[发明专利]一种基于XRD微晶结构演化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XRD微晶结构演化的煤吸附甲烷能力测试方法，涉及煤吸附甲烷能力研究技术领域。首先，采集煤样品并通过热模拟实验改变样品的煤化程度；然后，通过XRD衍射测试分析得出不同煤化程度的煤芳香层间距、芳香层延展度、芳香层堆砌度、芳香片层数以及石墨化度的微晶结构特征参数；最后，比较不同煤样微晶结构参数值与甲烷吸附能力相关性的高低，从大分子层面对煤样吸附甲烷的性能进行综合分析与评价。本发明通过构建微晶结构参数与甲烷吸附性能的相关性线性方程，确定煤微晶结构特征参数对甲烷吸附性能的影响情况，为煤层气勘探开发及矿井瓦斯治理提供了技术支持。

技术领域

本发明涉及煤吸附甲烷能力研究技术领域，具体涉及一种基于XRD微晶结构演化的煤吸附甲烷能力测试方法。

背景技术

大量的煤层气赋存在煤层中，主要以物理吸附的方式。煤中甲烷吸附的实质是甲烷分子与煤大分子之间的相互作用，随着煤层开采深度的逐步加深，地温和压力的不断增加，煤分子结构也发生明显的变化，使得煤中甲烷吸附含量也发生变化。

目前一些研究认为随着煤微晶结构趋向于石墨时，微孔孔容逐渐减小，煤吸附甲烷能力不断减弱。但在煤微晶结构对甲烷吸附能力演化机制等方面认识尚不够深入，这也制约着深部煤层气的开采以及矿井瓦斯治理。

发明内容

鉴于此，本发明公开了一种基于XRD微晶结构演化的煤吸附甲烷能力测试方法，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XRD微晶结构演化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300目的高瓦斯含量的煤样以及60目和300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模拟实验；热模拟过程中，先通入氮气进行抽真空处理，抽真空完毕后，加热炉内持续通入惰性气体，保障煤样不被氧化。

步骤三：在每一温度下的热模拟实验结束后，选取300目的煤样，采用X射线衍射仪对其微晶结构特征进行测试，得到不同煤样不同热解温度下的XRD谱线图。

步骤四：煤中有机质为微晶结构，其谱峰较宽，主要可分为002峰与100峰，分别位于20°-30°和40°-50°，找到其中002峰和100峰的碳峰晶面，对两个碳峰附近进行分峰，并对单峰光滑和拟合。

步骤五：计算芳香碳层002面面网间距d₀₀₂、芳香碳层延展度L_a、芳香层堆砌度L_c、芳香片层数N_ave以及石墨化度g，通过以下公式对XRD测试结果进行表征：

其中，θ₀₀₂、θ₁₀₀分别为002峰与100峰的中心位置；λ是X射线波长；β₀₀₂和β₁₀₀分别为002峰与100峰的半峰宽；a₁为完全无序状态下的芳香层间距；对于煤结构，取0.3975nm；a₂为石墨晶体结构的层间距，取0.3354nm。

步骤六：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。