不同软硬煤的结构差异性研究

为研究不同软硬煤的微结构差异性特征,以山西潞安王庄煤矿为工程背景,针对6种不同软硬煤样,采用电镜扫描(SEM)分析了表面形貌特性,并结合低温液氮吸附法研究了软硬煤的孔隙结构特征,对不同变质变形程度煤样的微结构差异性进行了对比分析。研究结果表明:构造变形对软煤的表面结构有显著影响,软煤较对应的硬煤表面更粗糙,拥有更复杂的表面孔隙结构;煤化作用对孔隙结构具有差异显著,煤的孔径随变质程度的增加而逐步变小;孔总比表面积随煤化程度的加深而变大,所有煤样微孔比表面积所占比例均超过了60%,比表面积主要由微孔贡献;软煤的平均孔径始终小于对应的硬煤,而孔比表面积始终大于相应的硬煤;构造变形使得煤体结构变得更复杂,构造软煤具有超前演化特征。     

构造煤与原生结构煤孔隙特征及瓦斯解吸规律试验

为了研究卧龙湖矿8煤层构造煤与原生结构煤孔隙特征及瓦斯解吸规律,分别采用压汞法和解吸试验对4组煤样进行试验研究。试验结果表明:构造煤中孔和大孔孔容所占比例高于原生结构煤,构造作用对煤的中孔和大孔有明显的改造效果,而且可能产生新的微孔和小孔;构造煤微孔和小孔的比表面积和分别占总比表面积的98.85%和98.74%,原生结构煤微孔和小孔的比表面积和分别占总比表面积的99.52%和99.37%,表明微孔和小孔决定煤的比表面积,构成煤层瓦斯的主要吸附空间;同时构造煤瓦斯解吸能力显著强于相同煤阶的原生结构煤,原因在于构造煤含有较多的中孔和大孔,为瓦斯的运移提供了通道。构造作用对煤的孔隙结构改造进而影响煤的解吸性能,增加了煤与瓦斯突出的危险性。     

构造煤纳米级孔隙与瓦斯吸附能力关系研究

采用低温液氮实验对研究构造煤的纳米级孔隙结构特征,并利用等温吸附实验解释构造煤纳米孔隙与瓦斯吸附能力的关系。研究结果表明:3种煤样不同孔径孔容和比表面积都有所增加,约在50 nm孔径出现峰值,得出纳米孔隙是煤对瓦斯吸附强度的决定因素。相对于原煤,构造煤吸附瓦斯量略有增加,相对于同层共生原煤,构造煤吸附能力的变化主要取决于纳米级孔隙的变化,其纳米级孔隙微孔的比表面积是影响瓦斯吸附量的主要因素。     

煤的孔隙分布对其吸附解吸特征的影响

为了研究煤的孔隙分布规律对其吸附解吸特征的影响,对干燥煤样进行了压汞实验和等温吸附解吸实验。结果表明,煤的吸附解吸过程具有不可逆性和解吸过程的滞后性,滞后的主要原因是实验煤样孔径为100 nm以下的孔隙比较发育,容易形成毛细凝聚;煤样中孔隙的比表面积主要被过渡孔和微孔所占据,微孔的比表面积占总表面积比例分别为68.82%和72.96%,这决定了煤的吸附能力。     

