低中煤级煤结构演化的FTIR表征

通过对28个最大镜质组反射率0.295%-2.047%镜煤样品的FT-IR分析,获得低中煤级煤结构的演化规律及机理。研究表明：煤化学结构主要由芳香结构、脂族结构和含氧官能团组成。煤的结构演化分为三个阶段,分别是镜质组反射率小于0.8%、0.8-1.3%和1.3-2.0%。在镜质组反射率小于0.8%阶段,以含氧官能团的脱落和脂肪类物质的富集为主;在镜质组反射率0.8-1.3%阶段,则主要是脂肪类物质的富集和支链化程度的增加或脂环化作用与芳香化作用的协同;在镜质组反射率1.3-2.0%阶段,则在镜质组反射率小于1.7%前,主要为脂肪类物质的热解断裂,而之后,则是随着脂肪类物质的断裂脱落,形成新的芳香结构体系。低中煤级阶段煤结构的演化特征与第一、二次煤化作用跃变的发生密切相关。     

煤的拉曼光谱特征

煤具有石墨微晶的特性,对煤微晶结构及其演化的研究在煤岩学、煤化学和煤地质学等领域均有极其重要的意义。通过对不同变质变形程度的煤进行拉曼光谱测试,发现煤微晶结构及其演化与拉曼光谱特征之间存在密切关系：一级模区分出5个峰,分别为D1~D4峰及G峰谱带,芳构化及芳环缩合作用的增强均会导致峰位差(G-D1)的急剧增大和半高宽比(G/D1)的急剧减小,拼叠作用则使得峰位差开始减小,半高宽比降幅减缓;二级模可区分出3个峰,分别为2D1峰、D1+G峰与2G峰谱带,低煤阶煤3峰难以区分,高煤阶煤3峰独立出现。这些特征表明煤中的石墨微晶经历了从小到大、从无序到有序的一个演化过程。同一煤层峰位差和半高宽比的差异反映出软煤分层的煤化程度略高于硬煤。可见拉曼光谱是一种研究煤结构的有效手段。     

不同煤级煤纳米力学性能的Micro-Raman结构响应北大核心

煤的力学性质具有非均质性及多尺度效应,从纳米尺度认识煤力学性质及与其组成结构之间的关系,是理解煤储层的压裂改造机制及裂纹扩展机理的关键。利用原子力显微镜和显微拉曼对不同煤级煤的镜质组进行测试,获得煤样的力学和结构参数。结果表明:镜质组的弹性模量E在0.66~7.58 GPa之间,且弹性模量随镜质组最大反射率Ro的增加而增加;同时随着Ro的增大,拉曼结构参数呈现有规律的变化;将弹性模量E与拉曼结构参数建立关系,发现(G-D)峰位差、多环芳烃的相对含量与致弹性模量均呈现明显的正相关关系,FWHM-G与E呈现负相关关系,反映了结构有序度的增加会导致弹性模量增大,表明随着成熟度的增加,促使大分子结构排列紧密且分子间作用力增大,导致弹性模量也随之增大。     

韩城矿区构造煤拉曼光谱特征及分子结构响应

为了能够有效地分析不同类型构造煤内部大分子的结构变化特征,本文利用激光拉曼显微探针对韩城矿区构造煤进行测试,利用Origin7.5对拉曼谱峰进行分峰,得到拉曼光谱参数,定性判定不同构造煤内部大分子结构的改变规律。结果表明:不同类型构造煤(碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤)在测试频率范围内,都存在明显的两个谱峰,分别为D峰1346~1360cm~(-1)和G峰1580~1592cm~(-1),两峰的半峰宽分别为200~250cm~(-1)和60~90cm~(-1)。D峰峰位随着最大镜质体反射率(Ro,max)的升高而向低波数段区移动,G峰峰位随着Ro,max的增大而向高波数段区移动。碎裂煤和碎粒煤的D峰面积和G峰面积与Ro,max存在很好的正相关性;糜棱煤的D峰和G峰面积与Ro,max的相关性不强。构造变形对焦煤的分子结构影响较大,对瘦煤影响比较微弱。     

