基于高能自由基化学活化的煤孔隙演化规律及增透机制研究

作     者：辛海会 卢梁 杨永良 唐佐 吴津峰 徐泽怡 张鹏程 田文江 XIN Haihui;LU Liang;YANG Yongliang;TANG Zuo;WU Jinfeng;XU Zeyi;ZHANG Pengcheng;TIAN Wenjiang

作者机构：中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 

出 版 物：《采矿与安全工程学报》 (Journal of Mining & Safety Engineering)

年 卷 期：2023年第40卷第6期

页      面：1335-1346页

核心收录：

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0703[理学-化学] 

基　　金：国家自然科学基金面上项目(52174220) 中国博士后科学基金特别资助项目(2022T150553) 中国博士后科学基金面上项目(2022M710119) 江苏省科协青年科技人才托举工程项目(TJ-2022-041) 中国矿业大学研究生创新计划项目(2023WLJCRCZL195)。 

主　　题：煤孔隙分布 高能自由基 比表面积 官能团 增透机制 

摘      要：提高煤层渗透率是实现煤层瓦斯高效抽采、防治矿井瓦斯灾害的重要途径。针对瓦斯在煤结构微孔堆积、孔隙渗透率低的问题,提出孔壁反应性消解的煤结构扩孔增容思路,采用活化过硫酸盐生成羟基和过硫酸根等高能自由基活化消解煤有机结构,分析了作用煤体的孔隙分布、孔容、比表面积及孔隙分形特征的演变规律,阐明了煤活性官能团及结构特征参数的变化规律,揭示了煤孔壁芳香结构反应性溶蚀的扩孔增容机制。结果表明,羟基和过硫酸根高能自由基活化作用煤体后,煤样的微孔增加主要集中在0.7nm以下的超微孔,且微孔扩孔作用显著,生成了大量的介孔和大孔,含瓦斯高阶烟煤介孔体积增长了50%以上,大孔体积增长了40%以上。随着煤阶增加,扩孔增容率显著提升,无烟煤介孔体积增长达到了578.91%,大孔体积增长达到了331.37%。煤的比表面积增大均在50%以上,同时处置后煤体分形维数D1增大,孔隙粗糙度增大,增加了孔隙宽度和孔隙连通性。煤侧链的甲基亚甲基含量降低,芳香环含量和芳香度显著增大,阐明了煤孔壁中侧链脂肪烃和低聚合度芳香环反应消解的扩孔增容机制。研究结果为活化过硫酸盐在煤层瓦斯增透抽采中的现场应用提供了理论基础。