一种吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法和系统

摘要

本申请属于借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料技术领域，提供了一种吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法和系统，该方法包括：基于煤粒瓦斯透气性系数与煤粒渗透率之间的转换关系，根据第一透气性系数，得到第一渗透率；其中，所述第一透气性系数为基于煤粒瓦斯恒压吸附模型，对煤粒瓦斯恒压等温吸附实验的数据进行反演得到，根据所述实验预设的恒定压力值不同，所述第一透气性系数有多个，每一个所述第一透气性系数对应一个第一渗透率；基于煤粒孔隙率演化模型，根据煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间的耦合关系和第一渗透率，得到煤粒渗透率演变模型。

权利要求

1.一种吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法，其特征在于，包括：步骤S10、基于煤粒瓦斯透气性系数与煤粒渗透率之间的转换关系，根据第一透气性系数，得到第一渗透率；其中，所述第一透气性系数为基于煤粒瓦斯恒压吸附模型，对煤粒瓦斯恒压等温吸附实验的数据进行反演得到，根据所述实验预设的恒定压力值不同，所述第一透气性系数有多个，每一个所述第一透气性系数对应一个第一渗透率；

步骤S20、基于煤粒孔隙率演化模型，根据煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间的耦合关系和第一渗透率，得到煤粒渗透率演变模型，所述煤粒渗透率演变模型为：式中： 为煤粒渗透率； 代表煤粒的初始渗透率； 为煤粒的变形系数，所述煤粒的变形系数为煤粒向内膨胀应变的变形系数，用于表征煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变对煤粒渗透率的影响，所述变形系数为无量纲； 为煤粒瓦斯压力， 为吸附常数；

其中，所述煤粒孔隙率演化模型为根据煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变，基于吉布斯吸附方程和朗格缪尔吸附方程推导得到，所述煤粒孔隙率演化模型，具体为：式中： 为煤粒的孔隙率； 为煤粒的初始孔隙率； 为煤粒瓦斯极限吸附量；为吸附常数； 为煤粒的表观密度； 为煤粒的弹性模量； 为通用气体常数； 为煤粒的温度； 为瓦斯气体的摩尔体积； 为煤粒瓦斯压力；

步骤S20还包括：

基于煤粒孔隙率演化模型，根据煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间的耦合关系，得到煤粒渗透率演变模型；

基于所述煤粒渗透率演变模型，对所述第一渗透率进行拟合，当拟合精度达到预设要求，得到拟合后的煤粒渗透率曲线；

根据所述拟合后的煤粒渗透率曲线，确定所述煤粒渗透率演变模型中的所述煤粒的初始渗透率和煤粒的变形系数，所述拟合后的煤粒渗透率曲线对应的方程形式为：根据煤粒渗透率演变模型中的数学公式各项系数，对应的有：煤粒的初始渗透率 为：

0.3176mD；煤粒的变形系数A为：0.144。

2.根据权利要求1所述的吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法，其特征在于，步骤S10中，所述煤粒瓦斯恒压等温吸附实验，包括：煤粒试样制作阶段、实验准备阶段以及实验进行阶段；

所述煤粒试样制作阶段，具体为：

对煤矿井下现场煤层采集新鲜大块煤样进行破碎，得到符合实验要求的煤粒试样；

所述实验准备阶段，具体为：

检查实验装置的气密性，所述实验装置包括样品罐、干燥箱、参考罐、阀门；将所述煤粒试样放入所述样品罐中，并在所述干燥箱中干燥4小时；监测所述参考罐和所述样品罐的自由空间体积；将所述样品罐抽真空；

所述实验进行阶段，具体为：

进行煤粒瓦斯吸附实验；当所述样品罐的瓦斯压力降低的幅度超过阈值0.01MPa时，打开所述阀门以贯通所述样品罐和所述参考罐，当所述样品罐内的瓦斯压力到达所述预设的恒定压力值时，闭合阀门；记录每秒所述样品罐内的瓦斯压力；根据实验得到的所述样品罐内的瓦斯压力，计算得到第二累积瓦斯吸附量曲线，所述第二累积瓦斯吸附量曲线为样品罐中煤粒的累积瓦斯吸附量曲线。

3.根据权利要求2所述的吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法，其特征在于，步骤S10中，所述煤粒瓦斯恒压吸附模型，具体为：基于达西定律、质量守恒定律以及朗格缪尔方程，根据游离态瓦斯吸附到煤粒中的吸附时间和煤粒中心到任意空间的半径，得到所述煤粒瓦斯恒压吸附模型：式中： 为瓦斯极限吸附量； 为煤粒瓦斯透气性系数； 为煤粒的表观密度； 为游离态瓦斯吸附到煤粒中的吸附时间； 是 时刻对应的煤粒瓦斯压力的平方， ； 为与游离瓦斯含量有关的系数； 为煤粒的孔隙率； 为煤粒中心到任意空间的半径；

所述煤粒瓦斯恒压吸附模型的初始条件为：所述煤粒瓦斯恒压吸附模型的边界条件为：式中： 为煤粒外表面的瓦斯压力； 为煤粒的半径。

4.根据权利要求3所述的吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法，其特征在于，步骤S10中，所述基于煤粒瓦斯恒压吸附模型，对煤粒瓦斯恒压等温吸附实验的数据进行反演，具体为：

基于有限差分数值方法，对所述煤粒瓦斯恒压吸附模型进行离散，得到第一累积瓦斯吸附量曲线，其中，所述第一累积瓦斯吸附量曲线为所述吸附时间对应的不同离散时刻和煤粒的不同离散半径对应的网络节点的累积瓦斯吸附量曲线；根据所述预设的恒定压力值和不同的煤粒瓦斯透气性系数，所述第一累积瓦斯吸附量曲线有多个；

根据所述第一累积瓦斯吸附量曲线与所述第二累积瓦斯吸附量曲线的匹配程度，得到所述预设的恒定压力值对应的所述第一透气性系数。

5.根据权利要求1所述的吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法，其特征在于，步骤S10中，所述煤粒瓦斯透气性系数与煤粒渗透率之间的转换关系，具体为：式中： 为煤粒渗透率； 为标准大气压； 为动力粘性系数；为煤粒瓦斯透气性系数。