淮北袁店8煤岩浆热蚀变的微组构响应

选取袁店8煤层内碎裂煤、焦油煤、天然焦和火夹焦为研究对象,研究其显微图像和拉曼光谱特征,揭示不同变质程度煤微组构特征及其对岩浆蚀变的响应。结果显示,碎裂煤以均质镜质体为主,微裂隙网脉发育,ID=3 500~7 300,IG=5 000~12 000;焦油煤由碎裂镜质体和少量煤焦油组构,ID和IG均介于1 000~3 500;天然焦由碳质中间相及其内部所包裹的气泡和焦油液滴组成,ID=430~700,IG=380~650;火夹焦由焦化基质及较小气泡和少量矿物微球组成,ID=920~1 560,IG=640~910。分析显示,趋近岩体,碳质组分由干燥破裂、挤压破碎向中间相和熔融态转变;碳质组分拉曼光谱IG/ID值逐渐降低。这表明,趋近岩体,煤层遭受破坏和变质程度逐渐增强,煤分子片层持续解聚,层间缺陷不断增加,碳质组分的结构有序度逐渐降低。     

沁水盆地北部中高煤阶煤结构的FTIR特征研究

为了研究中高煤阶煤中官能团的变化特征,以采自沁水盆地北部不同变质程度的10个煤样为研究对象,采用傅里叶变换红外光谱仪对样品进行了红外光谱(FTIR)分析。通过对FTIR曲线分峰拟合,可以获得煤中脂肪结构、含氧官能团和芳香结构的相对含量。研究结果表明:中高煤阶煤中,脂肪结构含量较低;芳香结构中,只有一个邻近氢原子的芳香环含量最高,芳香结构被替代的程度高;含氧官能团中,醚氧逐渐成为含量较高的含氧官能团,表明以醚氧形式存在的氧原子稳定性强。通过对煤样的最大镜质体反射率R_(max)进行测试,探讨样品红外结构参数与R_(max)的相关性,发现随R_(max)(1.1%～2.7%)的增大,芳香度增大,芳香结构的缩聚程度增加,反应生烃潜力的‘A’因子降低,表明在此阶段煤化作用的结果是芳香烃类物质增多。     

不同变质程度煤吸附能力影响因素研究

为研究不同变质程度煤吸附能力的主控因素,通过显微组分分析、压汞试验、液氮试验以及等温吸附试验,分析了不同煤阶煤吸附能力差异。结果表明,研究区中煤的镜质组反射率R_o=0.44%~3.20%,兰氏体积为9.11~30.24 m~3/t,且随煤阶的增高逐渐增大;孔隙度、BET比表面积、微孔体积随煤阶的增高呈现高-低-高的变化规律,在R_o=1.9%左右时达到最小值,其影响着煤储层的吸附空间,但并不能主导煤储层吸附能力的变化;孔隙形态方面,墨水瓶孔对储层吸附能力控制较强;显微组分方面,镜质组含量在中低煤变质阶段对煤储层吸附能力起一定控制作用,在高变质阶段,惰质组中丝质体对储层吸附能力的控制更强。     

烟煤镜质组平均最大反射率与煤种之间的关系

运用制定《中国煤炭分类》国家标准所依据的近600个烟煤煤层煤样实测数据,分析了中国不同煤种烟煤镜质组平均最大反射率的分布范围,探讨了烟煤镜质组平均最大反射率与中国煤分类系统之间的关系.研究表明：镜质组反射率与煤种之间的关系较复杂,特别是在中低变质烟煤阶段,相同变质程度煤往往归属于不同煤种,受煤岩组成和还原程度的影响较大.但总的来说,烟煤镜质组反射率与煤种之间的关系规律性明显.     