复合煤层物性差异性试验研究

煤层的物性特征与煤与瓦斯突出、煤层瓦斯含量密切相关,为降低复合煤层的煤与瓦斯突出的危险性、煤层瓦斯含量,分别采用低温液氮吸附试验、压汞试验、甲烷等温吸附/扩散试验对焦作矿区复合煤层中的软硬煤物性差异性进行研究。结果表明:软煤的BJH孔容及BET比表面积均大于硬煤;构造作用可使一部分可见孔或裂隙转化为中大孔,硬煤的孔隙联通性比软煤的孔隙联通性好。软煤中一端开放的细颈瓶型孔占的比例较大,造成软煤的退汞效率低,这是软煤易发生煤与瓦斯突出的重要原因之一;软煤的吸附常数a值稍大于硬煤,而比表面积却有显著差异,孔隙中吸附瓦斯不仅与比表面积有关,还与孔径大小、吸附层数及兰纳-琼斯势能有关;软煤的扩散系数大于硬煤,其衰减得比硬煤快,扩散系数与时间呈现出时变特性;在软硬分层进行现场取心实测煤层瓦斯含量时,应以软分层漏失量最小为基准采取抑制瓦斯漏失的措施,以实现煤层瓦斯含量的准确测定;在软分层进行瓦斯抽采时应适当加长抽采时间、减小钻孔间距,达到软分层消突效果。软硬分层的瓦斯含量与软硬煤的水分、孔隙率相关,孔隙率越大游离瓦斯含量越大,平衡水分抑制煤体瓦斯吸附,平衡水分越大其吸附量越小。如果软分层的瓦斯含量大于硬分层的瓦斯含量,在进行瓦斯抽采效果检验时,软分层是首选检验对象;如果软分层的瓦斯含量不大于硬分层的瓦斯含量,在进行瓦斯抽采效果检验时,软分层和硬分层应同时作为检验对象。     

平顶山矿区煤孔隙特征及瓦斯吸附控制机理研究

为研究平煤矿区煤储层特征及其瓦斯赋存特性,采用低压液氮吸附法对6种典型煤样的储层特征进行了分析,并测试了煤样瓦斯吸附能力,分析了煤样孔隙结构参数对瓦斯吸附的影响。研究结果表明:不同煤样孔隙差异显著,煤体表面具有明显的非均质性;煤中的微孔发育,孔径分布呈多峰值;变质程度(挥发分)对煤中的微孔具有重要影响,而对小孔的影响不明显;煤对气体的吸附主要集中在微孔段,不同煤样的吸附能力差异明显,Langmuir体积只与微孔有关,而Langmuir压力受微孔和小孔分布的共同影响。研究结果可为平顶山矿区瓦斯防治与利用提供理论依据。     

基于低温氮吸附法的酸化煤样孔隙分形特征研究

为研究并改善富含矿物质煤体孔隙结构特征,基于X射线衍射和低温氮吸附实验测试了贫瘦煤酸化前后碳酸盐矿物质含量及孔隙结构参数,并根据孔隙分形理论利用FHH模型求得了酸化前后不同孔段的分形维数。结果表明:酸化可以有效溶解煤体孔隙中的矿物质并溶蚀煤基质,减少煤体孔隙中微孔所占比例,增加中孔和大孔的比例,增强了孔隙结构之间的连通性,同时减少了煤的比表面积,有利于吸附态瓦斯向游离态进行转化;煤样低压段分形维数大于中高压段的分形维数,煤体孔隙中微孔结构较中孔大孔结构更加复杂,煤样经酸化后孔隙分形维数变小,煤样孔隙结构趋于简单化。     

构造煤纳米级孔隙对瓦斯吸附能力的影响研究

为研究煤的纳米级(100 nm)孔隙对瓦斯吸附能力的影响,对3种不同煤样的原煤和构造煤孔隙结构进行研究,并建立温度-压力综合吸附模型分析煤体的吸附瓦斯能力。研究结果表明:纳米级孔隙(孔径小于100 nm)是煤对瓦斯吸附强的决定因素,纳米级孔隙微孔的比表面积是影响瓦斯吸附量的主要因素;在相同温度压力下,古汉山矿煤样瓦斯吸附量是薛湖矿煤样和平顶山矿煤样的1.3～1.8倍和1.02～1.2倍;微小孔的孔容与瓦斯吸附量呈现出明显的正相关;通过建立温度-压力模型预测瓦斯吸附量是可行的。     