6.根据权利要求1所述的吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法，其特征在于，步骤S20中，所述煤粒孔隙率演化模型为根据煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变，基于吉布斯吸附方程和朗格缪尔吸附方程推导得到，具体为：基于吉布斯吸附方程和朗格缪尔方程，根据煤粒中的瓦斯压力，按照公式：计算得到从真空状态到吸附状态下煤粒的表面压力变化；

式中， 为从真空状态到吸附状态下煤粒的表面压力变化； 为煤粒的温度； 为通用气体常数； 为瓦斯气体的摩尔体积； 为煤粒的比表面积； 为煤粒瓦斯压力；

根据所述煤粒的表面压力变化，按照公式：计算得到煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变；

式中， 为煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变； 为煤粒的弹性模量。

7.根据权利要求1所述的吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法，其特征在于，步骤S20中：

所述煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间的耦合关系，具体为：式中， 为煤粒渗透率； 为煤粒的孔隙率； 为煤粒的初始孔隙率； 代表煤粒的初始渗透率。

8.一种吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建系统，其特征在于，包括：数据反演单元，配置为：基于煤粒瓦斯透气性系数与煤粒渗透率之间的转换关系，根据第一透气性系数，得到第一渗透率；其中，所述第一透气性系数为基于煤粒瓦斯恒压吸附模型，对煤粒瓦斯恒压等温吸附实验的数据进行反演得到，根据所述实验预设的恒定压力值不同，所述第一透气性系数有多个，每一个所述第一透气性系数对应一个第一渗透率；

模型构建单元，配置为：基于煤粒孔隙率演化模型，根据煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间的耦合关系和第一渗透率，得到煤粒渗透率演变模型，所述煤粒渗透率演变模型为：式中： 为煤粒渗透率； 代表煤粒的初始渗透率； 为煤粒的变形系数，所述煤粒的变形系数为煤粒向内膨胀应变的变形系数，用于表征煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变对煤粒渗透率的影响，所述变形系数为无量纲； 为煤粒瓦斯压力， 为吸附常数；

其中，所述煤粒孔隙率演化模型为根据煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变，基于吉布斯吸附方程和朗格缪尔吸附方程推导得到，所述煤粒孔隙率演化模型，具体为：式中： 为煤粒的孔隙率； 为煤粒的初始孔隙率； 为煤粒瓦斯极限吸附量；为吸附常数； 为煤粒的表观密度； 为煤粒的弹性模量； 为通用气体常数； 为煤粒的温度； 为瓦斯气体的摩尔体积； 为煤粒瓦斯压力；

步骤S20还包括：

基于煤粒孔隙率演化模型，根据煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间的耦合关系，得到煤粒渗透率演变模型；

基于所述煤粒渗透率演变模型，对所述第一渗透率进行拟合，当拟合精度达到预设要求，得到拟合后的煤粒渗透率曲线；

根据所述拟合后的煤粒渗透率曲线，确定所述煤粒渗透率演变模型中的所述煤粒的初始渗透率和煤粒的变形系数，所述拟合后的煤粒渗透率曲线对应的方程形式为：根据煤粒渗透率演变模型中的数学公式各项系数，对应的有：煤粒的初始渗透率 为：

0.3176mD；煤粒的变形系数A为：0.144。

说明书

一种吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法和系统

技术领域

[0001] 本发明属于借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料技术领域，尤其涉及一种吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法和系统。

背景技术

[0002] 渗透率是估算煤层中瓦斯渗透量的基本参数，在煤层气(CBM)资源开发利用以及预防煤矿开采灾害中扮演者重要角色。煤层气储层的渗透性与煤层的孔隙度、煤层的原始
应力和瓦斯压力等一些因素有关。为研究煤层的渗透性演化过程，学者们已经建立了许多
包含ARI模型、P&M模型、S&D模型和C&B模型在内的大量的模型。在验证这些模型所开展的渗
透率测试实验工作中，主流的方向大都是均聚焦于圆柱形、立方形的大尺寸煤块稳态渗流
实验。

[0003] 众所周知，煤层可认为是由裂隙和煤基质组成。煤层渗透率体现着裂隙中瓦斯流动性能，扩散系数反映了煤基质中的瓦斯解吸扩散行为，通常情况下，实验室采用将煤层粉
碎得到煤粒，通过研究瓦斯在煤粒中的流动规律来研究瓦斯在煤基质的流动规律。目前，针
对实验室条件下瓦斯在煤粒中的流动规律，许多学者常见的研究思路为：根据质量守恒定
律，通过扩散系数对瓦斯在煤粒的流动规律进行研究，然后根据扩散系数与渗透率之间的
转换公式，将扩散系数转换为渗透率，并将得到的渗透率输入到CBM模拟器中来预测后期的
煤层气产量。这种方法在煤层瓦斯流动建模中也受到了越来越多人的青睐。由此可以看出，
煤基质/煤粒中的渗透率在煤层气资源开采工作中受到了很多关注。较大尺度煤块（包含裂
隙）中的瓦斯渗透率实验和模型都已经足够成熟。然而，较小尺度煤粒中的渗透率理论模型
和实验却都比较缺乏，由于煤粒粒径太小，无法用常规稳态方法测量其渗透性，导致现有的
研究课题很少涉及瓦斯在煤粒/煤基质中的渗透行为，几乎没有一种能够精确计算预测煤
粒渗透率的方法。

[0004] 因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

[0005] 本申请的目的在于提供一种吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法和系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

[0006] 为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

[0007] 本申请提供了一种吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法，包括：

[0008] 步骤S10、基于煤粒瓦斯透气性系数与煤粒渗透率之间的转换关系，根据第一透气性系数，得到第一渗透率；其中，所述第一透气性系数为基于煤粒瓦斯恒压吸附模型，对煤
粒瓦斯恒压等温吸附实验的数据进行反演得到，根据所述实验预设的恒定压力值不同，所
述第一透气性系数有多个，每一个所述第一透气性系数对应一个第一渗透率；

[0009] 步骤S20、基于煤粒孔隙率演化模型，根据煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间的耦合关系和第一渗透率，得到煤粒渗透率演变模型，所述煤粒渗透率演变模型为：

[0010]