高煤阶煤的阶跃性演化机理研究

通过对镜质组反射率的测定、X衍射及显微傅立叶变换红外等实验对高煤阶煤的成分及结构进行了详细的分析，认为高煤阶煤演化具有明显的阶跃性特征。在镜质组最大反射率大于4．5％阶段，高煤阶煤的演化历程表现为环聚合作用与拼叠作用相辅相成、交替进行，从而促使煤阶不断升高。     

陕西凤县高煤级煤结构演化

通过X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)以及激光拉曼光谱(Raman)等手段,对陕西凤县地区石炭系草凉驿组一系列不同变质程度中高级无烟煤进行研究,建立起该地区煤化程度与碳物质结构有序度的对应关系。结果表明:镜质体对外界温度的变化敏感,镜质体反射率越高,则煤化程度越高。随着煤化程度的升高,煤的芳香片层单层距离、层片直径、平均堆砌厚度、堆砌层数都增大,但均不为线性增大。煤在石墨化过程中,发生孔隙闭合,芳香片层增大,多个片层联结,片层边缘发生卷曲的现象;构造应力与岩浆活动会加快煤向石墨转化速度。     

密闭空间煤粉气动分散湍流对爆炸参数的影响规律

采用自行设计的20 L长径比1∶1圆柱形透明有机玻璃罐、铸铁爆炸实验罐及对称式双喷头气动喷粉分散装置,研究了气动湍流强度、煤粉粒径及其爆炸特性,获得了不同实验条件下煤尘的爆炸特征参数,并给出了定量评价。实验结果表明在不同气动分散作用下,湍流均方根速度Urms测得1.1~6.2 m/s,平均湍流积分尺度在40~72 mm,雷诺数在8 000~16 300;爆炸超压峰值随湍流均方根速度呈线性增长,而爆炸超压上升速率Urms在1.1~3.5 m/s范围增速明显,Urms在3.5~6.2 m/s范围增速变缓。较大的湍流强度虽然具有加速煤粉与空气充分预混及自身反应,但同样导致对煤粉粒径间的传热传质效率下降;由最大有效燃烧速率理论计算与实验结果对比,也间接性的验证了实验结论的一致性。     

低煤阶煤的煤岩成分液化性能及实验研究

以西北侏罗纪煤中的镜煤和丝炭为研究对象,液化实验结果表明：同一变质程度的镜煤的液化转化率（9067%）、油产率（5888%）均高于丝炭;而不同变质程度的镜煤和丝炭,因其结构和性质的差异,随变质程度的增高,液化性能整体呈降低趋势。镜质组和惰质组分别作为镜煤和丝炭的主要物源,形成于截然不同的泥炭沼泽环境,致使结构和性质差异大。显微组分特征、红外光谱和分子结构模型分析表明：镜煤中活性组分含量高,H含量和脂肪氢含量高,大分子结构模型中21个单芳环,具有芳香性的吡咯环2个;丝炭中活性组分含量低于镜煤,含氧官能团多,碳含量和芳香氢含量高,大分子结构模型中14个单芳环、6个双芳环、1个三芳环,具有芳香性的吡咯环2个。     

华北区域不同煤阶样品孔隙结构特性研究

为探求华北区域煤样的孔隙发育特征,采用压汞法对采自此区域不同煤阶样品孔隙结构和分形维数进行研究。研究结果表明,煤体孔容和比表面积分别由大孔和微孔发育情况所决定,且100nmD1000nm范围内中孔相对不发育;随着Ro,max变化,煤体孔容和比表面积均呈现两端高大中间低的曲线形态;煤样中大于50.4~95.4nm孔径具有分形特征,此孔径范围主要包括部分过渡孔、中孔和大孔,并且随着Ro,max的增加,分形维数整体呈现降低的趋势。     

孔隙煤体峰后应变软化及其对工作面冲击地压的影响

基于孔隙煤体SEM结构分析,在煤本构模型中引入损伤参数,结合煤块单轴应力-应变试验曲线,对煤体峰后应变软化性能与表征煤强度分布特征的Weibull参数之间的关系进行了探讨,得到Weibull参数m值与煤峰值强度后线性降模量λ之间的拟合关系,反映了煤体损伤程度对其峰后应变软化的影响。并基于能量原理,分析出煤体峰后应变软化是采煤工作面发生冲击地压的必要条件,将孔隙煤体的本构关系简化为双线性应力应变关系,结合工程实例计算了发生冲击地压时煤体峰后应变软化的临界范围与Weibull参数取值范围,对孔隙煤体峰后应变软化及其对冲击地压的影响程度做出了定量评价。     

