摘要
煤层瓦斯既是煤矿生产主要灾害的来源，也是储量丰富的战略性清洁资源，煤层瓦斯的综合利用是实现“双碳”目标的有力支撑。目前针对中高阶煤的结构演化和物化性质已有较为成熟的研究，但低阶煤与之具有明显差异，如高内在含水率、大孔结构多等特点，从而导致了低阶煤不同于中高阶煤的流固相互作用及煤气资源赋存情况。本文以西北地区永陇矿区招贤煤矿和郭家河煤矿的3#储层低阶烟煤（以下简称ZX煤和GJH煤）为研究背景，立足高内在水分的特点，综合运用表面物理化学、光谱学、分形几何学和分子动力学等多学科交叉融合的研究方法，将现代测试技术、分子模拟与理论分析相结合，构建了低阶烟煤大分子结构模型，对低阶烟煤中的高内在水分的赋存形式及其影响下的甲烷吸附响应机制开展了相关研究。主要获得以下结论： （1）综合利用压汞实验、低温N2吸附实验、低压CO2吸附实验进行低阶烟煤多尺度孔隙结构的分段联立定量化表征，结果表明：孔隙整体连通性较差，易形成煤层游离甲烷的积聚；结合环境扫描电子显微镜和计算机断层扫描技术从多维度对低阶烟煤进行的观测，重构了包括矿物质、惰质组、镜质组、裂隙在内的低阶烟煤三维微观结构，其中裂隙主要分布于矿物质周边，受矿物质收缩效应和应力释放的影响而生成。 （2）基于微观光谱学的现代测试技术，对2种低阶烟煤分子结构进行表征，结果表明：较高的含氧官能团和羟基含量是其高内在水分的根本原因；芳香碳含量随占主导，但较高的脂肪碳链含量使得芳香层排列松散无序，与石墨有较大差距。通过13C固体核磁共振试验定量分析获得ZX煤和GJH煤的桥周碳比值分别为0.197和0.25，结合元素分析试验初步确定2种低阶烟煤的芳香结构、脂肪结构和杂原子形态后，借助漫反射红外光谱试验中含氧官能团区域的定量分析消除羰基碳峰的“边带效应”，最终获得ZX煤和GJH煤修正后的分子式分别为C105H95N1O13和C147H135N1O17，并据此绘制了低阶烟煤大分子基本结构单元模型，优化后的模型密度与压汞实验数据基本一致。 （3）采用低场核磁共振测定了多级湿度环境下养护的煤样，结果表明：2种低阶烟煤的多级内在水样品驰豫时间T2图谱均为双峰结构，且绝大部分处于0.05-3ms的主峰；吸附态水分随环境湿度的增加而增加，在常压下，气相水只能赋存于介孔及以下，液相水会主动或被动地向较大孔迁移。对于永陇矿区低阶烟煤，在低相对湿度RH下，水分子以填充的形式吸附在微孔中；在中相对湿度RH下，水分子以多层吸附和水分子簇的形式在更大的微孔中形成吸附，并逐渐开始产生毛细凝聚现象；在高相对湿度RH下，经过毛细凝结并部分液化后的水向介孔及以上甚至疏水孔迁移。这种自内而外的液相水迁移不会如外加水分一样形成孔隙封堵或水锁效应。 （4）对多级内在水分煤样开展甲烷等温吸附试验，结果表明：低阶烟煤内在水分的增加会有效降低煤中甲烷吸附量，呈现非线性衰减。而对于甲烷吸附速率，由于低阶烟煤平衡水式的制备方式不会产生水锁效应，因此认为不会产生显著的规律性影响。结合低阶烟煤大分子模型的等温吸附模拟和孔裂隙表征结果后得出，高水低阶烟煤中甲烷吸附形式以1.5nm以下的微孔填充为主，单层吸附为辅，2种吸附形式同步进行。在常压吸附内在水分的情况下，引起甲烷吸附量变化的主要是微孔中吸附位点的占据，内在水分对甲烷单层吸附量的影响极小，而甲烷始终具有微孔中的吸附位点原因，推测是由于内在水分到达毛细凝聚阶段后的由内而外的迁出行为，随着气体压力的增加，这种迁出行为持续甚至加剧，为甲烷分子空出更多微孔填充吸附位点，直至平衡。
NETL