[0011] 式中： 为煤粒渗透率； 代表煤粒的初始渗透率； 为煤粒的变形系数，所述煤粒的变形系数为煤粒向内膨胀应变的变形系数，用于表征煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应
变对煤粒渗透率的影响，所述变形系数为无量纲； 为煤粒瓦斯压力， 为吸附常数；

[0012] 其中，所述煤粒孔隙率演化模型为根据煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变，基于吉布斯吸附方程和朗格缪尔吸附方程推导得到。

[0013] 优选的，步骤S10中，所述煤粒瓦斯恒压等温吸附实验，包括：煤粒试样制作阶段、实验准备阶段以及实验进行阶段；

[0014] 所述煤粒试样制作阶段，具体为：

[0015] 对煤矿井下现场煤层采集新鲜大块煤样进行破碎，得到符合实验要求的煤粒试样；

[0016] 所述实验准备阶段，具体为：

[0017] 检查实验装置的气密性，所述实验装置包括样品罐、干燥箱、参考罐、阀门；将所述煤粒试样放入所述样品罐中，并在所述干燥箱中干燥4小时；监测所述参考罐和所述样品罐
的自由空间体积；将所述样品罐抽真空；

[0018] 所述实验进行阶段，具体为：

[0019] 进行煤粒瓦斯吸附实验；当所述样品罐的瓦斯压力降低的幅度超过阈值时，打开所述阀门以贯通所述样品罐和所述参考罐，当所述样品罐内的瓦斯压力到达所述预设的恒
定压力值时，闭合阀门；记录每秒所述样品罐内的瓦斯压力；根据实验得到的所述样品罐内
的瓦斯压力，计算得到第二累积瓦斯吸附量曲线，所述第二累积瓦斯吸附量曲线为样品罐
中煤粒的累积瓦斯吸附量曲线。

[0020] 优选的，步骤S10中，所述煤粒瓦斯恒压吸附模型，具体为：

[0021] 基于达西定律、质量守恒定律以及朗格缪尔方程，根据游离态瓦斯吸附到煤粒中的吸附时间和煤粒中心到任意空间的半径，得到所述煤粒瓦斯恒压吸附模型：

[0022]

[0023] 式中： 为瓦斯极限吸附量； 为煤粒瓦斯透气性系数； 为煤粒的表观密度；为游离态瓦斯吸附到煤粒中的吸附时间； 是 时刻对应的煤粒瓦斯压力的平方， ；
为与游离瓦斯含量有关的系数； 为煤粒的孔隙率； 为煤粒中心到任意空间的半径；

[0024] 所述煤粒瓦斯恒压吸附模型的初始条件为：

[0025]

[0026] 所述煤粒瓦斯恒压吸附模型的边界条件为：

[0027]

[0028] 式中： 为煤粒外表面的瓦斯压力； 为煤粒的半径。

[0029] 优选的，步骤S10中，所述基于煤粒瓦斯恒压吸附模型，对煤粒瓦斯恒压等温吸附实验的数据进行反演，具体为：

[0030] 基于有限差分数值方法，对所述煤粒瓦斯恒压吸附模型进行离散，得到第一累积瓦斯吸附量曲线，其中，所述第一累积瓦斯吸附量曲线为所述吸附时间对应的不同离散时
刻和所述煤粒的不同离散半径对应的网络节点的累积瓦斯吸附量曲线；根据所述预设的恒
定压力值和不同的煤粒瓦斯透气性系数，所述第一累积瓦斯吸附量曲线有多个；

[0031] 根据所述第一累积瓦斯吸附量曲线与所述第二累积瓦斯吸附量曲线的匹配程度，得到所述预设的恒定压力值对应的所述第一透气性系数。

[0032] 优选的，步骤S10中，所述煤粒瓦斯透气性系数与煤粒渗透率之间的转换关系，具体为：

[0033]

[0034] 式中： 为煤粒渗透率； 为标准大气压； 为动力粘性系数； 为煤粒瓦斯透气性系数。

[0035] 优选的，步骤S20中，所述煤粒孔隙率演化模型为根据煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变，基于吉布斯吸附方程和朗格缪尔吸附方程推导得到，具体为：

[0036] 基于吉布斯吸附方程和朗格缪尔方程，根据煤粒中的瓦斯压力，按照公式：

[0037]

[0038] 计算得到从真空状态到吸附状态下煤粒的表面压力变化；

[0039] 式中， 为从真空状态到吸附状态下煤粒的表面压力变化； 为煤粒的温度；为通用气体常数； 为瓦斯气体的摩尔体积； 为煤粒的比表面积； 为煤粒瓦斯压
力；

[0040] 根据所述煤粒的表面压力变化，按照公式：

[0041]

[0042] 计算得到煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变；

[0043] 式中， 为煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变； 为煤粒的弹性模量。

[0044] 优选的，步骤S20中：

[0045] 所述煤粒孔隙率演化模型，具体为：

[0046]

[0047] 式中： 为煤粒的孔隙率； 为煤粒的初始孔隙率； 为煤粒瓦斯极限吸附量；为吸附常数； 为煤粒的表观密度； 为煤粒的弹性模量； 为通用气体常数； 为
煤粒的温度； 为瓦斯气体的摩尔体积； 为煤粒瓦斯压力。

[0048] 优选的，步骤S20包括：

[0049] 基于煤粒孔隙率演化模型，根据煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间的耦合关系，得到煤粒渗透率演变模型；

[0050] 基于所述煤粒渗透率演变模型，对所述第一渗透率进行拟合，当拟合精度达到预设要求，得到拟合后的煤粒渗透率曲线；

[0051] 根据所述拟合后的煤粒渗透率曲线，确定所述煤粒渗透率演变模型中的所述煤粒的初始渗透率和煤粒的变形系数。

[0052] 优选的，步骤S20中：

[0053] 所述煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间的耦合关系，具体为：

[0054]

[0055] 式中， 为煤粒渗透率； 为煤粒的孔隙率； 为煤粒的初始孔隙率； 代表煤粒的初始渗透率。

[0056] 本申请实施例还提供一种吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建系统，包括：

[0057] 数据反演单元，配置为：基于煤粒瓦斯透气性系数与煤粒渗透率之间的转换关系，根据第一透气性系数，得到第一渗透率；其中，所述第一透气性系数为基于煤粒瓦斯恒压吸
附模型，对煤粒瓦斯恒压等温吸附实验的数据进行反演得到，根据所述实验预设的恒定压
力值不同，所述第一透气性系数有多个，每一个所述第一透气性系数对应一个第一渗透率；

