构造煤吸附能和瓦斯放散初速度的特殊性及其机理研究

构造煤与瓦斯突出密切相关。本项目针对目前构造煤与非构造煤吸附甲烷能力强弱判定依据存在缺陷，以及对构造煤瓦斯瞬时放散机理研究薄弱的现状，遵循"结构→性能"研究思路，在典型煤层剖面采集不同煤体结构类型煤样，运用煤地质学、表面物理学及煤化学理论与方法，探讨构造煤与非构造煤吸附甲烷的差异性实质及成因，揭示构造煤瓦斯放散初速度高于非构造煤的原因及机理。具体研究内容包括：不同煤体结构类型煤甲烷吸附能研究，包括煤样吸附/解吸特征研究和吸附热标定，以吸附热表征吸附能；测定不同煤体结构类型煤大分子结构参数，以及煤中低分子化合物组成与结构特征，结合吸附能研究结果，标定煤分子结构中的甲烷吸附/解吸活化基团；研究不同煤体结构类型煤的瓦斯放散初速度(ΔP)变化规律，试提出预测不同煤阶煤的ΔP临界值。本研究有助于揭示构造煤具有突出危险性的内在因素，对煤与瓦斯突出机理探讨和煤矿瓦斯灾害防治具有重要的理论意义和实用价值。

构造煤与瓦斯突出密切相关。项目“构造煤吸附能和瓦斯放散初速度的特殊性及其机理研究（41102094）”针对目前构造煤与非构造煤吸附甲烷能力强弱判定依据存在缺陷，以及对构造煤瓦斯瞬时放散机理研究薄弱的现状，遵循“结构→性能”研究思路，在典型煤层剖面采集不同煤体结构类型煤，运用煤地质学、表面物理学及煤化学理论与研究方法，开展：1)不同类型煤甲烷吸附能研究，包括煤样吸附/解吸特征研究和吸附热标定，以吸附热表征构造煤甲烷吸附能；2)测定不同类型煤有机质组成和孔隙结构特征，结合吸附能研究结果，标定构造煤结构中的甲烷吸附/解吸活化基团；3)揭示不同类型煤的瓦斯解吸初期规律，包括构造煤瓦斯放散初速度、解吸量和瞬时放散特性。成果：1)多量程、宽温域煤对甲烷吸附研究发现，与共生非构造煤相比，构造煤吸附甲烷有其特殊性，低中压区吸附速度快、吸附热高，达吸附平衡快、吸附作用温度效应明显；(甲烷)吸附作用促使煤的表面能降低，构造煤的表面能、吸附表面能降均大于共生非构造煤的；基于k值的虚拟饱和蒸汽压计算对吸附特征曲线影响较大，对比煤样的最优k值分别为kP1N= 3.2、kP1D= 3.4、kP8N= 3.1、kP8D= 3.0；2)甲烷主要吸附在煤表面分子的芳环上，煤大分子碳网周边侧基、碳链有利于甲烷吸附而含氧基团起抑制作用；严重破坏构造煤的结构特征，①极性芳烃、杂环芳烃及具有更多侧链、侧基的长链饱和烃的存在使得煤体微孔发育，形成积聚更多瓦斯气体和重烃组分的空间，②大量低分子化合物占据更多的孔隙空位且分布不均匀，改变了煤体原生孔隙结构，表现为微孔比例增加，③极性低分子化合物滞留在煤表面，因其易于吸附氮分子，表现为构造煤(萃余物)氮吸附量大，这些可能是构造煤具有突出危险性的重要内在因素；与共生非构造煤相比，构造煤的d002/La、Lc/La随Ro,max增加均呈现规律性减小，表明构造煤微晶倾向于以平躺片晶的形式生长；3)设计研制了煤样瓦斯解吸初期特征试验装置；通过对构造煤与共生构造煤样品的瓦斯解吸过程和瓦斯残存量考察，分析了解吸速率、解吸量、残存瓦斯量的影响因素，揭示了构造煤瓦斯解吸初期规律，建立了残存瓦斯量与瓦斯含量关系；探讨了构造煤瓦斯损失量计算方法，并通过了潞安矿区常村矿3#煤层现场验证。本研究对煤与瓦斯突出机理探讨和煤矿瓦斯灾害防治具有重要指导作用。