥基水分()、干燥基灰分()、干燥无灰基挥发分()和空气干燥基固定碳(FC)，并进行煤样孔隙率、视密度等参数测定，结果见表1。

表1 试验煤样基础参数

..试验方案

利用高压容量法进行煤的甲烷等温吸附与解吸实验，试验装置如图7所示，该装置主要包括样品罐和参考罐作为吸附装置，压力传感器和无纸记录仪记录压力变化，量筒记录解吸气体体积。试验前将煤样置于干燥箱恒温 50 ℃干燥48 h，试验包括吸附与解吸2个过程。等温吸附试验是一个加压—吸附平衡—加压的循环过程，等温解吸试验是其逆过程，即降压—吸附平衡—降压的循环过程。

图7 等温吸附解吸试验装置

(1)吸附过程。① 检查试验装置气密性无误后，将煤样置于样品罐密封，放入60 ℃恒温水浴中抽真空(颗粒煤不低于8 h，柱状煤不低于16 h)，然后充入氦气测试罐中死空间。② 重复抽真空过程后，向参考罐内充入压力为高纯度甲烷(99.99%)，打开参考罐与样品罐之间的阀门进行吸附平衡，压力12 h内变化小于0.01 MPa认为吸附平衡。③ 重复操作步骤②，逐次向参考罐充入压力re,的甲烷，获得多个吸附平衡压力。

(2)解吸过程。① 最后一个高压点吸附结束后，将样品罐与解吸量筒相连，缓慢打开样品罐与量筒之间的阀门，放出体积的甲烷，关闭阀门待吸附平衡。② 重复操作步骤①，依次放出体积de,的甲烷，直至样品罐压力降至大气压，并保持阀门打开，让煤样中的甲烷尽可能解吸出来。

根据已知参考罐体积、试验装置死空间和吸附平衡前后的压力，利用理想气体状态方程计算各压力点下煤中的吸附瓦斯量。

..煤的甲烷等温吸附与解吸曲线

等温吸附与解吸数据如图8所示，分别使用Langmuir方程和含残余吸附量的Langmuir方程对其进行拟和可取得较好的拟合效果。从图8可以发现：① 所有的样品均出现了不同程度的吸附解吸迟滞现象；② 降压解吸量小于升压吸附量，且两者差值随着煤样尺度(粒度)增大而增大。

图8 不同样品的甲烷吸附与解吸等温线

为了对解吸迟滞程度进行定量评价，参考王凯等提出的基于面积比的评价指标进行了改进，其模型假定解吸在原点状态下结束，计算面积时吸附与解吸曲线均通过原点，而实际试验时解吸在大气压状态下结束，考虑到这一点，笔者计算面积时从大气压力点(0.101 325 MPa)作为积分左边界，以吸附平衡最大压力点作为积分右边界。利用改进的评价模型计算不同粒径煤样解吸迟滞程度结果DHI(Desorption Hysteresis Index)汇总于表2，可以发现，解吸迟滞程度在15.05%～33.54%，迟滞程度随着煤样粒径的增大而增加，柱状煤的迟滞程度最大。迟滞程度随着煤样尺寸的增大而增加，若认为试验煤粒尺寸较小煤粒中不包含裂隙，说明解吸迟滞随着基质尺度的增大而增加。

表2 不同尺寸煤样迟滞程度

3.2 瓦斯脱附扩散迟滞压力梯度

窜流函数的作用是计算基质与裂隙间的质量交换，下面利用煤样等温吸附解吸这一简化条件下获得的数据说明瓦斯脱附扩散迟滞压力梯度的物理意义及计算方法。

首先需要明确窜流是渗流和扩散2种运移形式的调和结果，窜流本身不是甲烷分子的运移形式。假设扩散与渗流存在启动压力，那么该启动压力指的是产生这种运动所需驱动力存在阈值，瓦斯脱附扩散迟滞压力梯度则完全不同。如前所述，窜流为基质系统与裂隙间的质量交换，在等温条件下同一个煤样的甲烷吸附常数保持不变，脱附扩散的附加阻力的存在使得吸附态甲烷对应的压力与基质外部压力并不相等，但解吸无法继续进行(产生迟滞现象)，两系统间宏观上将没有质量交换。在吸附等温线与解吸等温线上可以获得对应的吸附平衡压力差，该压力差即可定义为瓦斯脱附扩散迟滞压力梯度。

