不同变质程度煤中镜质组的元素分布特征:基于Raman和原位微区XRF分析

为明确煤中元素与有机质之间的关系,本文选择山西太原西山煤田6个矿区石炭系—二叠系太原组8号煤层煤样(镜质体最大反射率为1.26%~2.03%)为研究对象,挑选其中的镜煤条带,利用激光共聚焦拉曼光谱仪(Raman)选出镜质组,结合微区X射线荧光光谱仪(μ-XRF)对镜质组中元素含量和分布特征进行分析,试图探讨不同变质程度煤中镜质组的拉曼光谱和元素的耦合关系。研究发现,镜质组中仍然存在着大量的纳米级矿物,在实验操作过程中即使Raman光谱的结果限定了有机组分,但是由于束斑大小的差异,μ-XRF测试时不可避免的受到了煤中纳米级矿物的影响;Al、Si、K、Ti、V、Fe、Co、Ca主要赋存于镜质组中的纳米级矿物中,Ni、Zn、Ga、Ge、Br、S则主要以有机结合态的形式存在。

不同变质程度煤的吸附瓦斯动力学特性实验研究

为了进一步揭示不同变质程度的煤在不同吸附压力下的动力学特征,利用自主研发的TQY-2型精密吸附仪和红外热成像装置对直径为8.5 mm的褐煤、焦煤和无烟煤煤样进行不同压力(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa)下的宏观吸附试验和吸附压力为(0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 MPa)的煤体细观结构吸附试验,利用准一级、准二级、颗粒内扩散、Elovich以及双常数等吸附动力学模型分析吸附瓦斯规律及机理。研究表明:对比5种吸附动力学模型,准二级吸附动力学模型适合表征褐煤和焦煤的吸附瓦斯过程,而无烟煤的最优模型为颗粒内扩散模型;随着吸附压力升高,褐煤和焦煤的准二级吸附速率常数k2逐渐增加,无烟煤的颗粒内扩散速率常数kp也逐渐增加,均呈正相关;吸附压力对煤样适合的动力学模型影响较小;在宏观吸附和基于红外热成像的煤体细观结构吸附实验下,煤样适合的动力学模型一致。

不同变质程度煤氧化特征指标量化分析

为了研究不同变质程度煤氧化特征指标变化规律,采用程序升温实验系统分别对不黏煤(BN)、气肥煤(QF)和1/3焦煤(1/3JM)氧化过程进行了测试分析,确定了不同氧化阶段的表观活化能,量化计算了煤自燃极限参数变化特征。结果表明:低变质程度煤的表观活化能比高变质程度煤的低,BN、QF、1/3JM煤样平均表观活化能分别为39.90、65.28、69.43 kJ/mol,煤的表观活化能与其变质程度呈正相关关系,低变质程度煤自燃危险性更高;同一煤种不同阶段的表观活化能也不相同,BN、QF和1/3JM煤样阶段一表观活化能分别为55.28、75.05、80.79 kJ/mol,阶段三则分别为23.23、59.07、61.50 kJ/mol,整体随氧化反应深入而降低;3个煤种自燃极限参数极值点温度分别为50.3、61.5、59.7℃,低变质程度煤比高变质程度煤的极值点温度要低;相同条件下,低变质程度煤最小浮煤厚度和下限氧气体积分数更小,上限漏风强度更大,更容易发生自燃,而变质程度相近的煤种,其氧化特征参数接近。

不同变质程度煤尘润湿性差异的^(13)C-NMR特征解析

为探究不同变质程度煤尘微观分子结构参数对其润湿性的影响,利用^(13)C-NMR试验获取了6种不同变质程度煤尘的碳骨架结构参数,采用光学法液滴形态分析系统对不同煤种煤尘的润湿接触角进行了测定。根据试验结果,得到了芳碳和脂碳结构参数随变质程度的变化规律,并利用SPSS软件分析得到了煤尘润湿性的主要影响因子为f'a,fHa,fBa,fPa,fHal,fOal。针对芳碳,随着f'a,fBa,fHa含量的增加,fPa含量的减小,煤尘的疏水性增强;针对脂碳,随着fHal与fOal含量的减少,煤尘的亲水性减弱。最终,通过煤尘润湿性影响因子变化率的分析,得到了不同变质程度煤尘润湿性差异的微观机理,实现了对传统煤尘润湿理论的改进与拓展。

