论文部分内容阅读
我国煤储层具有高储低渗的特点,这一特点在高变质无烟煤层更为突出,严重制约了煤层气抽采效率的提高。强化煤层气抽采在资源利用、煤矿安全生产和改善大气污染等方面都具有重要的实际意义。已有研究表明温度冲击可有效促进煤层裂隙延伸和贯通,但目前的研究少有涉及到温度冲击对煤体甲烷吸附-解吸特性的影响。本文对采自沁水盆地晋城寺河煤矿二号井太原组第一岩段顶部15号煤层15303工作面的无烟煤进行了温度冲击改性实验,并对温度冲击改性前后无烟煤样的甲烷吸附解-吸特性的变化规律及其影响机理进行了研究。论文的主要工作和结论如下:（1）采用SN-GDCJ-150高低温冲击试验箱对无烟煤样进行了温度冲击改性实验。实验方案为4因素4水平组成的16组实验的正交方案。所选取的4因素4水平为高温温度50、100、150、200℃;低温温度-10、-30、-50、-70℃;作用时间10、30、50、70 min;循环次数1、3、5、7次。将正交实验方案中各实验方案的高温温度和低温温度的温差与实验所用的高低温冲击试验箱的温度转化时间（10 s）相除,得出各实验方案所对应的升降温速率,以便进一步分析温度冲击改性实验中升降温速率（温差）、高低温作用时间、循环次数对无烟煤甲烷吸附-解吸特性的影响规律。（2）采用3H-2000PHD型高压瓦斯气体吸附及脱附速率分析仪对改性前后无烟煤样进行了甲烷吸附-解吸测试,得出了无烟煤甲烷吸附-解吸特性随温度升降速率、高低温作用时间、循环次数的变化规律。结果表明:随温度升降速率（温差）的增大,作用时间的延长,循环次数的增加,改性无烟煤样的甲烷最大吸附量呈减小规律,Langmuir压力呈增大规律;煤样的甲烷最终解吸率呈增大规律,扩散系数呈增大规律,表明温度冲击可有效抑制无烟煤对甲烷的吸附,有效促进其对甲烷的解吸。采用极差法对实验结果进行分析,得到4因素对改性后无烟煤甲烷吸附-解吸特性影响由强到弱的排序为:温度升降速率（温差）、高低温作用时间、循环次数。（3）采用Nicolet iS5型傅里叶变换红外光谱仪对改性前后无烟煤样的表面基团进行了测试,分析了不同改性方案对煤样表面基团的影响规律,进一步揭示温度冲击改性对无烟煤甲烷吸附-解吸特性的影响机理。结果表明:随温度升降速率（温差）的增大,作用时间的延长,循环次数的增加,3200～3600、1300～1500、950～1150波段的峰面积呈增大规律,2800～3000波段的峰面积呈减小规律。3200～3600、1300～1500、950～1150波段对应的是多种含氧基团的伸缩振动,2800～3000波段对应的是-CH2和-CH3的伸缩振动,峰面积代表基团的数量,即温度冲击作用使无烟煤表面的含氧基团数量增加,-CH2和-CH3的数量减少。含氧基团数量的增加主要是由于温度冲击加强了煤表面的氧化反应,并且促进了键合力较弱的氢键的断裂,氢键被氧化成羟基。-CH2和-CH3的数量减少主要是由于温度冲击使煤表面的环烷烃和芳香烃结构发生断裂,导致-CH2和-CH3发生脱落。在煤表面基团影响无烟煤吸附-解吸特性方面,含氧基团数量的增多从极性排斥作用增强和吸附点位减少两方面对无烟煤吸附甲烷气体分子起到抑制作用,-CH2和-CH3主要与煤表面的吸附势阱有关,其数量减少削弱了煤表面对甲烷气体分子的吸引力。采用极差法对实验结果进行分析,得到4因素对改性后无烟煤样表面基团影响由强到弱的排序为:温度升降速率（温差）、高低温作用时间、循环次数。（4）采用JC-2000D型接触角测量仪对改性前后无烟煤样的煤-水接触角进行了测试,通过接触角的变化揭示了温度冲击对煤样表面能的影响,进一步分析了表面能变化对无烟煤甲烷吸附-解吸特性的影响机理。结果表明:随着温度升降速率（温差）的增大,作用时间的延长,循环次数的增加,改性无烟煤样的平均接触角呈减小规律,表面能呈增大规律。平均接触角减小主要是由于煤表面孔隙发育导致粗糙度增加,导致煤表面与液滴之间的粘附力增强;另一方面温度冲击使煤表面亲水性极性含氧基团的数量增加,疏水性非极性基团数量减少,煤表面的亲水性增强,从而导致煤-水接触角减小。采用极差法对实验结果进行分析,4因素对改性后无烟煤样平均接触角和表面能的影响由强到弱的顺序为:高低温升降速率（温差）、高低温作用时间、循环次数。（5）采用ASAP2020系列全自动快速比表面积及孔隙度分析仪对改性前后无烟煤样进行了孔隙结构的测试,具体包括比表面积、孔容、平均孔径、最可几孔径分布等,分析了不同改性方案对煤样孔隙结构的影响规律,进一步揭示温度冲击改性对无烟煤甲烷吸附-解吸特性的影响机理。结果表明:随着温度升降速率（温差）的增大,作用时间的延长,循环次数的增加,改性无烟煤样的比表面积呈减小规律,孔容和平均孔径呈增大规律。比表面积减小主要是由于温度冲击促进中大孔隙发育,微小孔数量减少;孔容和平均孔径增大主要是由于中大孔数量增多。在孔隙结构影响无烟煤吸附-解吸特性方面,平均孔径增大表明微孔的数量减少,而微孔的内表面是甲烷气体分子的主要吸附场所,比表面积减小会减少煤表面对甲烷气体分子的吸附位,孔容增大会减弱煤表面对甲烷分子的束缚能力,在抑制煤表面对甲烷气体分子吸附的同时,也促进了煤表面对其解吸。采用极差法对实验结果进行分析,4因素对无烟煤样孔隙结构影响由强到弱的排序为:温度升降速率（温差）、高低温作用时间、循环次数。