不同变质程度煤孔隙结构特征研究

为揭示不同变质程度煤的吸附解吸性能,采用低温液氮实验研究不同变质程度的煤孔隙结构特征。结果表明:无烟煤存在大量开放型孔隙,贫瘦煤、焦煤存在大量一端封闭的孔隙;无烟煤的比表面积最大、焦煤的比表面积最小,贫瘦煤的比表面积居中。无烟煤对瓦斯的吸附能力最强,其次是贫瘦煤,焦煤最弱;无烟煤的分形维数最大,贫瘦煤的分形维数居中,焦煤的分形维数最小。随着变质程度的增加,孔隙结构变得复杂,孔隙粗糙度增加。     

不同变质程度煤自燃指标气体优选

指标气体作为预测预报煤炭自然发火的主要手段得到广泛应用,而其关键问题在于指标气体对煤自燃预测的灵敏度与准确度。总结前人研究成果,根据指标气体选取原则,在此基础上进行不同煤种煤样实验研究。采用程序升温-气相色谱试验,分析煤自燃氧化过程气体产物与温度之间的关系,选取各煤种适宜的指标气体,并以温度为参考对各气体预测指标进行灰色关联度分析,从中筛选出关联度最高的前3种气体预测指标作为主要预测指标与辅助指标,从而提高煤炭指标气体预测预报指标的可信度。     

不同变质程度的软硬煤瓦斯解吸规律研究

采用自制的吸附/解吸实验装置对不同变质程度的软硬煤进行了瓦斯解吸实验,结果表明:软煤的吸附能力大于硬煤的吸附能力;同一吸附平衡压力下,软煤的解吸量大于硬煤的解吸量,且随着变质程度的增加,煤的瓦斯解吸量逐渐增大;解吸量与时间之间的关系可采用孙重旭式进行表示。为准确测定煤层瓦斯含量,预测煤与瓦斯突出等奠定理论基础。     

不同变质程度煤自燃特性实验研究

利用程序升温实验装置对不同变质程度的煤进行氧化升温实验,对实验过程中的临界温度变化,CO、CO_2、CH4浓度变化等的关系进行分析。分析结果表明:煤的临界温度随煤的变质程度增加而升高64.79℃(长焰煤)、69.86℃(不黏煤)、71.23℃(气煤);CO、CO_2、CH43种气体升温过程中的浓度变化随变质程度的增加而减小;煤的氧化自燃倾向性在一定程度上随煤的变质程度的增加而降低。     

鲁西南地区煤变质演化的热动力学模式及其特征

以历史分析法为原则,对构造史、沉积埋藏史和热演化史作三位一体的研究,得出：鲁西南地区煤变质演化经历了4次构造发展阶段,形成了3种不同的地质历史模型;煤的热演化划分为均衡、差异和减缓3个阶段;深成变质作用具有普遍性、长期性和阶段性变化的特点,而区域岩浆热变质是一部分煤田煤级增高的主要原因。     

低变质程度煤的热导率与元素组成

利用 QTM—D2型快速热导率测定仪,对不同煤种的140多个煤样进行了热导率值的测定,根据大量的测定数据对煤的热导率与煤的含碳量、挥发分、水分、灰分之间的关系进行了分析。并对低变质程度的煤的热导率进行了数据处理,推导得出了用煤的工业分析和元素分析值来计算煤的热导率的经验公式,并指出了应用范围。     

不同变质程度煤燃烧阶段链烃生成规律

为研究封闭火区内不同煤种生成气体组分及变化规律,选取平庄矿褐煤、王营矿气煤、朱仙庄矿焦煤和马堡矿瘦煤为试验煤样,通过热重确定了煤燃烧阶段的温度范围。采用双管电炉自制程序升温燃烧试验对4种不同变质程度的煤进行燃烧,对生成的链烃初现温度、体积分数及氧浓度变化规律进行了分析。研究结果表明:褐煤、气煤、焦煤和瘦煤燃烧阶段温度分别为247~433,279~542,313~574和333~618℃;煤变质程度越高,则其生成链烃气体的体积分数越小且耗氧量越大。当发生火灾事故且封闭火区后,可以综合考虑煤变质程度与火区监测的链烃生成量等因素,并根据链烃气体与温度的变化规律判定封闭火区火势发展状况,为进一步开展灭火奠定基础。     

煤变质程度对高温气化反应性的影响

采用高温固定床,在1 200℃～1 400℃内,对比分析了褐煤、烟煤和无烟煤的气化反应性,详细探究了煤变质程度对高温气化反应性的影响。实验结果表明:3种煤的气化反应性均随气化温度的升高而增加,在1 400℃下煤的反应性差异仍然可见;煤的变质程度对高温气化反应性的影响明显,反应性的大小依次为褐煤、烟煤和无烟煤。     