基于氮气吸附-扫描电镜的构造煤孔隙特征研究

煤的孔隙结构特征与瓦斯的吸附和运移密切相关,构造煤的孔隙结构特征由于受到构造应力的破坏而趋于复杂,因此开展构造煤孔隙发育的研究是提升瓦斯治理水平的重要方向。以西山煤田南部东于煤矿三组构造煤和一组原生煤为研究对象,采取低温液氮吸附法和扫描电子显微镜(SEM),联合观测构造煤与原生煤的孔隙特征。研究表明：三组构造煤的氮气吸附量为原生煤的2.04倍、1.49倍和2.90倍,三组构造煤的孔容为原生煤的2.08倍、1.53倍和2.96倍;三组构造煤的孔容大部分由微孔和小孔提供均达到69.71%以上,孔比表面积大部分由微孔提供均达到了79.04%以上;原生煤的孔容大部分由微孔和小孔提供达到了89.38%,孔比表面积微孔占比93.97%;三组构造煤的孔隙结构相比原生煤更加复杂,具有更大的分形维数(2.6985～2.7106);三组构造煤(10000倍)表面分形维数分别为1.962、1.979、1.947均大于原生煤1.945,构造煤与原生煤相比有更为发育的孔隙特征;分形维数D₁与总孔比表面积、微孔比表面积成正比;挥发分含量在一定范围内与总孔比表面积、微孔比表面积、小孔比表面积成...     

不同煤阶煤孔隙结构分形表征及其对甲烷吸附特性的影响

煤储层中孔隙结构的发育程度决定了煤体瓦斯的吸附性能,通过低温液氮吸附实验测试了长焰煤、焦煤和无烟煤3种不同变质程度煤样的孔隙结构;基于分形理论对孔隙结构进行了量化表征,并结合煤的甲烷等温吸附实验,深入分析了不同变质程度煤孔隙结构对甲烷吸附特性的影响。结果显示：变质程度与孔隙分形维数D₁呈现出“浴盆式”变化规律,与分形维数D₂符合线性负相关关系;而煤样的微孔比表面积和孔容均与吸附常数a呈正相关关系,即微孔比表面积和孔容越大,煤的吸附能力越强;随着孔隙分形维数D₁的增加,吸附常数a呈现出近似线性增长趋势,煤体孔隙结构越不光滑,比表面积也会越大,从而使得煤的甲烷极限吸附量也会有所升高。     

基于吸附层厚度理论的软硬煤吸附机理解析

针对同一变质程度软/硬煤的比表面积和总孔容积相差数倍,但其对甲烷吸附量却相当这一现象,根据热力学原理及煤对甲烷吸附机理,建立了煤的孔径对甲烷吸附层厚度的方程,数值分析了吸附压力和孔径对吸附层厚度（吸附层数）的影响,同时采用软/硬煤的孔径分布拟合函数,数值计算了软/硬煤的瓦斯等温吸附曲线,并与实测结果进行了对比分析。研究结果表明：基于吸附层厚度理论,在同一吸附平衡压力下,甲烷吸附层厚度随着孔径增大呈负指数变化,即煤体对甲烷的吸附是不同分子层的集合。采用煤体中孔径与其孔体积的分段函数和煤对甲烷的吸附层厚度理论,计算得到的瓦斯吸附等温线无论是变化趋势还是定量上均与实测结果一致,误差小于6.5%。因而,吸附层厚度理论很好地揭示了软/硬煤对甲烷吸附特征。由此,只要测得煤的孔径分布特征,即可采用吸附层厚度理论对其吸附量进行计算,为预测煤层瓦斯含量提供新方法。     