如图9所示，以一个基质解吸为例，最高吸附平衡压力点对应的瓦斯压力和吸附量分别为和，从点进行降压解吸时，由于附加阻力的存在，煤中剩余吸附量将沿路径变化，而当前常用的理论模型中剩余吸附量将沿路径变化；当包裹基质块裂隙中的瓦斯压力为时，趋于吸附平衡时基质内吸附瓦斯量实际应为，而非；在吸附等温线对应的瓦斯压力为；也就意味着，基质瓦斯压力从降至即无法继续下降，否则窜流量将不遵循质量守恒；两者差值-即为瓦斯脱附扩散迟滞压力梯度，意味着当存在附加阻力时，脱附扩散较吸附扩散需-的额外压力梯度才能使窜流量相同。

图9 瓦斯脱附扩散迟滞压力计算示意

按照上述对于瓦斯脱附扩散迟滞压力梯度的定义，根据不同样品的甲烷吸附与解吸等温线可计算出不同压降时的瓦斯脱附扩散迟滞压力梯度，如图10所示。从图10可以发现，压降相同时，脱附扩散迟滞压力随粒径增大而增大；同一尺度样品，脱附扩散迟滞压力随压降增大而减小。如2.3节所述，NIE等测定的残余应变与气体压力及煤样粒径的关系显示，粒径越大，相同平衡压力下残余应变越大。由于均是受脱附扩散附加阻力影响产生，其本质与本文测定的结果是一致的。

图10 不同样品的瓦斯脱附扩散迟滞压力

当柱状样品<3.5 MPa时，脱附扩散迟滞压力随压降增大而减小；当大于3.5 MPa时，脱附扩散迟滞压力随压降增大而增大；可能的原因是高压段渗流或非稳态窜流影响增大。

显然，脱附扩散迟滞压力与煤样基质尺度、从最高吸附平衡压力的压降等因素相关，且随着瓦斯解吸过程而变化。在实际瓦斯抽采工程中，无采动应力扰动区煤层基质尺度基本不变，同时限于篇幅，笔者仅根据吸附势理论建立瓦斯脱附扩散迟滞压力与降压过程吸附平衡压力的关系。

由吸附势理论可建立描述吸附势与吸附量之间的关系的吸附特征曲线，其中吸附势指吸附质在界面进行物理吸附时，每1 mol吸附质的自由能变化，可由式(1)计算。

(1)

式中，为吸附势，J/mol；为甲烷虚拟饱和蒸气压，MPa；为瓦斯压力，MPa；为降压过程吸附平衡压力，MPa；为理想气体常数，J/(mol·K)；为温度，K。

吸附状态气体占据的吸附空间(吸附相体积)根据吸附量与吸附相密度计算，得

(2)

式中，为吸附相体积，cm/g；为实测甲烷绝对吸附量，mol/g；为甲烷的摩尔质量，g/mol；为吸附相密度，g/cm。

吸附特征曲线是表征吸附空间与吸附势关系的曲线，根据式(1)和(2)建立吸附相体积和吸附势的关系，形成吸附特性曲线。吸附势理论只是一种表征吸附机理的理论，并没有吸附等温线的具体表达方程，根据特性曲线的形式，学者对吸附势与吸附体积的关系进行拟合，有学者建立了特征曲线的对数表达形式：

=-ln+

(3)

