构造煤煤结构的专属性表征及其对煤层气赋存、运移的控制机理

中国具有广泛发育的不同类型的构造煤，如何实现构造煤储层煤层气开发已经成为我国煤层商业化的普遍化、规模化以及煤矿瓦斯灾害防治面临的主要问题。.本项目拟以溶剂萃取实验、扩散及渗透性实验为基础，通过一系列测试手段和实验方法，对比研究不同变形环境下形成的各类构造煤与原生结构煤在微观结构、大分子结构排列以及扩散性、渗透性的差异。基于多学科理论，发现构造煤在孔裂隙形态及结构参数、微晶结构参数、大分子结构排列等方面的特有属性，揭示煤结构对煤层气在构造煤储层内的赋存方式，以及采动条件下煤层气扩散、渗流过程的控制机理，构建采动条件下，构造煤储层内气体运移过程的动力学模型，以深化煤结构理论和煤层气赋存、运移机制的理论研究。项目成果将对促进我国煤炭、煤层气资源的有效开采和矿井瓦斯灾害防治具有一定的理论意义和指导作用。

项目以沁水盆地寺河矿、焦作煤田、金源煤矿等为研究区，在区内矿井井下采集不同构造部位的不同煤体结构煤样，采用溶剂萃取的方法，对煤样分别用苯、四氢呋喃（THF）、1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）进行萃取，溶出小分子相，结合柱层析法，对煤样萃取物进行了族组分分离和测定。借助于现代测试技术，对煤样分级萃取前后的孔隙结构、微晶结构、主要官能团组成及煤样的吸附性进行了测试，并对其变化规律进行了探讨。结合前人研究成果，分析了煤基质块表面分子与甲烷分子间的作用力，探讨了引起构造煤结构变化对瓦斯赋存运移的控制机理。.研究结果表明，随着煤体破坏程度的增加，1）煤样的萃取率有增大的趋势，对应的萃取物中饱和烃类的相对含量逐渐减少，芳香烃的相对含量呈现递增，但总烃的含量相对下降。而非烃的相对含量逐步增多，沥青质的相对含量呈现递减的特征；2）煤样萃取后的层间间距d002缓慢减小，煤芳核的堆砌度Lc、延展度La均呈增大的趋势；3）带质子芳碳和桥接芳碳（faH,B）所占比例呈现增大趋势，faO氧接芳碳的总体变化趋势与煤体破坏程度增加呈现负相关；羧基碳和羰基碳的变化规律不明显，但总体含量较低，说明构造演化作用能够明显促进煤芳构化和芳香稠环化的进程。研究认为，由于构造煤在地质构造演化过程中发生热力变质作用，热成因生烃作用增大，产生了大量可溶小分子化合物（包括瓦斯气体）。进一步研究表明，相比于原生结构煤，构造煤大孔和微孔相对发育，但过渡孔和中孔含量较低。同一温度条件下，糜棱煤饱和吸附量、解吸压力均大于同一矿井的原生结构煤，说明糜棱煤具有较大的吸附能力，瓦斯气体解吸率和解吸量较高，但是相对解吸速率较低，解吸效率不高，这也印证了糜棱煤与原生结构煤相比有较高的孔隙度，具有较大的容气能力。煤体破坏程度的差异造成的孔径大小，影响着采动条件下，气体的扩散模式。