低阶煤的微观结构特征及其对瓦斯吸附解吸的控制机理研究

发布时间：2017-06-07 20:01

  本文关键词：低阶煤的微观结构特征及其对瓦斯吸附解吸的控制机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国煤层气资源量丰富,随着煤层气开采技术的发展,低阶煤煤层气的开采越来越引起人们的关注。但是目前针对低阶煤煤层气开采的研究主要集中在开采技术和工艺,缺乏对低阶煤瓦斯吸附解吸控制机理的研究。煤具有复杂的孔隙结构和表面官能团等化学结构,这些结构对瓦斯吸附解吸性能有重要影响。本文以物理实验研究为基础,从孔隙结构特征和表面官能团两个方面系统地分析了低阶煤的微观结构特征,研究了低阶煤的吸附解吸规律,探讨了影响低阶煤吸附解吸的关键因素,根据研究结果,提出了低阶煤瓦斯吸附解吸的控制机理和高效抽采模式。借助压汞和液氮吸附实验,研究了低阶煤的孔径分布特征和孔隙类型。结果表明:低阶煤的孔隙更加发育,含有大量的开放性孔隙,中孔和过渡孔占有较大的比例,孔隙间的连通性较好,煤中的孔隙类型多为墨水瓶形孔和楔形孔,随着变质程度的增加,煤样中微孔所占的比例逐渐增大,中高阶煤样中的孔隙类型多为圆筒形孔和狭缝形孔。利用分形理论,计算了煤的体积分形维数和吸附孔的分形特征,并研究了煤体组分对分形维数的影响。结果表明:低阶煤的孔隙率大,煤体可压缩性强,体积分形维数较大,甚至大于3,中高阶煤样的体积分形维数相对较小,孔隙率随着体积分形维数的增大而减小;煤样在低压段(P/P00.5)的分形维数被称为表面分形维数,高压段(P/P00.5)的分形维数被称为结构分形维数;煤样组分会造成煤体表面和孔结构的不均一性,对分形维数产生影响,分形维数可以看做煤体组分复杂程度的综合体现。通过对FTIR谱图的分峰拟合,定量研究了低阶煤中表面官能团的演化规律。发现低阶煤中含有大量的羟基和一定量的羧基,其羟基类型主要为氢键、酚羟基和醇羟基,同时含有少量的自由羟基。低阶煤中的含氧官能团多为烷基醚和醇,而中高阶煤中的含氧官能团多为芳基醚和苯氧基醚。低阶煤中的C=O官能团含量相对较高,在变质作用过程中,煤中的-OH部分转化为C-O官能团,随着变质程度的进一步增大,C-O官能团发生断裂,缩聚成芳环结构。利用吸附解吸实验系统,研究了不同变质程度煤的吸附解吸规律并定量计算了煤样的吸附滞后系数。发现随着变质程度的增加,VL呈先减小后增大的“U”型变化趋势,褐煤的吸附能力较差,其余低阶煤的最大吸附能力大于部分中阶煤(1.0Ro,max1.5),小于高阶煤;低阶煤与甲烷的相互作用较弱,吸附量在低压区的增长速率较慢,难以达到饱和吸附。低阶煤的理论解吸率和理论采收率均明显高于中高阶煤,随着变质程度的增加,煤样的吸附滞后系数增加。根据实验结果,研究了低阶煤的微观结构特征对瓦斯吸附解吸的影响。结果表明:低阶煤的瓦斯吸附能力受孔径分布和表面官能团的共同控制,瓦斯解吸能力受孔径分布和孔隙类型的共同控制;在对低阶煤吸附解吸的控制中,孔径分布对瓦斯吸附起主要控制作用,而在瓦斯解吸时,孔隙类型占主导作用。最后,提出了低阶煤瓦斯吸附解吸的控制机理和低阶煤煤层气高效抽采模式。
【关键词】：低阶煤 孔隙特征 官能团 吸附解吸 分形维数
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• Extended Abstract9-23
• 变量注释表23-24
• 1 绪论24-41
• 1.1 研究背景与意义24-26
• 1.2 国内外研究现状26-37
• 1.3 存在的主要问题37
• 1.4 本文的主要研究内容37-38
• 1.5 研究思路和技术路线38-39
• 1.6 研究工作的主要进展39-41
• 2 低阶煤的孔隙结构特征及分形研究41-72
• 2.1 低阶煤的组成41-44
• 2.2 煤的孔隙结构分类44-47
• 2.3 压汞实验47-55
• 2.4 低温液氮吸附实验55-61
• 2.5 煤的分形特征研究61-71
• 2.6 本章小结71-72
• 3 低阶煤表面官能团的红外光谱定量分析72-88
• 3.1 煤体表面官能团的测定方法72-73
• 3.2 煤样的红外谱图定性分析73-75
• 3.3 煤表面官能团的定量分析75-83
• 3.4 低阶煤的结构参数及官能团的演化规律83-86
• 3.5 本章小结86-88
• 4 低阶煤对甲烷的吸附解吸规律研究88-103
• 4.1 样品制备及实验方法88-89
• 4.2 低阶煤对甲烷的吸附解吸规律89-99
• 4.3 不同变质程度煤吸附滞后程度的定量分析99-101
• 4.4 本章小结101-103
• 5 低阶煤的微观结构特征对瓦斯吸附解吸的控制机理103-112
• 5.1 低阶煤孔隙结构特征对瓦斯吸附解吸的影响103-107
• 5.2 低阶煤表面官能团对瓦斯吸附的影响107-108
• 5.3 低阶煤的分形特征对瓦斯吸附解吸的影响108-110
• 5.4 低阶煤瓦斯吸附解吸的控制机理110-111
• 5.5 本章小结111-112
• 6 低阶煤煤层气高效抽采模式112-119
• 6.1 大佛寺煤矿瓦斯赋存及储层特征112-114
• 6.2 大佛寺煤的孔隙结构特征及其对瓦斯吸附解吸的影响114-116
• 6.3 低煤阶高瓦斯煤层煤层气高效抽采模式116-118
• 6.4 本章小结118-119
• 7 结论、创新点及展望119-122
• 7.1 主要结论119-120
• 7.2 创新点120-121
• 7.3 展望121-122
• 参考文献122-132
• 作者简历132-134
• 学位论文数据集134

【参考文献】

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本文编号：430097