[0058] 模型构建单元，配置为：基于煤粒孔隙率演化模型，根据煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间的耦合关系和第一渗透率，得到煤粒渗透率演变模型，所述煤粒渗透率演变模型为：

[0059]

[0060] 式中： 为煤粒渗透率； 代表煤粒的初始渗透率； 为煤粒的变形系数，所述煤粒的变形系数为煤粒向内膨胀应变的变形系数，用于表征煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应
变对煤粒渗透率的影响，所述变形系数为无量纲； 为煤粒瓦斯压力， 为吸附常数；

[0061] 其中，所述煤粒孔隙率演化模型为根据煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变，基于吉布斯吸附方程和朗格缪尔吸附方程推导得到。

[0062] 与最接近的现有技术相比，本申请实施例的技术方案具有如下有益效果：

[0063] 本申请中，基于煤粒瓦斯恒压吸附模型，对煤粒瓦斯恒压等温吸附实验的数据进行反演得到第一透气性系数，并基于煤粒瓦斯透气性系数与煤粒渗透率之间的转换关系，
计算出对应的第一渗透率（煤粒渗透率）；根据煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变，基于吉
布斯吸附方程和朗格缪尔吸附方程推导得到煤粒孔隙率演化模型；基于煤粒孔隙率演化模
型，根据煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间的耦合关系和第一渗透率，通过拟合得到煤粒的初
始渗透率和煤粒的变形系数，完成煤粒渗透率演变模型构建。

[0064] 通过本申请的技术方案所构建的煤粒渗透率演变模型，能够精准的预测不同吸附压力下的煤粒渗透率的演化规律，并准确的计算出煤粒的初始渗透率和变形系数，为预测
煤层气生产量以及井下煤层气开采工作提供参考依据。本申请的技术方案中，煤粒初始渗
透率方法具有计算快速方便的特点，只用输入参数，并作简单的拟合工作即可准确地计算
出煤粒初始渗透率。

附图说明

[0065] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：

[0066] 图1为本申请的一些实施例提供的一种吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法的流程示意图；

[0067] 图2为本申请的一些实施例提供的球形煤粒网格划分图；

[0068] 图3为本申请的一些实施例提供的基于有限差分数值方法解算过程图；

[0069] 图4为本申请的一些实施例提供的解算瓦斯压力和瓦斯累计吸附量的流程示意图；

[0070] 图5本申请的一些实施例提供的解算瓦斯压力和瓦斯累计吸附量的流程框图；

[0071] 图6为本申请的一些实施例提供的初始设定压力为0.5MPa时解算得到的第一累计瓦斯吸附量曲线；

[0072] 图7为本申请的一些实施例提供的步骤S20所包含的流程示意图；

[0073] 图8为本申请的一些实施例提供的基于煤粒渗透率演变模型对煤粒渗透率的拟合回归曲线；

[0074] 图9为根据本申请的一些实施例提供的一种吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建系统的结构示意图。

具体实施方式

[0075] 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精
神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特
征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权
利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

[0076] 煤层由裂隙和煤基质组成。煤层渗透率体现着裂隙中瓦斯流动性能，扩散系数反映了煤基质中的瓦斯解吸扩散行为，通常情况下，实验室采用将煤层粉碎得到煤粒，通过研
究瓦斯在煤粒中的流动规律来研究瓦斯在煤基质的流动规律。

[0077] 目前，在关于煤粒渗透率的研究工作中，有学者采用瓦斯解吸实验数据和达西数值模拟相结合的方法确定煤粒煤渗透率，并提出了一种用煤粒渗透率确定煤层透气性系数
的方法；其是从瓦斯解吸的角度出发开展煤粒渗透数值模拟工作，并没有考虑到煤基质吸
附膨胀效应以及有效应力的作用。

[0078] 示例性方法

[0079] 本申请实施例提供一种吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法，该方法根据煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变，通过煤粒瓦斯恒压等温吸附实验，针对性研究了煤粒中
瓦斯的渗透率演变规律，在此基础上构建了煤粒渗透率演变模型，通过该模型提高了煤粒
渗透率的预测精度，并能够准确计算出煤粒中的初始渗透率和变形系数。

[0080] 图1为本申请的一些实施例提供的一种吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法的流程示意图。如图1所示，该吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法包括：

[0081] 步骤S10、基于煤粒瓦斯透气性系数与煤粒渗透率之间的转换关系，根据第一透气性系数，得到第一渗透率；其中，所述第一透气性系数为基于煤粒瓦斯恒压吸附模型，对煤
粒瓦斯恒压等温吸附实验的数据进行反演得到，根据所述实验预设的恒定压力值不同，所
述第一透气性系数有多个，每一个所述第一透气性系数对应一个第一渗透率；

[0082] 在本申请的一些实施例中，为了研究瓦斯气体压力对煤粒透气性的影响，针对性设计了煤粒瓦斯恒压等温吸附实验，以解决传统的瓦斯等温吸附实验，因在密封的煤样管
中，瓦斯气体压力随着瓦斯的自由吸附而逐渐降低，导致无法应用于研究瓦斯气体压力与
煤粒透气性之间关系的问题。

[0083] 所设计的煤粒瓦斯恒压等温吸附实验包括：煤粒试样制作阶段、实验准备阶段以及实验进行阶段；

[0084] 在煤粒试样制作阶段，对煤矿井下现场煤层采集新鲜大块煤样进行破碎，具体为：从煤矿井下现场煤层采集新鲜大块煤样，并密封好运回实验室，将其破碎成180μm 250μm的
~
煤粒，得到符合实验要求的煤粒试样；

[0085] 实验准备阶段，具体为：

[0086] 检查实验装置的气密性，煤粒瓦斯恒压等温吸附实验的实验装置包括样品罐、干燥箱、参考罐、阀门；将符合实验要求的煤粒试样放入样品罐中，并在干燥箱中干燥4小时；
监测参考罐和样品罐的自由空间体积；将样品罐抽真空。