不同变质程度煤的孔径分布及其对吸附常数的影响

为研究煤的纳米级（<100 nm）孔径对吸附常数的影响,对9种不同煤样的孔径分布和吸附常数进行测试,测试结果表明：煤的变质程度越高,吸附常数a值越大,吸附常数a值随着煤变质程度的降低呈现出线性减小的趋势。煤的变质程度对大孔（>1 000 nm）孔容的影响较大,对微孔（<10 nm）比表面积的影响较大。采用曲线相似度法分析吸附常数a和b的主导因素,结果表明：纳米级孔比表面积决定煤的吸附能力,吸附常数a随着纳米级孔比表面积增加呈线性增加;纳米级孔的容积决定煤的吸附速率,吸附常数b随着纳米级孔容积的增加亦呈线性增加。     

加压速率对不同变质程度煤吸附性能的影响研究

为研究不同加压速率对吸附性能的影响,采用美国康塔仪器公司研制的i Sorb HP2高压气体吸附分析仪对门克庆矿、沙曲二矿、阳泉五矿3种不同煤阶煤样,进行了不同加压速率下的瓦斯吸附常数对比测试。结果表明,加压速率对瓦斯吸附常数影响非常明显;对特定煤阶煤样,随着加压速率增大,吸附常数a有减小趋势,吸附常数b有增大趋势,煤阶越高,瓦斯吸附常数受加压速率的影响程度越大。因此,对于不同煤阶煤样,加压速率应适当调整,以提高其指导现场应用的作用。     

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。     

我国西部弱还原程度煤分布及煤质特征研究

以详实的原始测试数据为资料,分析了我国西部弱还原程度煤的煤岩、煤质总体特征.研究表明,与同变质程度的其它地区煤相比,西北侏罗纪弱还原程度煤中惰质组及过渡组分含量较高,导致其挥发分产率较低,氢含量低、氧含量相对较高,黏结性较弱,煤种以不黏煤和弱黏煤为主.沉积环境的弱还原程度主要对中低变质程度烟煤的性质有明显影响.     

低中煤级煤结构演化的拉曼光谱表征

对28个最大镜质组反射率为0.30%~2.05%镜煤样品的Raman谱图进行拟合,获得拉曼结构参数。随着煤样镜质组最大反射率增大,拉曼结构参数发生有规律变化,显示出煤结构演变的复杂性。结果表明:D_1和G的位置、峰位差(G-D_1)及G的半峰宽与反射率存在良好的相关关系,D_1与G半峰宽的比值(ID_1/IG)随反射率的增大也呈现出明显的分段性。在此基础上得到煤的结构演化分为3个阶段,分别是镜质组反射率0.3%~0.8%,0.8%~1.6%和1.6%~2.0%。在镜质组反射率0.3%~0.8%阶段,D_1向低波数移动,而G向高波数移动,G的半峰宽呈现递减趋势,表明煤结构朝有序结构演化,同时,D_1的半峰宽无明显规律,ID_1/IG的变化不明显,反映芳香体系的形成比较缓慢;在镜质组反射率0.8%~1.6%阶段,煤中D_1和G的位置、峰位差和G半峰宽出现极值,响应了第2次煤化跃变;在1.6%~2.0%的阶段,各参数逐步稳定,表明煤中微晶结构基本稳定,G峰半峰宽继续减小显示芳香结构的增大过程。     

不同变质程度煤镜质组活性质量研究

为更准确地定量描述不同变质程度煤镜质组的相对活性质量差异,考察14种单煤添加不同比例惰性物测定的表观黏结指数G′值随镜质组含量的变化规律。研究表明,G′值对镜质组含量的线性关系显著,采用拟合出的线性方程的斜率倒数1/k作为考察镜质组活性质量的指标,可排除各单煤镜质组含量差异的干扰,更准确地揭示了不同变质程度煤镜质组活性质量的变化规律。论证了筛选出的高斯曲线模型是描述不同变质程度煤镜质组活性变化规律的最优模型,据此给出了不同变质程度煤镜质组相对活性质量。     

不同煤阶煤分子表面吸附水分子的机理

采用量子化学方法中包含色散矫正的密度泛函理论(DFT-D3),对4种不同煤阶(无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤)的煤分子表面吸附水分子的微观机理进行研究。通过优化煤分子表面吸附水分子的平衡构型,对煤分子表面进行静电势分析,计算相互作用能,并通过约化密度梯度(RDG)判断水分子在不同煤阶煤分子表面的作用类型。研究表明,煤分子与水分子间最大相互作用能为-11.91 kcal/mol,煤吸附水的过程属于物理吸附,且相互作用能的大小由弱相互作用力的类型和作用力个数共同决定。褐煤具有较大静电势的分子表面积最多,褐煤更易与极性水分子形成相互作用。4种不同煤阶煤分子吸附水分子的最大相互作用能大小顺序为:褐煤次烟煤烟煤无烟煤。各煤阶最大相互作用能对应的平衡吸附构型下煤分子与水分子的作用类型依次为:范德华作用力,氢键作用,氢键与范德华作用力的共同作用,两个氢键的共同作用。     