不同变质程度煤的高分辨率透射电镜分析

利用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)分析了三种不同变质程度煤样的结构特征。基于傅里叶-反傅里叶变换方法,并结合Matlab、Arcgis和Auto CAD软件,通过图像分析技术,获得了HRTEM照片的晶格条纹参数。结果表明,三种煤样的晶格条纹呈现不同特征,按条纹长度分别归属于1×1-8×8共计八个类型。以3×3为临界点,在1×1和2×2中,ML-8中芳香层片的比例高于DP-4和XM-3;在3×3-8×8中,ML-8中芳香层片的比例低于DP-4和XM-3。对比HRTEM和XRD参数d002发现,随着镜质组反射率的增加d002都呈现递减趋势。

生物质与不同变质程度煤混合燃烧特性的研究

采用TG/DTG/DTA技术研究了不同变质程度煤(褐煤、烟煤和无烟煤)、生物质(小麦秸秆和玉米芯)以及煤和不同比例生物质的混合燃料的燃烧特性,升温速率为15℃/min,温度范围为25～900℃.分析了燃烧特征参数如着火温度、燃烧速率最大时的温度、燃尽温度和最大燃烧速率以及燃烧特性指数.采用Freeman-carroll(FC)法计算了燃烧动力学参数.结果表明,生物质和煤相比具有较低的燃烧特征温度和较快的燃烧速率;在褐煤和烟煤中加入生物质后,燃烧特征温度降低,燃烧速率增大;无烟煤中加入生物质后,对其着火温度影响较小,燃尽温度降低;此外,加入生物质后煤的燃烧表观活化能降低,表观活化能E与指前因子A存在动力学补偿效应.

不同变质程度煤的FTIR和HRTEM及TG分析

为了研究煤的结构演化特征,选用四种不同变质程度的煤样,采用傅立叶红外(FTIR)测试手段从分子尺度上对大分子结构进行解析,得到红外结构参数;应用高分辨率透射电镜(HRTEM)测试手段从聚集态尺度上对微晶结构进行表征,统计分析晶格条纹长度,得到微晶结构参数;利用热重(TG)测试手段对煤样进行热解模拟,得到热解特征参数;分析对比各项参数,探究煤演化过程中的复杂性规律。结果表明:芳香烃含量、脂肪链长度和热稳定性呈正相关;FTIR参数中的有机成熟度指数C、HRTEM参数中的高环数芳香层片(5×5~8×8)含量和TG参数中的热解初始温度θi具有相关性。当C减小时,含氧官能团含量的减少为高环数芳香层片中的含氧官能团含量的减少,热稳定性减小,θi减小,反之亦然;脂肪烃含量和生烃潜力呈正相关,和芳香烃含量呈负相关。在镜质组反射率Romax为0.6%~2.05%这一阶段,HDG6和GD2中含氧官能团等杂基脱落后才能继续芳构化。

三种不同变质程度煤中微量元素的分布特征

以我国云、贵、川地区煤为研究对象,通过试验测定这三种不同变质程度煤中微量元素含量,分析了三种煤微量元素的分布特征并进行对比,其结论对于研究煤中微量元素的地球化学特征、控制煤中微量元素对环境的影响等具有重要意义。

生物质与三种不同变质程度的煤混合热解H_2S析出规律

采用热重分析和色谱、质谱偶联技术,对玉米秆与三种不同变质程度的煤混合热解中产生的H2S气体进行了在线检测,研究生物质对不同煤种热解析出H2S气体的影响。研究表明:生物质与不同变质程度的煤的混合热解过程中H2S析出有着相似的规律,即生物质的加入使煤析出H2S提前,且随着生物质比例的增加,H2S在更低的温度下有较大的析出速度。生物质与煤共热解时,在380℃以前析出的H2S的浓度和析出量都比煤单独热解时的高,且随着生物质加入比例的增加而增加,这是生物质加氢作用的影响。且随着煤中含氢量的增加,生物质对煤热解过程的加氢作用表现得越不明显。生物质与不同变质程度的煤的混合热解过程中H2S析出规律是生物质加氢作用和矿物质固硫作用的综合结果。

基于核磁共振实验不同变质程度煤的孔隙结构研究

为研究高变质程度煤的孔隙结构,采用低场核磁共振试验系统,对5种不同变质程度的煤样进行低场核磁共振测试,得到常温常压下不同煤样的核磁孔隙参数,分析不同变质程度煤样孔隙结构的变化规律,结果表明:煤样总孔容与挥发分呈线性正相关关系;高变质程度煤样孔隙发育以微孔和小孔为主,且小孔孔占比越大,煤样核磁孔隙度越大、渗流能力越强,但孔隙度和渗透率随着微孔占比增加,表现出相反的变化趋势。

