煤中小分子有机物对煤层瓦斯赋存增强效应研究

摘要

煤是一种复杂的有机岩石，除含大分子固体骨架外，还含大量可溶于有机溶剂的小分子有机物，它们存在于煤基质的孔隙甚至大分子网络结构中，必然会对煤层瓦斯赋存产生一定影响。本文采用微波辅助抽提方法，抽提煤中小分子有机物，研究抽提前后，煤的孔隙结构、煤中官能团及吸附能力的变化规律。研究发现煤中小分子有机物对煤层瓦斯赋存具有增强效应。
　　采用四氢呋喃溶剂对煤样进行微波辅助抽提，获得抽提产物（小分子有机物）与抽提余物（残煤）。采用色谱-质谱联用仪测试了小分子有机物的成分；采用N2吸附法测试了原煤和残煤孔隙结构参数；采用红外光谱分析煤样抽提前后官能团变化。结果表明，抽提产物主要成分为芳香烃、脂肪烃和含杂原子的化合物，富含甲基、羟基、羰基等活性基团；煤样抽提后官能团的总体含量均有明显下降，说明小分子有机物在原煤中占有一定的比重，抽提之后煤的组分含量发生变化，对煤的孔隙结构和吸附溶解特性产生一定影响；四氢呋喃抽提后，各煤样的残煤总孔体积和比表面积均比原煤减小，煤的平均孔径增大，起到了增孔、扩孔作用，说明煤中小分子有机物提高了煤的比表面积。
　　开展了抽提前后煤样的甲烷等温吸附实验，分析了抽提前后各煤样对甲烷的吸附特性变化规律。结果表明，抽提残煤的甲烷吸附量均低于原煤，说明煤中小分子有机物的存在可提高煤吸附甲烷的能力。
　　依据煤中小分子有机物成分测试结果，选取柴油、润滑油和煤焦油作为它们的模型物质，进行甲烷溶解实验，研究其溶解甲烷能力。结果表明：相同温度（30℃）下，在测试压力范围（1～5MPa）内，它们的瓦斯溶解量随瓦斯压力的增加而增大；同平衡压力下，在测试温度范围（30～70℃）内，它们的瓦斯溶解量随温度的升高而减小。
　　采用多孔介质-模型物质-甲烷体系模拟煤骨架结构-小分子有机物-瓦斯体系，开展甲烷等温吸附实验。结果表明，添加了柴油和润滑油的担体比纯担体的甲烷吸附量增大。随着含量的增加，含柴油担体的甲烷吸附量也随之增大，表明煤中小分子有机物能够提高多孔介质对瓦斯的吸附能力。
　　在研究原煤和残煤的孔隙结构和吸附特性变化规律的基础上，深入分析了小分子有机物对煤孔隙结构的影响机理，并探讨了由此而产生的对煤吸附特性的影响机理。发现煤中小分子有机物可提高煤的比表面积，增强煤吸附瓦斯的能力，同时小分子有机物溶解瓦斯的能力及其富含的官能团可为煤吸附瓦斯提供更多的吸附位与空间，进而增加了煤吸附瓦斯能力，两者共同作用导致煤中小分子有机物对煤层瓦斯赋存具有增强效应。

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变量注释表

1 绪论

1.1选题依据与研究意义（Topic Basis and Research Objectives）

1.2国内外研究现状（Research Status in the World）

1.3 存在问题与不足（Problems and Inadequacies）

1.4研究内容与方法（Research Contents and Method）

2 小分子有机物成分及其对煤孔隙结构影响

2.1煤样抽提实验（Extraction Experiment）

2.2 小分子有机物成分分析（ Component Analysis of Small Molecule Organics）

2.3煤样抽提前后官能团变化（Changes of Functional Groups of Coal before and after Extraction）

2.4 小分子有机物对煤孔隙结构影响（Small Molecule Organics Effect on Pore Structure of Coal）

2.5本章小结（Chapter Summary）

3 小分子有机物对瓦斯吸附特性的影响

3.1实验方案（Experimental Method）

3.2 小分子有机物对瓦斯吸附特性影响分析(Small Molecule Organics Effect on Gas Sorption Characteristics)

3.3本章小结（Chapter Summary）

4 小分子有机物的瓦斯溶解能力研究

4.1模型物质的选择(Model Materials Selection)

4.2瓦斯溶解实验(Gas Solubility Experiment)

4.3 平衡压力对小分子有机物瓦斯溶解特性影响（ Effect of Pressure on the Gas Meltage of Small Small Molecule Organics）

4.4 温度对小分子有机物瓦斯溶解特性影响（ Effect of Temperature on the Gas Meltage of Small Molecule Organics）

4.5本章小结（Chapter Summary）

5含模型物质的多孔介质瓦斯吸附特性实验研究

5.1实验方法（Experimental Method）

5.2不同模型物吸附甲烷吸附特性分析(Analysis of Gas Sorption

5.3 小分子有机物对煤层瓦斯赋存增强效应分析（Effect of Small Molecule Organics on Enhancing Gas Occurrence in Coal）

5.4 本章小结（Chapter Summary）

6 结论及展望

6.1主要结论（Main Conclusions）

6.2主要创新点（Creative Points）

6.3研究展望（Prospects）

参考文献

作者简历

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