式中，和为方程系数。

为建立瓦斯脱附扩散迟滞压力与降压过程吸附平衡压力的关系，笔者根据吸附特征曲线，仅从数学上推演出2个变量之间的关系，为数据拟合找到方向，由式(1)～(3)可将吸附相体积表征为

(4)

根据气体状态方程，吸附相体积可转化为压力，则吸附与解吸过程吸附体积差也可表示为

(5)

其中，为甲烷的摩尔体积，L/mol。则吸附与解吸过程的压力差可由吸附瓦斯量表征，将式(5)联立式(4)，得到瓦斯脱附扩散迟滞压力与降压过程吸附平衡压力的关系为

(6)

令

(7)

(8)

则式(6)可简化为

(9)

由式(9)可知，脱附扩散迟滞压力与降压过程的吸附平衡压力呈幂函数关系。在图10中，利用式(9)对各样品的脱附扩散迟滞压力进行拟合，拟合结果见表3。可以看到，颗粒煤数据拟合精度均在0.98以上。

表3 脱附扩散迟滞压力的拟合表达式

4 考虑瓦斯脱附扩散迟滞压力梯度的煤体瓦斯窜流函数

1960年，BARENBLATT等首次提出了双重介质的概念，为双重介质理论的发展奠定了重要的基础。在此基础上，WARREN等对双重介质的几何特性和流动规律进行了新的界定，形成了目前被广泛使用的双重介质流体运移理论。在其模型中，窜流函数为拟稳态形式，如下：

=(-)

(10)

式中，为单位体积煤基质同裂隙系统的质量交换速率，kg/(m·s)；为扩散系数，m/s；为形状因子，m；和分别为基质与裂隙中瓦斯的气相密度，kg/m，一般定义为

(11)

(12)

式中，和分别为基质与裂隙中的瓦斯压力，MPa。

窜流方程的建立基于基质中的瓦斯扩散进入裂隙为拟稳态过程这样一条基本假设，从式(10)也可以发现其为时间的隐函数(即时间不是方程中的变量，而是隐藏在和的变化中)，因此被称为拟稳态窜流方程。其物理意义为：单位时间裂隙系统与基质系统间的质量交换量与两系统间的压差成正比(图11)。

图11 基质系统与裂隙系统的压力分布

下面基于WR拟稳态窜流方程构建的原理建立考虑脱附扩散迟滞压力的煤体瓦斯窜流函数。由于窜流函数的本质为：在可变的条件下，单位时间基质内的瓦斯经扩散运动进入裂隙的质量。瓦斯的扩散运动为浓度梯度驱动下产生的物质迁移现象，单位时间通过垂直于扩散方向单位面积的物质扩散通量可由Fick第一定律计算，以方向为例：

(13)

式中，为扩散通量，kg/(m·s)；为质量浓度，kg/m。

在拟稳态条件下，有

(14)

式中，为单位体积煤基质解吸质量，kg/m；为基质块扩散面积，m；为基质块特征体积，m；为时间，s。

对式(14)进行变量分离可得

(15)

在Δ时间内对式(15)两侧积分可得

(16)

(17)

(18)

在不考虑脱附扩散迟滞压力时，根据Langmuir方程可知时刻与+Δ时刻基质中的吸附瓦斯量分别为

(19)

(20)

当考虑脱附扩散迟滞压力时，从时刻降压至+Δ时刻，基质中的吸附瓦斯量实际为

(21)

则+Δ时刻的基质中气相瓦斯密度的平均值应为

(22)

将式(22)代入式 (16)有

(23)

(24)

式(24)即为具有考虑脱附扩散迟滞压力梯度的煤体瓦斯窜流函数。在实际使用时，为简化参数获取难度，也可使用“吸附时间”来替代扩散系数与形状因子，其物理意义是煤中63.2%瓦斯被解吸出来所用的时间，则式(24)可简化为

(25)

