煤粒度分析方法（新锐特刊）

圣人 2023-06-12 21:04:28 360

煤粒度分析方法（新锐特刊）（2）通过多种表征手段，构建了含甲烷无烟煤的大分子结构，其中芳香碳、吡啶型氮和吡咯型氮以及羧基是甲烷分子主要吸附位，等温吸附热随吸附压力的升高呈对数下降，说明甲烷在低压力时率先占据无烟煤表面的高能吸附位；甲烷在无烟煤中的吸附热介于 22.65 ~ 25 kJ/mol，远小于42 kJ/ mol，属于物理吸附。（1）采用分子模拟的手段，研究了甲烷含量与无烟煤的纳米尺度力学性质，发现无烟煤的体积模量、弹性模量和剪切模量均随着甲烷吸附量的增大呈对数规律降低而泊松比随吸附量的增大呈线性增大。视频讲解 2 创新点

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煤粒度分析方法（新锐特刊）(1)

沁水盆地南部的煤层气开发已实现了小型商业化但仍存在产量低和衰减快的问题往往需要压裂改造提高抽采率而煤层本身的力学性质是决定压裂效果的关键因素。

太原理工大学张彬助理研究员在《煤炭学报》2021年第2期“新锐科学家”特刊撰文“沁水盆地南部无烟煤大分子结构模型及其含甲烷力学性质”，为方便大家深入了解本文内容，《煤炭学报》邀请张彬助理研究员通过视频对相关成果进行了详解。

视频讲解

创新点

（1）采用分子模拟的手段，研究了甲烷含量与无烟煤的纳米尺度力学性质，发现无烟煤的体积模量、弹性模量和剪切模量均随着甲烷吸附量的增大呈对数规律降低而泊松比随吸附量的增大呈线性增大。

（2）通过多种表征手段，构建了含甲烷无烟煤的大分子结构，其中芳香碳、吡啶型氮和吡咯型氮以及羧基是甲烷分子主要吸附位，等温吸附热随吸附压力的升高呈对数下降，说明甲烷在低压力时率先占据无烟煤表面的高能吸附位；甲烷在无烟煤中的吸附热介于 22.65 ~ 25 kJ/mol，远小于42 kJ/ mol，属于物理吸附。

（3）吸附甲烷能够显著降低无烟煤的力学强度，其机理为无烟煤的体积和膨胀率随吸附量的增加呈指数增大，使得无烟煤基质之间的相互作用力降低，进而导致无烟煤的强度降低，抵抗变形的能力减弱。无烟煤的范德华能在吸附甲烷的过程中降幅最大说明范德华能是保持煤体结构和力学性质稳定的主导因素。

作者简介

煤粒度分析方法（新锐特刊）(2)

张彬，男，1988年7月25日生，天津市人，助理研究员，太原理工大学和山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司联合培养博士后，主持山西省应用基础研究计划-青年科技研究基金1项，发表学术论文20余篇，授权发明专利2项。

研究方向

煤系非常规天然气高效勘探开发

主要成果

致力于煤系非常规天然气与煤和黏土矿物等多孔介质相互作用的微观机理研究，取得多项创新性成果，形成了甲烷在煤和黏土矿物等多孔介质中吸附和扩散的分子模拟技术；从分子角度揭示含甲烷无烟煤的力学性质，为煤层气抽采提供一些微观的理论参数。

摘要

受地质因素影响的煤体结构能够影响煤层气井的产气能力且在实际地质条件下煤储层往往含有甲烷使得含甲烷煤体的力学性质与储层压裂改造的效果密切相关。通过工业分析、元素分析、核磁共振碳谱(¹³C-NMR)和X射线光电子能谱(XPS)等手段测试和分析了山西沁水盆地寺河矿无烟煤的元素组成、原子比和官能团类型与分布等分子结构特征构建了其大分子结构模型模型的碳含量和密度与实测值具有较好的一致性。采用蒙特卡洛法模拟计算了甲烷在无烟煤中的吸附量、吸附位和吸附热得到了甲烷在无烟煤中的吸附构型。

结果表明:甲烷在无烟煤中的饱和吸附量为22.4个/晶胞 Langmuir压力为1.12MPa 无烟煤模型中的芳香碳、吡啶型氮和吡咯型氮以及羧基是甲烷分子主要吸附位等温吸附热随吸附压力的升高呈对数下降说明甲烷在低压力时率先占据无烟煤表面的高能吸附位;甲烷在无烟煤中的吸附热介于22.65~25.00 kJ/mol 远小于42 kJ/mol 属于物理吸附。

采用分子动力学方法对无烟煤的含气力学性质进行了模拟定量研究了含气量对无烟煤的体积模量、杨氏模量、剪切模量和泊松比的影响。结果表明无烟煤的体积模量、杨氏模量和剪切模量等随着含气量的增大呈对数规律降低而泊松比随吸附量的增大呈线性增大。

与不含甲烷的无烟煤相比体积模量、杨氏模量和剪切模量最高降低了38.5% 24.4% 和27.1% 表明吸附甲烷能够显著降低无烟煤的力学强度其机理为无烟煤的体积和膨胀率随吸附量的增加呈指数增大使得无烟煤基质之间的相互作用力降低进而导致无烟煤的强度降低抵抗变形的能力减弱。无烟煤的范德华能在吸附甲烷的过程中降幅最大说明范德华能是保持煤体结构和力学性质稳定的主导因素。

部分图片

煤粒度分析方法（新锐特刊）(3)

无烟煤样的¹³C-NMR频谱分峰拟合

煤粒度分析方法（新锐特刊）(4)

无烟煤XPS总能谱以及C1s N1s S2p

煤粒度分析方法（新锐特刊）(5)

沁水盆地15号无烟煤的结构平面模型

煤粒度分析方法（新锐特刊）(6)

沁水盆地无烟煤的大分子结构模型

煤粒度分析方法（新锐特刊）(7)

无烟煤平面模型谱和固体核磁谱的对比

煤粒度分析方法（新锐特刊）(8)

甲烷在无烟煤中的吸附量随压力的变化曲线

煤粒度分析方法（新锐特刊）(9)

20MPa时甲烷在无烟煤中的吸附构型

煤粒度分析方法（新锐特刊）(10)

无烟煤与甲烷分子的径向分布函数曲线

煤粒度分析方法（新锐特刊）(11)

甲烷在煤中的等量吸附热随压力的变化曲线

煤粒度分析方法（新锐特刊）(12)

无烟煤的力学参数随吸附量的变化曲线

煤粒度分析方法（新锐特刊）(13)

煤的弹性模量随含气饱和度的变化曲线

煤粒度分析方法（新锐特刊）(14)

无烟煤的体积和膨胀率随吸附量的变化曲线

来源：

张彬曾凡桂王德璋等. 沁水盆地南部无烟煤大分子结构模型及其含甲烷力学性质[J]. 煤炭学报 2021 46(2):534-543.

ZHANG Bin ZENG Fangui WANG Dezhang et al. Macromolecular structure model of anthracite in southern Qinshui Basin and its methane bearing mechanical properties[J]. Journal of China Coal Society 2021 46(2):534-543.

责任编辑：韩晋平

编辑整理：郭晓炜

审核：常琛

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