吸附態(tài)為煤層氣(瓦斯)的主要賦存狀態(tài),煤吸附甲烷機(jī)理的研究對豐富煤層氣成藏理論、指導(dǎo)煤層氣高效開發(fā)、提升礦井瓦斯治理效果具有重要意義。論文針對煤中鏡質(zhì)組開展研究,旨在揭示煤化過程中煤鏡質(zhì)組吸附甲烷能力的演化機(jī)制,從分子層面闡明甲烷與鏡質(zhì)組大分子之間的作用機(jī)理。研究選取自然演化序列、人工熱模擬序列兩套不同成熟度鏡質(zhì)組樣品,利用實(shí)驗(yàn)測試方法表征煤鏡質(zhì)組分子結(jié)構(gòu)演化、孔隙結(jié)構(gòu)演化、甲烷吸附能力演化,借助于分子模擬技術(shù)探究鏡質(zhì)組大分子吸附甲烷的作用機(jī)理,以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果,以計(jì)算解釋微觀機(jī)理,從分子級層面闡明了煤鏡質(zhì)組大分子結(jié)構(gòu)演化對甲烷吸附的作用機(jī)制。論文取得了如下主要認(rèn)識與成果:(1)利用高分辨率透射電鏡、核磁共振、紅外光譜等實(shí)驗(yàn)定量表征了不同成熟度鏡質(zhì)組芳香環(huán)化學(xué)結(jié)構(gòu)特征及定向性特征,揭示了鏡質(zhì)組芳香環(huán)的演化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)了3×3芳香環(huán)在中高煤級煤芳香環(huán)演化過程中的“紐帶”作用;基于核磁共振數(shù)據(jù)、X射線衍射等數(shù)據(jù),利用分峰擬合法半定量表征了鏡質(zhì)組脂肪結(jié)構(gòu)演化特征、微晶機(jī)構(gòu)演化特征;綜合芳香結(jié)構(gòu)演化及脂肪結(jié)構(gòu)演化,建立了新的煤鏡質(zhì)組大分子結(jié)構(gòu)演化模式,將R_(o,ran)=0.5%~R_(o,ran)=4.2%區(qū)間的鏡質(zhì)組結(jié)構(gòu)演化劃分為了五個(gè)階段,進(jìn)一步細(xì)化了煤鏡質(zhì)組大分子結(jié)構(gòu)的演化特征及作用機(jī)制。(2)借助于高壓壓汞實(shí)驗(yàn)、低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)、低溫二氧化碳吸附實(shí)驗(yàn)等定量表征了自然演化序列樣品、人工熱演化序列樣品孔隙結(jié)構(gòu)特征,研究發(fā)現(xiàn)人工熱模擬過程中微孔演化特征與自然演化過程中基本一致,而二者過程中介孔與宏孔演化存在較大差異;在此基礎(chǔ)之上,研究基于煤鏡質(zhì)組大分子三維結(jié)構(gòu)模型利用“探針法”重構(gòu)了微孔結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),并結(jié)合鏡質(zhì)組孔隙結(jié)構(gòu)特征及分子結(jié)構(gòu)特征,探究了鏡質(zhì)組中微孔的形成機(jī)理,發(fā)現(xiàn)了鏡質(zhì)組中微孔的形成與演化受控于鏡質(zhì)組大分子結(jié)構(gòu),闡明了煤化過程中微孔的“三段式”演化機(jī)制;(3)利用分子模擬技術(shù),從微觀上闡明了甲烷吸附機(jī)理。模擬結(jié)果表明:甲烷在微孔中呈現(xiàn)“充填式”吸附特征,而在介孔與宏孔中呈現(xiàn)“雙層式”吸附特征;孔徑、壓力不同,甲烷吸附能力對溫度的響應(yīng)不同,整體上孔徑越大、壓力越小,溫度對甲烷吸附能力的減小作用越明顯;煤鏡質(zhì)組各化學(xué)基團(tuán)對甲烷吸附作用較為復(fù)雜,其表面勢能及空間展布形式均對甲烷吸附能力有較大影響;研究結(jié)合鏡質(zhì)組分子結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu),構(gòu)建了煤鏡質(zhì)組復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)控制下、復(fù)雜孔隙網(wǎng)絡(luò)中甲烷吸附計(jì)算模型,厘清了各因素對甲烷吸附的影響,明確了微孔是煤鏡質(zhì)組大分子與甲烷相互作用的主要場所,為甲烷吸附能力的主要貢獻(xiàn)者;(4)綜合煤鏡質(zhì)組大分子結(jié)構(gòu)演化、孔隙結(jié)構(gòu)演化及甲烷吸附機(jī)理,探明了煤化過程中甲烷吸附能力的演化機(jī)制,從分子級層面揭示了煤鏡質(zhì)組大分子結(jié)構(gòu)對甲烷吸附的作用機(jī)理;研究表明,煤鏡質(zhì)組大分子結(jié)構(gòu)的演化主導(dǎo)著甲烷吸附能力的演化,鏡質(zhì)組大分子一方面提供了產(chǎn)生甲烷吸附的作用勢能,另一方面控制著甲烷吸附的主要場所(微孔),同時(shí),在不同階段,煤鏡質(zhì)組大分子結(jié)構(gòu)演化特征的不同也導(dǎo)致著甲烷吸附能力演變機(jī)制的不同。該論文有圖116幅,表15個(gè),參考文獻(xiàn)218篇。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TD712
【部分圖文】：

圖 1-1 水分與吸附量之間的關(guān)系[111]lationship between moisture content and methane adsorpt分對甲烷吸附的影響已取得共識[[1, 124, 125]。水分，且水分含量愈高，甲烷吸附量愈低（圖 1-1），造成甲烷吸附量的急劇減少[111, 119]。Levy（1995MPa 下不同含水量煤樣中甲烷的吸附量，結(jié)果量呈線性減小，水分每增加 1%，甲烷吸附量約減nd Crosdale（2002）研究了不同煤級煤中平衡水表明低煤級煤的減小效果要比高煤級煤明顯[126能團(tuán)表面的吸附能力遠(yuǎn)高于甲烷[127]，水分子的得煤儲層中甲烷的吸附量降低[111, 119]。隨著煤級團(tuán)逐漸脫落，煤儲層對水分子的吸附能力降低，烷能力減小效果高于高煤級煤[111, 119]。

且水分含量愈高，甲烷吸附量愈低（圖 1-1），造成甲烷吸附量的急劇減少[111, 119]。Levy（1995MPa 下不同含水量煤樣中甲烷的吸附量，結(jié)果量呈線性減小，水分每增加 1%，甲烷吸附量約減and Crosdale（2002）研究了不同煤級煤中平衡水表明低煤級煤的減小效果要比高煤級煤明顯[126能團(tuán)表面的吸附能力遠(yuǎn)高于甲烷[127]，水分子的得煤儲層中甲烷的吸附量降低[111, 119]。隨著煤級團(tuán)逐漸脫落，煤儲層對水分子的吸附能力降低，烷能力減小效果高于高煤級煤[111, 119]。

煤芳香化程度進(jìn)一步加深，大規(guī)�？s聚反應(yīng)與孔小孔減少，儲層孔隙度與比表面積急劇減小，儲層吸附能力達(dá)到高煤級 III 無煙煤階段時(shí)，由于孔容與比表面積大大常小[134]。Wang 等（2011），Shen 等（2015），郭恒等（階煤、中煤階煤、高煤階煤平衡水煤樣甲烷吸附特征，其果基本一致（圖 1-3）[131-133]。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2874908