亚铵法黑液制添加剂及其制浆性能研究

通过对亚铵法造纸黑液磺化、缩合、改性复配制取的水煤浆添加剂可明显降低水溶液的表面张力 ,具有良好的分散性能。工业试验表明 ,针对义马煤和鲁南配煤该添加剂的制浆性能均满足工业德士古水煤浆气化炉的要求 ,实际应用最佳添加量范围在 0 8%～ 1 6 % ,对鲁南配煤最高制浆浓度达 6 9% ,煤浆稳定性能良好     

淮南潘集外围深部煤层气地球化学特征及成因

潘集外围深部煤层气甲烷碳氢同位素分布及其成因对该区煤层气藏的形成和分布规律、煤层气资源评价均具有重要意义。采集了潘集外围深部主要煤层共25件煤样,通过解吸实验获得解吸气样进行了组分、甲烷稳定碳氢同位素测试,分析了深部煤层气组分及稳定同位素分布特征,探讨了煤层气稳定碳氢同位素随埋深的变化特点,结合煤层气形成与演化过程、煤的变质程度分析了煤层气稳定同位素的地质影响,通过Whiticar成因图版揭示了深部煤层气成因,结合相关经验模型估算了煤层气不同成因来源气所占比例。研究结果表明:深部煤样解吸煤层气中CH4含量介于16.2%~96.68%,平均为71.60%,重烃含量介于0.35%~32.13%,平均为9.86%,N2含量介于0.13%~74.72%,平均为21.20%,CO2含量介于1.62%~27.26%,平均为7.30%。自浅部至深部煤层甲烷碳同位素变化于-45.46‰~-31.17‰,平均为-40.92‰,甲烷氢同位素变化于-199.99‰~-133.87‰,平均为-178.04‰,稳定碳氢同位素具有随深度增加偏重的特点。构造热演化史表明研究区煤层气以热成因气为主,兼有生物气可能,研究区煤层Ro,max介于0.702 2%~0.998 3%,主要为气-肥煤,生成的煤层气为湿气,油型气的输入使得δ13C1偏重。Whiticar成因图版分析表明研究区煤层气为以热成因为主,经历了后生改造作用的混合气。估算结果表明13-1煤、11-2煤、8煤、7煤、6煤、5煤、4煤、3煤、1煤生成的煤层气中热成因气比例超过80%,生物气主要由CO2还原作用所形成。     

综采工作面基本顶厚跨比对其初次断裂失稳影响规律

综采工作面基本顶初次断裂失稳机理对工作面支架选型及采场围岩稳定性控制至关重要。通过建立顶板力学模型分析得出:综采工作面基本顶初次断裂前,基本顶厚跨比从初始状态减小趋近极限状态时,其内部最大主应力σ1与最大剪应力τmax均逐渐增加;当厚跨比接近02时,σ1与τmax均出现陡增,但σ1增加速率大于τmax,易在基本顶两端顶部发生断裂,且基本顶初次断裂时极限厚跨比n1一般大于02。在不发生滑落失稳条件下,基本顶极限厚跨比n1随回转角θ的增大近似呈线性增加;证明了基本顶铰接结构回转初期(θ为0°～3°)易发生滑落失稳。在仅考虑厚跨比影响的条件下,基本顶铰接结构发生回转失稳的临界条件为极限厚跨比n1=0624。然而,当n1<0624时,回转极限平衡角大于岩块回转平衡角所允许的最小值时,亦会造成铰接结构回转失稳。同时,在考虑支架弹性变形的基础上,建立了基本顶铰接结构滑落失稳对工作面支架动载系数计算方法,当直接顶与基本顶离层量Δh为0时,动载系数Fsd取最小值;Δh不为0时,Fsd随Δh增加而增大,但随直接顶与支架刚度之比、直接顶自重与基本顶传递载荷之比增加而减少。最后,通过对不同综采工作面初次来压时支架工作阻力与动载系数进行计算,验证了理论分析的有效性。