[发明专利]一种基于红外特征的煤吸附甲烷能力测试方法

说明书

本发明公开的一种基于红外特征的煤吸附甲烷能力测试方法，涉及煤质甲烷吸附性能研究技术领域。首先，采集煤样品并通过煤热解改变煤岩官能团的含量；然后，通过红外结构测试得出煤样的红外谱图，划分为4个波段，对每个波段的谱线进行分峰拟合，计算出一系列红外结构特征参数；接着，对煤样热解后等温吸附的规律变化进行测试分析，并记录每种煤样在不同热解温度下Langmuir吸附常数a的变化规律；最后，比较不同煤样的红外结构参数值与甲烷吸附能力相关性的高低，综合分析与评价煤样对甲烷的吸附性能。本发明构建了五个红外特征参数与甲烷吸附性能的相关性，确定了煤红外特征参数对甲烷吸附性能的影响情况，从而为煤层气开发和改造提供了技术支持。

技术领域

本发明涉及煤质甲烷吸附性能研究技术领域，具体涉及一种基于红外特征的煤吸附甲烷能力测试方法。

背景技术

煤层瓦斯是煤炭生成过程中的半生气体，主要成分为甲烷。瓦斯是一种重要的清洁能源，但也是导致开采过程中煤与瓦斯突出频发的主要因素。煤层内含有大量的吸附和游离状态的瓦斯，其中80％以上的瓦斯吸附在煤层表面，吸附方式为物理吸附，吸附本质是甲烷分子与煤微观分子结构之间的相互作用。张丽萍(2006)研究发现随着羧基、羟基等极性官能团的脱落，煤储层亲水性减弱，使得煤储层对甲烷的吸附能力增大。郭恒(2016)研究发现煤芳香化程度加深，大规模缩聚反应使得煤中微、小孔减少，储层吸附能力会减弱。刘宇(2019)研究得出煤体的不同化学基团吸附甲烷的能力不同，化学集团单个吸附甲烷吸附分子时，吸附甲烷能力排序为：芳香族脂肪侧链羧基羟基。

尽管国内外学者针对煤的瓦斯吸附解吸机理进行了大量研究，但是大多数只是从宏观层面研究一些常规因素，如煤质成分、温度、水分等对吸附解吸的影响，缺乏从微观官能团结构特征对煤吸附解吸甲烷等机理方面的研究。

发明内容

鉴于此，本发明公开了一种基于红外特征的煤吸附甲烷能力测试方法，基于煤的红外特征分析及甲烷等温吸附实验等测试方法，充分利用相关测试数据，对煤层甲烷吸附性能影响机理进行研究，从而为煤层气开发提供技术支持，对矿井的安全生产具有实际指导意义。

根据本发明的目的提出的一种基于红外特征的煤吸附甲烷能力测试方法，包括以下步骤：

步骤一：采集多种不同区域高瓦斯含量的煤样和低瓦斯含量的煤样，分别破碎、研磨筛分，得到60目和200目的高瓦斯含量的煤样以及60目和200目的低瓦斯含量的煤样，并标记。

步骤二：对采集的所有煤样均进行不同温度梯度的热解实验，热解过程中，热解炉内持续通入惰性气体，保障煤样不被氧化。

步骤三：在每一热解温度下的热解实验结束后，选取200目的煤样，采用傅里叶变换红外光谱仪对煤样红外结构特征进行测试，得到不同煤样不同热解温度下的红外谱图。

步骤四：根据不同类型的官能团振幅不同的特征，将每个温度下热解煤样的红外光光谱线图划分为4个波段：-OH吸收峰带3700-3000cm^-1；-CH₃、-CH₂吸收峰带3000-2700cm^-1；C＝O、COOH、C-O吸收峰带1800-1000cm^-1；苯环中C-H吸收峰带900-700cm^-1。

步骤五：分别在各个波段的原始谱线上选定一系列基点，以定义各个波段的基线。

步骤六：对各个波段的原始谱线进行分峰拟合处理，根据分峰拟合得到的各峰特征参数计算红外特征参数以定量表征煤体分子结构。

步骤七：在每一热解温度下的热解实验结束后，再选取60目的煤样，在常压状态下，使用高压气体吸附分析仪对煤样热解后等温吸附的规律变化进行测试分析，并记录每种煤样在不同热解温度下Langmuir吸附常数a的变化规律。