不同煤级煤分级萃取后的XRD结构特征及其演化机理

基于溶剂萃取的方法,采用苯、CS2、丙酮以及THF等4种溶剂对褐煤、焦煤、低级无烟煤、中级无烟煤等进行分级超声萃取,并借助于X-射线衍射法,对原煤及其萃取物的微晶结构参数进行了测试。研究发现:①随着煤级的变化,溶剂的分级萃取率呈现相同的变化趋势,焦煤的萃取率最大,其次是褐煤,无烟煤萃取率最小;②4个煤样中,THF溶剂的可溶组分最多,其他3个溶剂的萃取率对比关系因煤级不同而略有差异,原因在于萃取率受到煤的显微组分和小分子化合物组成影响;③与原煤相比,萃余物的芳香层间距d002减小,而堆砌度Lc、延展度La均略增大,计算得到的芳香层片堆砌层数增多;④溶剂萃取条件下,煤的不同微晶结构参数的变化机理不同,表现为La主要与溶胀度有关,Lc受溶胀度和小分子相的溶出量有关,d002则是溶胀作用,小分子相溶出量以及溶剂分子的填充情况共同作用的结果;萃取后,芳香层片堆砌层数N的增加是由于Lc和d002变化后的计算效应引起的,而非事实上的增多。     

不同煤级煤四氢呋喃阶段萃取物的化学组成与动力学机制

为了探讨溶剂萃取过程中不同煤级煤的小分子化合物溶出行为及其机制,以四氢呋喃(THF)为溶剂,对褐煤、长焰煤、肥煤、贫煤和无烟煤进行了分次索氏萃取,借助于柱层析法和气相色谱-质谱联用仪(GC-MS),分析了不同分馏时间段各类煤的萃取率、族组成和化学组成的差异及其实质。结果表明:煤的萃取过程可划分为2个阶段,其中第Ⅰ阶段萃取速率远大于第Ⅱ阶段;相比于第Ⅰ阶段,第Ⅱ阶段的萃取物中烃类含量较低,非烃类含量较高;除了褐煤以外,随着萃取时间的增加,其他煤的萃取物中化合物的种类逐渐减少;各类煤的萃取物中,杂环化合物含量高且种类多,相比而言芳烃在中级烟煤萃取物中含量较高,而脂肪烃中长链烷烃在中低级煤萃取物中含量较大。     

不同变质程度煤二次氧化自燃的微观特性试验

为探讨煤二次氧化特性,采用煤质分析、FTIR傅里叶红外光谱分析和程序升温实验分别对榆树井褐煤、黄陵烟煤和汝萁沟无烟煤的原始煤样及其氧化后（二次氧化）煤样进行微观自燃特性对比研究。结果表明：二次氧化煤样中C含量减小,O含量增大,水分减少;而比表面积与孔隙率增大,导致与氧发生反应的面积增大,致使氧化反应前期二次氧化过程中产生的CO浓度大于一次氧化。随着温度的升高,氧化反应后期煤分子中羟基、脂肪烃等活性官能团数量随之变化并大量消耗和再生,裂解产生C2H4气体,导致二次氧化过程中产生的CO浓度和C2H4浓度小于一次氧化。此外,二次氧化煤样特征温度点均提前于原始煤样,使得发生自燃的时间提前,说明二次氧化煤样氧化性强于原始煤样,更容易自然发火。     

不同煤化程度煤的热解及氮的释放行为

采用热重-红外-质谱联用技术（TG-IR-MS）,对4种不同煤化程度的煤进行热解实验,实时记录了煤在30~1 100 ℃,以10 ℃/min升温速率、氦气气氛下热解过程中的质量变化和生成气体成分。研究结果表明：随着热解温度的升高,煤中逐渐释放出氮化物,如HCN,NH3等。不同煤化程度的煤具有不同的N释放行为。气煤、焦煤、1/3焦煤等主要以NH3与HCN两种形式释放,无烟煤热解时主要是以NH3形式释放。煤热解释放的HCN和NH3来源于不同的氮。 HCN可能主要来源于煤分子边缘的五元环吡咯氮和六元环吡啶氮,而NH3主要来源于煤分子内部的季氮。NH3的释放经历了2个阶段:低温（550 ℃）阶段为煤中挥发分的初级热解产物;高温（750~850 ℃）阶段为煤中挥发分的二次热解产物。     

甲烷及二氧化碳在不同煤阶煤内部的吸附扩散行为

采用容量法确定吸附量的方法,基于Fick第二定律,在吸附平衡压力约为1.4 MPa,温度为35～65 ℃的实验条件下,研究了甲烷（CH4）和二氧化碳（CO 2）在不同煤阶煤内部的吸附扩散行为。研究结果表明：Fick第二定律能够很好地描述CH 4及CO 2在不同煤阶煤内部的扩散行为;CH 4和CO 2有效扩散系数随着吸附温度的升高而增大,同时有效扩散系数和煤阶（利用镜质组最大反射率R o,max表征）之间呈现“U”形关系;相同条件下,同种煤样的CO 2有效扩散系数高于CH 4;CH 4和CO 2在不同煤阶煤内部的扩散主要受微孔内部的表面扩散控制。