[0087] 实验进行阶段，具体为：

[0088] 进行煤粒瓦斯吸附实验；当样品罐的瓦斯压力降低的幅度超过阈值时，打开所述阀门以贯通样品罐和参考罐，通过二者之间的瓦斯压力差从参考罐不间断向样品罐中充
气。优选的，在申请实施例中，所述瓦斯压力降低的幅度阈值具体为0.01。

[0089] 当样品罐内的瓦斯压力到达预设的恒定压力值时，闭合阀门，这样就始终保持在预设的恒定压力值条件下进行瓦斯吸附过程。在本申请实施例中，优选的，预设的恒定压力
值分别为0.5 MPa、1 MPa、2 MPa、4 MPa。

[0090] 记录不同预设的恒定压力值每秒样品罐内的瓦斯压力；根据实验得到的样品罐内的瓦斯压力，计算得到第二累积瓦斯吸附量曲线，所述第二累积瓦斯吸附量曲线为实验得
到的样品罐中煤粒的累积瓦斯吸附量曲线。

[0091] 在本申请实施例中，步骤S10中，所述煤粒瓦斯恒压吸附模型，具体为：

[0092]3 2 2

[0093] 式中： 为瓦斯极限吸附量，m /t； 为煤粒瓦斯透气性系数，m /(MPa·s)；3
为煤粒的表观密度，t/m ；为游离态瓦斯吸附到煤粒中的吸附时间； 是 时刻对应的煤
3
粒瓦斯压力的平方， ； 为煤粒瓦斯压力，MPa； 为与游离瓦斯含量有关的系数，m/
(t·MPa)； 为煤粒的孔隙率，%； 为煤粒中心到任意空间的半径，m；

[0094] 所述煤粒瓦斯恒压吸附模型的初始条件为：

[0095]

[0096] 所述煤粒瓦斯恒压吸附模型的边界条件为：

[0097]

[0098] 式中： 为煤粒外表面的瓦斯压力，MPa； 为煤粒的半径，m。

[0099] 上式中的煤粒瓦斯恒压吸附模型的推导过程如下：一般情况下，煤粒可视为球形、均质、各向同性的多孔介质，吸附的瓦斯服从朗格缪尔方程，在此基础上，基于达西定律、质
量守恒定律，根据游离态瓦斯吸附到煤粒中的吸附时间和煤粒中心到任意空间的半径，得
到所述煤粒瓦斯恒压吸附模型。

[0100] 在本申请实施例中，步骤S10中，所述基于煤粒瓦斯恒压吸附模型，对煤粒瓦斯恒压等温吸附实验的数据进行反演，包括：

[0101] 基于有限差分数值方法，对所述煤粒瓦斯恒压吸附模型进行离散，得到第一累积瓦斯吸附量曲线，其中，所述第一累积瓦斯吸附量曲线为所述吸附时间对应的不同离散时
刻和所述煤粒的不同离散半径对应的网络节点的累积瓦斯吸附量曲线；根据所述预设的恒
定压力值和不同的煤粒瓦斯透气性系数，所述第一累积瓦斯吸附量曲线有多个；

[0102] 根据所述第一累积瓦斯吸附量曲线与所述第二累积瓦斯吸附量曲线的匹配程度，得到所述预设的恒定压力值对应的所述第一透气性系数。

[0103] 其中，基于有限差分数值方法，对所述煤粒瓦斯恒压吸附模型进行离散，得到第一累积瓦斯吸附量曲线，其详细步骤如图3所示：

[0104] S701、对煤粒瓦斯恒压吸附模型进行离散，包括对吸附时间进行离散和对球形的煤粒划分网格节点。对吸附时间进行离散为根据预设的时间步长进行迭代；对球形的煤粒
划分网格节点具体为：

[0105] 煤粒可视为球形、均质、各向同性的多孔介质，图2为本申请的一些实施例提供的球形煤粒网格划分图；如图2所示，将球形的煤粒沿球的半径从球心到球表面划分为N个节
点，节点间距等比变小，编号为0，1，2，3…N，经过划分，在煤粒的球心（煤粒中心）处形成一
个实心球体，相邻球面（图2中的虚线）之间形成球壳，每一个球壳或者球心处的实心球体为
一个网格节点。每一个球壳的外表面到球心的半径和内表面到球心的半径的平均值，作为
该网格节点对应的离散半径（图2中的实线），其中，实心球体（编号为0的网格节点）的离散
半径为0。

[0106] 上述步骤中，通过对球形的煤粒进行划分，得到以球心为中心的实心球体和N个球壳，每一个球壳或者实心球体为一个网格节点。

[0107] S702、以预设的恒定压力值中任意一个压力值作为初始设定压力，编写程序代码，解算不同离散时刻各个网格节点的瓦斯压力和瓦斯累计吸附量。

[0108] 基于质量守恒定律得到各个网格节点的有限差分方程，该有限差分方程以当前离散时刻瓦斯压力平方为未知数，是一个非线性方程。解算不同离散时刻各个网格节点的瓦
斯压力和瓦斯累计吸附量过程中，需要将非线性方程转换为线性方程。

[0109] 图4为本申请的一些实施例提供的解算瓦斯压力和瓦斯累计吸附量的流程示意图；图5本申请的一些实施例提供的解算瓦斯压力和瓦斯累计吸附量的流程框图；如图4、图
5所示，具体解算步骤如下：

[0110] S7021、程序参数初始化后，根据预设的时间步长，计算当前的离散时刻；取上一离散时刻的瓦斯压力平方的c倍（0恒定律得到各个网格节点的有限差分方程（非线性方程）转为线性方程组。

[0111] S7022、采用高斯迭代方法，计算得到线性方程组的解，即当前离散时刻瓦斯压力平方的近似值。

[0112] S7023、将求解得到的当前离散时刻瓦斯压力平方的近似值与初始设定压力的平方进行比较，当两者相对误差大于0.0001时，将求解得到的当前离散时刻瓦斯压力平方的
近似值作为新的瓦斯压力初值，重新执行S7022，得到新的当前离散时刻瓦斯压力平方的近
似值。当前离散时刻瓦斯压力平方的近似值与初始设定压力误差小于0.0001时，输出当前
离散时刻各个网格节点的瓦斯压力平方，并计算出相应的瓦斯累积吸附量。