不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征

煤的吸附能力是决定煤层含气量的重要参数。采用沁水盆地东南部赵庄井田二叠系山西组3号煤4个不同煤体结构的高煤阶煤样,通过等温吸附试验分析了不同煤体结构煤样在不同温度和压力下的吸附性能;同时对不同煤体结构煤样进行了低温液氮吸附实验,分析了不同煤体结构煤的孔隙结构特征,从煤体孔隙结构层面分析了不同煤体结构煤的吸附控制机理。结果表明：煤样升压吸附符合Langmuir等温吸附方程,饱和吸附量随煤体破坏程度的增加而增高,随着温度的增高而降低。随着煤体破坏程度的增高,孔容和比表面积也相应增大,孔容主要由中孔贡献,比表面积主要由微孔贡献,糜棱煤的孔容和比表面积在不同孔径阶段均最大,其次为碎粒煤、碎裂煤和原生结构煤;低温液氮吸附实验结果与等温吸附试验反映一致规律,这些说明,在同一地质条件下,煤体结构破坏越严重的地区煤层含气量越高。     

温吸附过程中不同煤体结构煤能量变化规律

煤吸附甲烷的过程中总是伴随动能及热量的变化,能量的变化是吸附的内在动力。对反映等温吸附过程中能量变化的相关特征参数的计算进行了推导,通过不同煤体结构煤的等温吸附实验,得到了不同温度下的相关吸附数据,计算出了不同煤体结构煤吸附甲烷过程中的能量变化值,并讨论了吸附过程中能量变化的微观机制。研究表明,糜棱结构煤的吸附能力最强,其次为碎粒结构煤、碎裂结构煤和原生结构煤;吸附势随吸附空间的增大而减小,吸附首先在微孔孔隙中进行,微孔的吸附势远大于中孔大孔的吸附势;吸附势和表面自由能总降低值的规律表现为糜棱结构煤>碎粒结构煤>碎裂结构煤>原生结构煤,揭示了煤吸附甲烷过程中的能量控制机理。     

固定碳对煤的孔结构和甲烷吸附量的影响

以4种不同固定碳质量分数的煤样作为研究对象,采用SEM表征其形貌,采用77 K时的N2吸脱附实验测定其比表面积、孔容和孔径分布,容量法测定其吸附甲烷的性能,并讨论煤的固定碳质量分数对其比表面积、孔容和吸附甲烷能力的影响。结果表明：当固定碳质量分数从70.17%增大到88.34%时,固定碳质量分数对煤的表面形貌、比表面积、孔容以及孔径分布的影响不显著;当固定碳质量分数从88.34%增大到94.45%时,煤的比表面积、微孔孔容分别增大1.84倍和5.06倍,孔径分布向微孔方向移动;Langmuir体积V L与固定碳质量分数（70.17%～94.45%）呈U型的二次多项式关系。     

赵庄井田3号煤孔隙特征研究

煤孔隙特征对煤层气赋存和运移具有关键作用,是煤层气勘探开发的重要基础理论和研究热点之一。为了研究赵庄井田3号煤孔隙特征,采用低温液氮吸附试验。结果表明:受多地质因素影响,不同样品煤孔隙特征表现出显著的分形现象,孔隙系统相对复杂、形态多样、连通性和渗透性较差;不同尺度孔隙均有发育,介孔最为发育,微孔和大孔发育一般;介孔的孔比表面积占绝大部分,微孔次之,大孔最小;孔容仍以介孔为主,大孔次之,微孔最小。     

储层温度下甲烷的吸附特征

通过对煤样处理,用低温氮气吸附法对其进行表征,采用自行研制的吸附装置,在不同温度（25,40,55 ℃）、不同压力(0~3.5 MPa)下进行甲烷吸附实验,以研究储层温度下甲烷在不同孔结构煤样上的吸附特征。采用Langmuir方程对数据拟合,得出孔结构的变化对甲烷吸附起着重要作用。处理后煤样的比表面积、孔容和微孔含量增加,导致煤样甲烷吸附量变大;随着吸附温度的升高,甲烷吸附量变小,压力越大这种变化趋势越明显;Langmuir饱和吸附量随温度的增大而减小。选用Polanyi吸附势理论拟合数据,结果表明：对于同一吸附体系,吸附特性曲线是惟一的,与吸附温度无关。处理后煤样的吸附势和吸附量增加,由此可见孔结构是吸附性能变化的重要影响因素。     