其中，=1()，s。需特别说明，式(24)和(25)中，当<时，有=0。

5 基于等温解吸数据的模型验证

为了便于对比验证构建的窜流模型，以煤柱解吸为原型进行数值仿真。其中，煤与瓦斯气固耦合模型来自笔者前期发表的论文，该模型的准确性已被其他学者进行对比验证；将该模型中的窜流函数替换为笔者建立的考虑瓦斯脱附扩散迟滞压力梯度的窜流函数即可，限于篇幅，笔者不再重复煤与瓦斯气固耦合模型的推导过程。

5.1 数值模型

图12 几何模型

表4列出了模拟所用的全部参数，除公认的常数外，其余参数均由试验获得，如：朗格缪尔体积和朗格缪尔压力是柱状煤样等温吸附数据的拟合值；瓦斯脱附扩散迟滞压力梯度采用试验的拟合函数。

表4 数值模拟参数

5.2 模拟结果

模拟获得的等温解吸曲线与试验结果对比如图13所示。

图13 模拟数据与试验数据对比

其中，模拟结果分别为使用考虑脱附扩散迟滞压力梯度与不考虑脱附扩散迟滞压力梯度的窜流函数计算获得，试验结果分别为等温吸附和解吸数据。可以直观地看出，考虑脱附扩散迟滞压力梯度的模拟结果与试验的解吸数据匹配度较好，达到98.2%；传统模型的模拟结果大幅偏离解吸数据，仅为41.9%，与试验的吸附数据更为相近。因此，可以推断，笔者建立的窜流函数可以很好地反映降压解吸时附加阻力对于吸附量的影响，更适用于分析瓦斯抽采、瓦斯涌出等降压过程的瓦斯流场特性。

6 结论与展望

(1) 梳理了煤的残存瓦斯含量、煤的吸附解吸残余变形与吸附解吸迟滞效应等与脱附扩散附加阻力的关系，提出以脱附扩散迟滞压力为评价指标量化脱附扩散附加阻力对于瓦斯运移影响的新思路，并明确了脱附扩散迟滞压力概念与物理意义。

(2) 利用以煤粒(煤柱)吸附解吸等温测试模拟裂隙压力恒定的窜流试验的简化方法，研究了粒径对于瓦斯脱附扩散迟滞压力梯度的影响。测试结果表明，当最大吸附平衡压力相同时，降压过程中瓦斯脱附扩散迟滞压力随粒径增大而增大，对于同一样品，瓦斯脱附扩散迟滞压力随压降值的增大而减小。

(3) 基于拟稳态窜流的经典理论，通过完备的数学推导，构建了考虑脱附扩散迟滞压力梯度的双重孔隙煤体瓦斯窜流函数，模拟了煤柱瓦斯解吸过程，与试验获得的等温解吸数据匹配度较好，可达98.2%，验证了笔者构建的窜流函数的准确性，更适用于分析瓦斯抽采、瓦斯涌出等降压过程的瓦斯流场特性。

随着浅部的煤炭资源逐渐枯竭，我国许多煤矿已经进入深部开采阶段，原位瓦斯抽采十分困难。究其原因，则是高地应力条件下煤层瓦斯运移极为缓慢的结果。常规思路认为高地应力条件下的低渗透率是造成该不利现象的主要原因。煤的渗透率由其等效基质尺度(即裂隙间距)与裂隙开度共同控制，渗透率随地应力持续减小意味着煤的裂隙开度不断减小，当有些裂隙的有效开度降为 0 时，煤的等效基质尺度将不断增大。相应地，占主导地位吸附态瓦斯的扩散路径增长、复杂度增加，脱附扩散迟滞压力增大。通过笔者的研究可知，脱附扩散迟滞压力增大也将造成煤层瓦斯运移极为缓慢，通过技术手段减小脱附扩散迟滞压力应成为深部瓦斯治理或煤层气开发需深入研究的问题之一。

本文仅是针对瓦斯脱附扩散迟滞压力对煤中瓦斯运移影响的初步研究，笔者在这方面的研究工作也尚处开端，将投入更多精力深入研究，回答好行业问题。