[0113] S7024、循环执行S7021‑S7023，直到计算时间达到设定值，得到各离散时刻、各个网格节点（对应不同的离散半径）的煤粒瓦斯压力与煤粒累积瓦斯吸附量；程序运行结束。

[0114] S7025、根据S7024得到的各离散时刻、各个网格节点的煤粒瓦斯压力与煤粒累积瓦斯吸附量对应的数值，以瓦斯累计吸附量为纵轴、吸附时间为横轴，绘制出第一累积瓦斯
吸附量曲线，第一累积瓦斯吸附量曲线反应了吸附时间对应的不同离散时刻和煤粒的不同
离散半径对应的网络节点的累积瓦斯吸附量。

[0115] 图6为本申请的一些实施例提供的初始设定压力为0.5MPa时解算得到的第一累计瓦斯吸附量曲线，如图6所示，虚线为不同煤粒瓦斯透气性系数λ对应的第一累计瓦斯吸附
量曲线，根据不同的预设的恒定压力值和不同的煤粒瓦斯透气性系数，第一累积瓦斯吸附
量曲线有多个。将煤粒瓦斯恒压等温吸附实验得到的实验数据绘制的瓦斯吸附量曲线（第
二累积瓦斯吸附量曲线，如图6所示的0.5MPa实验数据），与不同煤粒瓦斯透气性系数下得
到的众多第一累计瓦斯吸附量曲线放到同一个图中观察，以预设的恒定压力值为0.5MPa为
例，从图6可以看出，煤粒瓦斯恒压等温吸附的实验结果与基于有限差分数值方法解算得到
的第一累积瓦斯吸附量曲线有很好的匹配度，并且可以反演出不同预设的恒定压力值下的
煤粒瓦斯透气性系数。

[0116] 具体的，当煤粒瓦斯透气性系数为0.000092时，对应的第一累计瓦斯吸附量曲线与第二累积瓦斯吸附量曲线匹配程度最好，因此可以确定，在本申请实施例中，当预设的恒
定压力值为0.5MPa时，对应的第一透气性系数为0.000092。

[0117] 可以理解的，不同预设的恒定压力值，对应的第一透气性系数的反演过程是一样的。

[0118] 在本申请的一些实施例中，步骤S10中，根据煤粒瓦斯透气性系数与煤粒渗透率之间的转换关系，确定不同吸附压力下的煤粒渗透率，具体为：

[0119]

[0120] 式中： 为煤粒渗透率； 为标准大气压； 为动力粘性系数； 为煤粒瓦斯透气性系数。

[0121] 根据上式中煤粒瓦斯透气性系数与煤粒渗透率之间的转换关系，将不同预设的恒定压力值对应的第一透气性系数代入上式，即可得到不同预设的恒定压力值对应的煤粒渗
透率，即第一渗透率，每一个第一透气性系数对应一个第一渗透率。

[0122] 步骤S20、基于煤粒孔隙率演化模型，根据煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间的耦合关系和第一渗透率，得到煤粒渗透率演变模型，所述煤粒渗透率演变模型为：

[0123]‑15 2

[0124] 式中： 为煤粒渗透率，mD，1mD=10  m ； 代表煤粒的初始渗透率，mD； 为煤粒的变形系数，所述煤粒的变形系数为煤粒向内膨胀应变的变形系数，用于表征煤粒吸附
瓦斯膨胀导致的有效应变对煤粒渗透率的影响，所述变形系数为无量纲。

[0125] 其中，所述煤粒孔隙率演化模型为根据煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变，基于吉布斯吸附方程和朗格缪尔吸附方程推导得到。

[0126] 在本申请的一些实施例中，步骤S20中，所述煤粒孔隙率演化模型为根据煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变，基于吉布斯吸附方程和朗格缪尔吸附方程推导得到，具体为：

[0127] 煤粒在吸附过程中的膨胀是由于煤粒中孔隙表面压力的降低造成的，根据吉布斯吸附方程，由公式（1）表示真空状态到吸附状态下煤粒的表面压力变化。公式（1）如下：

[0128] （1）

[0129] 式中： 为从真空状态到吸附状态下煤粒的表面压力变化，N/m；Q为煤粒中的瓦3
斯吸附量，m/t； 为通用气体常数，8.314 J/(mol·K)； 为煤粒的温度，K； 为瓦斯
2
气体的摩尔体积，L/mol； 为煤粒的比表面积，m/g。

[0130] 对公式（1）进行积分变换可得公式（2），公式（2）如下：

[0131]     （2）

[0132] 一般情况下，煤粒可视为球形、均质、各向同性的多孔介质，煤粒中的瓦斯吸附量符合朗格缪尔方程，用公式（3）表示煤粒中的瓦斯吸附量；公式（3）如下：

[0133]       （3）

[0134] 式中： 为煤粒瓦斯极限吸附量，m3/t； 为吸附常数，MPa‑1。

[0135] 基于吉布斯吸附方程和朗格缪尔吸附方程，即结合公式（2）和式（3）可得公式（4）；公式（4）如下：

[0136]       （4）

[0137] 公式（5）表示煤粒吸附瓦斯膨胀导致的应变；公式（5）如下：

[0138]        （5）

[0139] 式中： 为煤粒吸附瓦斯膨胀导致的应变； 为煤粒的弹性模量，MPa。

[0140] 将公式（4）代入公式（5）可得煤粒吸附瓦斯膨胀导致的应变与煤粒瓦斯压力之间的关系，用公式（6）表示；公式（6）如下：

[0141] （6）

[0142] 在煤粒吸附瓦斯过程中，煤粒吸附瓦斯膨胀导致的应变的1/3转化为接触界面的膨胀应力，即外向膨胀应变；另外2/3的煤粒吸附瓦斯膨胀导致的应变为减少断裂体积的内
向膨胀应变。煤粒的内向膨胀应变的幅度远大于外向膨胀应变，因此可以认为煤粒吸附气
体只引起内向膨胀应变，但煤粒的体积应变没有变化，即用内向膨胀应变 表示煤粒吸附
瓦斯膨胀导致的有效应变，得到公式（7）；公式（7）如下：

[0143]     （7）

[0144] 式中， 为煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变。

[0145] 根据煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变对煤粒孔隙率的影响，煤粒的孔隙率可表示为公式（8）；公式（8）如下：