鄂尔多斯盆地东缘煤层气储集与产出条件

对鄂尔多斯盆地东缘58件煤岩样品进行块煤光片法显微裂隙测试、低温氮比表面测试和压汞孔隙结构测试.结果表明,鄂尔多斯盆地东缘煤储层孔裂隙系统具有以下特点：显微裂隙密度大多数在20～100条/(9 cm²)之间,构造活动强烈地区微裂隙发育增多;煤储层孔隙度相对较小,孔隙结构以小孔和微孔为主,大孔次之,中孔发育最差;BET比表面积总体较高,介于0.092～20.480 m²/g,煤储层吸附能力强.运用Q型聚类分析方法,划分出4类具有不同孔隙系统的储层,结合显微裂隙发育情况得出：Ⅰ类储层显微裂隙较发育,孔隙度大,孔隙结构合理,比表面积较高,为煤层气勘探开发的有利储层;Ⅲ类储层构造微裂隙发育,但渗透性差,孔隙度、比表面积较小,中孔不发育,为煤层气勘探开发的不利储层;Ⅱ类储层介于Ⅰ,Ⅲ类储层之间,为煤层气勘探开发的较有利储层;Ⅳ类储层微裂隙发育,孔隙度中等,大、中孔发育,渗透性能较好,但储层比表面积较低,限制了储层的吸附能力,为煤层气勘探开发的较有利储层.     

中梁山南矿构造煤吸附孔分形特征

采集华蓥山煤田中梁山南矿9个有代表性的煤层样品进行低温氮吸附实验,分析构造煤吸附孔分形特征及分形维数与气体吸附能力的关系。低温氮吸附、解吸曲线表明不同变形序列构造煤在相对压力0.5~1.0范围内吸附特征各异。在此基础上,运用分形FHH方法得到构造煤分形维数D。研究表明：分形维数D可以表征构造煤吸附孔孔径结构和孔表面的变化关系;分形维数越高,微孔含量越多,孔表面越不规则,孔隙结构非均质性愈强;分形维数大小可反映煤的吸附能力,分形维数增高,吸附能力增强。因此,由构造变形增强引起的高分形维数和复杂的孔隙结构显示出更高的吸附能力。     

三轴应力下软煤和硬煤对不同气体的吸附变形特性

为了深入研究煤体与瓦斯相互作用的变形特性,利用自主研发的三轴应力下煤样吸附变形动态测试系统,开展三轴应力状态下CO2和CH4气体在软煤和硬煤中吸附量以及吸附变形的动态测试试验,建立了三轴应力下煤样吸附气体变形模型。试验结果表明:① 软煤和硬煤在三轴应力条件下对CO2和CH4气体的吸附曲线符合Langmuir方程。三轴应力状态下软煤的吸附能力远大于硬煤的吸附能力,且两种煤样对CH4的吸附量都小于CO2。② 在应力恒定状态下,软煤吸附气体后的变形大于硬煤吸附气体后的变形。③ 软煤与硬煤在三轴应力下的吸附变形动态演化过程可以划分为初始快速变形阶段、缓慢变形发展阶段和变形稳定阶段3个阶段。④ 三轴应力下煤样的变形量随着吸附量的增加而增大。     

平顶山矿区主采煤层孔隙特征研究

对平顶山矿区主采煤层丁组、戊组和己组煤样进行低温氮气吸附试验,分析等温吸附-脱附曲线形态,计算孔体积和比表面积,研究了不同煤层的孔形态及其对瓦斯的吸附-解吸能力。实验结果表明:原始煤层煤样比表面积为0.026~2.988 m^2/g,以小于8 nm的孔为主;孔隙结构复杂,大量存在一端闭合孔和"墨水瓶"孔,增加了煤层瓦斯抽采难度。