构造煤中封闭孔隙的演化机制及形成机理研究

摘要

煤中孔隙体积、比表面积和孔径分布等孔隙结构特征是煤中重要的物理性质，这一性质在煤层气开发和煤与瓦斯突出预测等方面有着重要的意义，煤中甲烷的赋存状态主要有吸附态、游离态和溶解态，目前一些学者认为部分甲烷以固溶态或是封闭于孔裂隙之中，同时煤中孔隙的性质和结构仍然存在诸多争论。基于此本文结合小角 X射线散射实验和低温液氮吸附实验对煤中纳米孔隙的特征进行了定量研究，揭示了煤中开放孔隙、封闭孔隙和总孔隙的孔隙体积、比表面积和孔径分布特征，并进行深入探讨了煤中不同类型的孔隙结构演化的变质变形机理的同时，结合原子力显微镜（AFM）观测结果，对煤中封闭孔隙的形成机理进行了探讨，结论如下：
　　（1）煤中开放孔隙的孔隙体积和比表面积随变质程度呈现高-低-高的变化趋势，大约在 Ro,ran=2.0％达到低谷，煤的变形作用促使孔隙体积增大，特别是对亚微孔的影响最大，总体上煤孔隙的比表面积随变形程度的增强而增大，但是并不呈现严格的正相关关系，分形维数可以作为表征孔隙吸附能力的一个参数，与孔隙体积和比表面积呈正相关的关系，与平均孔径呈负相关的关系。
　　（2）在中高变质煤中SAXS所测总孔隙体积随变质作用的增强而增大，与开放孔隙孔隙体积的变化略有不同，其原因是总孔隙包括一定量的封闭孔隙，这反映了封闭孔和开放孔的此消彼长相互转化的关系，开放孔隙堵塞形成封闭孔，封闭孔隙孔壁破裂彼此连通形成开放孔。
　　（3）研究发现随变质程度的增大封闭孔隙体积呈现先增大后减小的趋势，峰值大约在Ro,ran=2.5%左右，构造作用使2-50nm孔隙发生两种方式的变化：一方面变形作用导致10-50nm的孔隙发生破碎分裂形成5-10nm的小孔隙，这主要表现在脆性变形煤中；另一方面微孔以及2-5nm孔隙之间或和其它孔径孔隙之间连通合并形成5-10nm的大孔隙。开放孔和封闭孔之间是一个动态变化的过程，在强变形煤中开放孔隙体积增加速度大于封闭孔隙，这是封闭孔隙体积比例减小的原因。
　　（4）对煤样进行了 AFM扫描观测，在对图像进行分析之后发现煤中存在一定量的封闭孔隙，变质作用造成封闭孔隙致密集中，变形作用促使孔隙更加破碎甚至出现揉皱构造，引起封闭孔隙形成的原因主要有两类：一种是基质局部不均匀收缩，另一种是构造应力引起孔喉减小和孔隙局部位错。

目录

声明

致谢

1 前言

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容、技术路线图及主要工作量

1.4 论文创新点

2 煤样选择及煤岩学特征

2.1 煤样采集

2.2 煤样的宏观描述和变形特征

2.3 煤样的显微煤岩特征

2.4 小结

3 基于液氮吸附实验对煤中开放孔隙的研究

3.1 液氮实验原理

3.2 液氮实验流程

3.3 实验结果

3.4 变质作用对开放孔体积和比表面积的影响

3.5 变形作用开放孔体积和比表面积的影响

3.6 煤样孔隙的分形特征

3.5 小结

4 基于SAXS对煤中总孔隙的研究

4.1 SAXS介绍

4.2 变质作用对煤中总孔隙的影响

4.3 变形作用对煤中总孔隙的影响

4.4 小结

5.1 变质作用对封闭孔的影响

5.2 变形作用对封闭孔的影响

5.3 基于AFM实验封闭孔隙的形成机理

5.4 小结

6 结论

参考文献

作者简历

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