[0146] （8）

[0147]  式中： 为煤粒的孔隙率，%； 为煤粒吸附瓦斯膨胀变形前的孔隙裂缝体积，3 3
m ； 为煤粒吸附瓦斯膨胀变形后的孔隙裂缝体积，m ； 为煤粒吸附瓦斯膨胀引起的
3 3
膨胀体积，m ； 为煤粒吸附瓦斯膨胀变形前的外观体积，m ； 为煤粒吸附瓦斯膨胀变
3
形后的外观体积，m； 为煤粒的初始孔隙率，%。

[0148] 将公式（7）代入到公式（8）中，得到煤粒孔隙率演化模型，用公式（9）表示；公式（9）如下：

[0149]      （9）

[0150] 在本申请的一些实施例中，步骤S20包括（如图7所示）：

[0151] S201、基于煤粒孔隙率演化模型，根据煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间的耦合关系，得到煤粒渗透率演变模型；

[0152] 具体的，煤粒渗透率是评价煤层气（即瓦斯）渗流特性的基本参数，它与煤粒的孔隙率直接相关，即煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间存在耦合关系。根据煤粒渗透率与煤粒孔
隙率之间的耦合关系，通常，煤粒渗透率和煤粒孔隙率之间的关系可用公式（10）表示；公式
（10）如下：

[0153]  （10）

[0154] 将公式（9）代入公式（10）可得公式（11）；公式（11）如下：

[0155] （11）

[0156] 引入新的参数A，定义为煤粒的变形系数，用于表征煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变对煤粒渗透率的影响，A为无量纲，用公式（12）表示；公式（12）如下：

[0157]  （12）

[0158] 式中：A为煤粒的变形系数，A为无量纲，与煤粒的特性、温度和饱和吸附能力有关。

[0159] 将公式（12）与公式（11）合并，可得到煤粒渗透率演变模型：

[0160] （13）

[0161] 煤粒渗透率演变模型表征不同煤粒瓦斯压力与煤粒的渗透率之间的变化关系，可用于估算煤粒瓦斯吸附过程中的煤粒渗透率变化。

[0162] S202、基于所述煤粒渗透率演变模型，对所述第一渗透率进行拟合，当拟合精度达到预设要求，得到拟合后的煤粒渗透率曲线；

[0163] 图8为本申请的一些实施例提供的基于煤粒渗透率演变模型对煤粒渗透率的拟合回归曲线；如图8所示，图中每一个点为根据煤粒瓦斯恒压等温吸附实验反演得到的第一渗
透率，以煤粒渗透率为纵轴、初始吸附压力为横轴，基于煤粒渗透率演变模型生成的拟合曲
线，该曲线与实验反演得到的第一渗透率具有很好的匹配度。

[0164] 在本申请实施例中，拟合精度达到预设要求，具体为：当拟合度（即拟合相关系数）大于0.99，即可确定拟合精度达到预设要求。同时，拟合精度达到预设要求，也验证了煤粒
渗透率演变模型的准确性。

[0165] S203、根据所述拟合后的煤粒渗透率曲线，确定所述煤粒渗透率演变模型中的所述煤粒的初始渗透率和煤粒的变形系数，具体为：

[0166] 将煤粒渗透率演变模型中的数学公式与拟合后的煤粒渗透率曲线的方程的各项系数数值相对应，即可得到煤粒的初始渗透率和煤粒的变形系数。

[0167] 如图8所示，拟合后的煤粒渗透率曲线对应的方程形式为：

[0168]

[0169] 根据煤粒渗透率演变模型中的数学公式各项系数，对应的有：煤粒的初始渗透率为：0.3176mD；煤粒的变形系数A为：0.144。

[0170] 本申请中，基于煤粒瓦斯恒压吸附模型，对煤粒瓦斯恒压等温吸附实验的数据进行反演得到第一透气性系数，并基于煤粒瓦斯透气性系数与煤粒渗透率之间的转换关系，
计算出对应的第一渗透率（煤粒渗透率）；根据煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变，基于吉
布斯吸附方程和朗格缪尔吸附方程推导得到煤粒孔隙率演化模型；基于煤粒孔隙率演化模
型，根据煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间的耦合关系和第一渗透率，通过拟合得到煤粒的初
始渗透率和煤粒的变形系数，完成煤粒渗透率演变模型构建。

[0171] 通过本申请的技术方案所构建的煤粒渗透率演变模型，能够精准的预测不同吸附压力下的煤粒渗透率的演化规律，并准确的计算出煤粒中的初始渗透率和变形系数，为预
测煤层气生产量以及井下煤层气开采工作提供参考依据。本申请的技术方案中，煤粒初始
渗透率方法具有计算快速方便的特点，只用输入参数，并作简单的拟合工作即可准确地计
算出煤粒初始渗透率。

[0172] 示例性系统

[0173] 图9为根据本申请的一些实施例提供的一种吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建系统的结构示意图；如图9所示，该系统包括：数据反演单元401和模型构建单元402，具体
为：

[0174] 数据反演单元401，配置为：基于煤粒瓦斯透气性系数与煤粒渗透率之间的转换关系，根据第一透气性系数，得到第一渗透率；其中，所述第一透气性系数为基于煤粒瓦斯恒
压吸附模型，对煤粒瓦斯恒压等温吸附实验的数据进行反演得到，根据所述实验预设的恒
定压力值不同，所述第一透气性系数有多个，每一个所述第一透气性系数对应一个第一渗
透率；

[0175] 模型构建单元402，配置为：基于煤粒孔隙率演化模型，根据煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间的耦合关系和第一渗透率，得到煤粒渗透率演变模型，所述煤粒渗透率演变模型
为：

[0176]

[0177] 式中： 为煤粒渗透率； 代表煤粒的初始渗透率； 为煤粒的变形系数，所述煤粒的变形系数为煤粒向内膨胀应变的变形系数，用于表征煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应
变对煤粒渗透率的影响，所述变形系数为无量纲； 为煤粒瓦斯压力， 为吸附常数；

[0178] 其中，所述煤粒孔隙率演化模型为根据煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变，基于吉布斯吸附方程和朗格缪尔吸附方程推导得到。

[0179] 在一些可选实施例中，数据反演单元401包括吸附实验子单元，配置为：所述煤粒瓦斯恒压等温吸附实验，包括：煤粒试样制作阶段、实验准备阶段以及实验进行阶段；

