低階煤的微觀結(jié)構(gòu)特征及其對瓦斯吸附解吸的控制機(jī)理研究.pdf

1、我國煤層氣資源量豐富，隨著煤層氣開采技術(shù)的發(fā)展，低階煤煤層氣的開采越來越引起人們的關(guān)注。但是目前針對低階煤煤層氣開采的研究主要集中在開采技術(shù)和工藝，缺乏對低階煤瓦斯吸附解吸控制機(jī)理的研究。煤具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)等化學(xué)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)對瓦斯吸附解吸性能有重要影響。本文以物理實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，從孔隙結(jié)構(gòu)特征和表面官能團(tuán)兩個(gè)方面系統(tǒng)地分析了低階煤的微觀結(jié)構(gòu)特征，研究了低階煤的吸附解吸規(guī)律，探討了影響低階煤吸附解吸的關(guān)鍵因素，根據(jù)研究結(jié)果

2、，提出了低階煤瓦斯吸附解吸的控制機(jī)理和高效抽采模式。
　　借助壓汞和液氮吸附實(shí)驗(yàn)，研究了低階煤的孔徑分布特征和孔隙類型。結(jié)果表明：低階煤的孔隙更加發(fā)育，含有大量的開放性孔隙，中孔和過渡孔占有較大的比例，孔隙間的連通性較好，煤中的孔隙類型多為墨水瓶形孔和楔形孔，隨著變質(zhì)程度的增加，煤樣中微孔所占的比例逐漸增大，中高階煤樣中的孔隙類型多為圓筒形孔和狹縫形孔。
　　利用分形理論，計(jì)算了煤的體積分形維數(shù)和吸附孔的分形特征，并研究了煤

3、體組分對分形維數(shù)的影響。結(jié)果表明：低階煤的孔隙率大，煤體可壓縮性強(qiáng)，體積分形維數(shù)較大，甚至大于3，中高階煤樣的體積分形維數(shù)相對較小，孔隙率隨著體積分形維數(shù)的增大而減小；煤樣在低壓段（P/P0<0.5）的分形維數(shù)被稱為表面分形維數(shù)，高壓段（P/P0>0.5）的分形維數(shù)被稱為結(jié)構(gòu)分形維數(shù)；煤樣組分會造成煤體表面和孔結(jié)構(gòu)的不均一性，對分形維數(shù)產(chǎn)生影響，分形維數(shù)可以看做煤體組分復(fù)雜程度的綜合體現(xiàn)。
　　通過對FTIR譜圖的分峰擬合，定量研

4、究了低階煤中表面官能團(tuán)的演化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)低階煤中含有大量的羥基和一定量的羧基，其羥基類型主要為氫鍵、酚羥基和醇羥基，同時(shí)含有少量的自由羥基。低階煤中的含氧官能團(tuán)多為烷基醚和醇，而中高階煤中的含氧官能團(tuán)多為芳基醚和苯氧基醚。低階煤中的C=O官能團(tuán)含量相對較高，在變質(zhì)作用過程中，煤中的-OH部分轉(zhuǎn)化為C-O官能團(tuán)，隨著變質(zhì)程度的進(jìn)一步增大，C-O官能團(tuán)發(fā)生斷裂，縮聚成芳環(huán)結(jié)構(gòu)。
　　利用吸附解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了不同變質(zhì)程度煤的吸附解吸規(guī)

5、律并定量計(jì)算了煤樣的吸附滯后系數(shù)。發(fā)現(xiàn)隨著變質(zhì)程度的增加，VL呈先減小后增大的“U”型變化趨勢，褐煤的吸附能力較差，其余低階煤的最大吸附能力大于部分中階煤（1.0　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究了低階煤的微觀結(jié)構(gòu)特征對瓦斯吸附解吸的影