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。

经验公式对不同变质程度煤的瓦斯解吸适用性研究

为明晰经验公式对不同变质程度煤的瓦斯解吸规律的适用性,通过对不同变质程度、不同吸附平衡压力下的解吸数据进行分析。结果表明:对于同一变质程度的煤,煤的瓦斯解吸量随时间的增加累积增加,随着吸附平衡压力的增大,煤的瓦斯解吸量逐渐增大;在同一吸附平衡压力下,随着变质程度的增加,煤的瓦斯解吸量逐渐增加;孙重旭式可用于描述不同吸附平衡压力下、不同变质程度煤瓦斯解吸规律,为研究煤层瓦斯的运移奠定理论基础。

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。

制样粒径对不同变质程度煤孔隙结构的差异化影响

煤岩低温氮吸附实验的测试结果受测试样品颗粒粒径的影响显著,目前鲜有关于制样粒径对不同变质程度煤孔隙结构差异化影响的系统研究报道。选取7件不同变质程度的煤样(包括褐煤、气煤、肥煤、瘦煤、无烟煤和超无烟煤)开展了4种不同粒径(40~50目、70~90目、160~200目、>300目)煤颗粒的低温氮吸附实验,探讨了制样粒径对不同变质程度煤的孔隙结构的影响。结果表明:①5件烟煤—超无烟煤的显微组分均以基质镜质体为主,2件褐煤(丝质煤和碎屑煤)的显微组成分别以丝质体和密屑体为主;丝质煤主要发育丝质体胞腔孔,瘦煤和无烟煤的孔隙类型以气孔为主。②随着粒径变小,烟煤—超无烟煤的总孔、大孔、中孔的孔容和比表面积均逐级增大,而碎屑煤的孔隙结构基本不变,丝质煤的大孔孔容和比表面积均逐渐变小。③随着煤变质程度增加,最小煤颗粒(>300目)与最大煤颗粒(40~50目)的孔容差值占比和比表面积差值占比均持续升高。④在逐级粉碎过程中,烟煤—超无烟煤的吸附回线宽度逐渐变小,而褐煤的吸附回线形态基本不变。研究认为,褐煤孔隙类型以开放孔为主,封闭孔孔容的占比随着煤化程度增大急剧增加;瘦煤、无烟煤和超无烟煤孔隙类型以封闭孔为主。粉碎过程显著改造了煤岩的原始孔隙形貌,逐级粉碎会导致烟煤—超无烟煤的大量孤立封闭孔释放,改造形成一端封闭的开放孔,但也会显著破坏丝质煤的胞腔孔。忽略煤粒径对低温氮吸附测试结果的影响可能会造成煤储层孔隙结构的错误评价,提出了低温氮吸附法测定煤岩孔隙结构的合理制样粒径范围,建议">300目"为测定煤岩全孔隙(封闭孔和开放孔)的最佳制样粒径范围,"2~4目"为测定煤岩开放孔的最佳粒径范围。

脱气温度对3种煤阶煤氮气吸附的影响

低温氮吸附实验是研究煤储层孔隙的重要方法,通过实验得到的数据能表征出煤孔隙结构。低温氮吸附实验结果受到样品粒径、脱气温度和脱气时间等因素的影响,其中脱气温度和脱气时间受到样品本身性质影响较大且不易控制。为研究低温氮吸附实验中脱气温度对结果的影响,选取北宿矿的中变质烟煤、马兰矿的高变质烟煤和新景矿的无烟煤3种不同变质程度的煤样进行低温氮吸附实验。实验过程中采用相同的脱气处理时间,时间长度均为2 h,脱气处理温度分别为105,120,135,150℃。据此研究煤样在不同脱气温度下孔隙结构的变化,并对实验结果的差异性进行分析。通过分析3种煤阶的煤样在相同脱气时间和不同脱气温度条件下的质量变化率、吸附等温线、吸附量、孔容、孔比表面积和平均孔径等参数,发现不同煤阶的煤样当脱气温度发生变化时,实验结果相应发生变化。通过实验发现在改变脱气温度时,影响煤孔隙结构实验结果的主要因素是煤中的水分和挥发分。随着脱气温度的升高,实验结果受水分的影响逐渐变弱,受挥发分的影响逐渐增强。在相同脱气时间和脱气温度的条件下,煤的变质程度越高,实验结果受水分的影响就越小。在脱气时间为2 h的情况下,煤样的脱气温度建议为135℃。低变质程度的煤由于挥发分很高,对温度更加敏感,是不是遵循相同的规律还需要进行探讨。