[0180] 所述煤粒试样制作阶段，具体为：

[0181] 对煤矿井下现场煤层采集新鲜大块煤样进行破碎，得到符合实验要求的煤粒试样；

[0182] 所述实验准备阶段，具体为：

[0183] 检查实验装置的气密性，所述实验装置包括样品罐、干燥箱、参考罐、阀门；将所述煤粒试样放入所述样品罐中，并在所述干燥箱中干燥4小时；监测所述参考罐和所述样品罐
的自由空间体积；将所述样品罐抽真空；

[0184] 所述实验进行阶段，具体为：

[0185] 进行煤粒瓦斯吸附实验；当所述样品罐的瓦斯压力降低的幅度超过阈值时，打开所述阀门以贯通所述样品罐和所述参考罐，当所述样品罐内的瓦斯压力到达所述预设的恒
定压力值时，闭合阀门；记录每秒所述样品罐内的瓦斯压力；根据实验得到的所述样品罐内
的瓦斯压力，计算得到第二累积瓦斯吸附量曲线，所述第二累积瓦斯吸附量曲线为样品罐
中煤粒的累积瓦斯吸附量曲线。

[0186] 在一些可选实施例中，数据反演单元401还包括：煤粒瓦斯恒压吸附模型子单元，配置为：所述煤粒瓦斯恒压吸附模型，具体为：

[0187] 基于达西定律、质量守恒定律以及朗格缪尔方程，根据游离态瓦斯吸附到煤粒中的吸附时间和煤粒中心到任意空间的半径，得到所述煤粒瓦斯恒压吸附模型：

[0188]

[0189] 式中： 为瓦斯极限吸附量； 为煤粒瓦斯透气性系数； 为煤粒的表观密度；为游离态瓦斯吸附到煤粒中的吸附时间； 是 时刻对应的煤粒瓦斯压力的平方， ；
为与游离瓦斯含量有关的系数； 为煤粒的孔隙率； 为煤粒中心到任意空间的半径；

[0190] 所述煤粒瓦斯恒压吸附模型的初始条件为：

[0191]

[0192] 所述煤粒瓦斯恒压吸附模型的边界条件为：

[0193]

[0194] 式中： 为煤粒外表面的瓦斯压力； 为煤粒的半径。

[0195] 在一些可选实施例中，数据反演单元401还包括：有限差分子单元，配置为：

[0196] 所述基于煤粒瓦斯恒压吸附模型，对煤粒瓦斯恒压等温吸附实验的数据进行反演，具体为：

[0197] 基于有限差分数值方法，对所述煤粒瓦斯恒压吸附模型进行离散，得到第一累积瓦斯吸附量曲线，其中，所述第一累积瓦斯吸附量曲线为所述吸附时间对应的不同离散时
刻和煤粒的不同离散半径对应的网络节点的累积瓦斯吸附量曲线；根据所述预设的恒定压
力值和不同的煤粒瓦斯透气性系数，所述第一累积瓦斯吸附量曲线有多个；

[0198] 根据所述第一累积瓦斯吸附量曲线与所述第二累积瓦斯吸附量曲线的匹配程度，得到所述预设的恒定压力值对应的所述第一透气性系数。

[0199] 在一些可选实施例中，数据反演单元401还包括：转换子单元，配置为：

[0200] 所述煤粒瓦斯透气性系数与煤粒渗透率之间的转换关系，具体为：

[0201]

[0202] 式中： 为煤粒渗透率； 为标准大气压； 为动力粘性系数；为煤粒瓦斯透气性系数。

[0203] 在一些可选实施例中，模型构建单元402包括：孔隙率推导子单元，配置为：

[0204] 所述煤粒孔隙率演化模型为根据煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变，基于吉布斯吸附方程和朗格缪尔吸附方程推导得到，具体为：

[0205] 基于吉布斯吸附方程和朗格缪尔方程，根据煤粒中的瓦斯压力，按照公式：

[0206]

[0207] 计算得到从真空状态到吸附状态下煤粒的表面压力变化；

[0208] 式中， 为从真空状态到吸附状态下煤粒的表面压力变化； 为煤粒的温度；为通用气体常数； 为瓦斯气体的摩尔体积； 为煤粒的比表面积； 为煤粒瓦斯压
力；

[0209] 根据所述煤粒的表面压力变化，按照公式：

[0210]

[0211] 计算得到煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变；

[0212] 式中， 为煤粒吸附瓦斯膨胀导致的有效应变； 为煤粒的弹性模量。

[0213] 在一些可选实施例中，模型构建单元402还包括：孔隙率演化模型子单元，配置为：

[0214] 所述煤粒孔隙率演化模型，具体为：

[0215]

[0216] 式中： 为煤粒的孔隙率； 为煤粒的初始孔隙率； 为煤粒瓦斯极限吸附量；为吸附常数； 为煤粒的表观密度； 为煤粒的弹性模量； 为通用气体常数； 为
煤粒的温度； 为瓦斯气体的摩尔体积； 为煤粒瓦斯压力。

[0217] 在一些可选实施例中，模型构建单元402还包括：拟合子单元，配置为：

[0218] 基于煤粒孔隙率演化模型，根据煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间的耦合关系，得到煤粒渗透率演变模型；

[0219] 基于所述煤粒渗透率演变模型，对所述第一渗透率进行拟合，当拟合精度达到预设要求，得到拟合后的煤粒渗透率曲线；

[0220] 根据所述拟合后的煤粒渗透率曲线，确定所述煤粒渗透率演变模型中的所述煤粒的初始渗透率和煤粒的变形系数。

[0221] 在一些可选实施例中，模型构建单元402还包括：耦合子单元，配置为：

[0222] 所述煤粒渗透率与煤粒孔隙率之间的耦合关系，具体为：

[0223]

[0224] 式中， 为煤粒渗透率； 为煤粒的孔隙率； 为煤粒的初始孔隙率； 代表煤粒的初始渗透率。

[0225] 本申请实施例提供的一种吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建系统，能够实现上述任一吸附条件下煤粒渗透率演变模型构建方法的步骤、流程和有益效果，在此不再一一
赘述。

[0226] 以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、
等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。