中煤级煤Micro-Raman结构对甲烷吸附的响应

摘要

煤与甲烷、二氧化碳等流体作用后的体积膨胀及其机制一直是煤层气地质学和煤与瓦斯突出防治研究中的重要课题之一。以往的研究主要集中在宏观吸附膨胀及变形,并从力学的角度解释其膨胀机制。实际上,煤作为由大分子构成的分子体系,与甲烷、二氧化碳的相互作用是一种分子现象,其膨胀变形的本质应该是分子体系发生了变化,因此揭示煤大分子结构对煤体吸附膨胀的响应特征是认识其机制的基础。应用显微-拉曼光谱法对吸附甲烷前后的8个中煤级煤样(镜质组最大反射率R_(o)=1.08%~1.80%)进行了结构表征,并运用Origin 8.5软件对煤样吸附甲烷前后的拉曼光谱曲线进行了分峰拟合,在此基础上计算了煤样吸附前后的拉曼光谱结构参数。结果表明:原煤和吸附煤的G峰与D峰的峰位差d(G-D)随着煤级的增加有增大趋势,G峰半峰宽(FWHM-G)呈减小趋势,表明在反射率1.08%~1.80%阶段,煤结构有序度和微晶尺寸随煤级增加而逐渐增加;大芳香环(≥6)的相对含量(A_(D)/A_(G))出现先增加后减小的趋势,这是以较大芳香环的生成为主转为向石墨结构生成为主的结果;随着煤级增加,原煤的大芳香环结构中“杂质”(A_(S)/A_(D))及氢化芳环上的C—C的含量(A_(S)/A_(total))均有减小的趋势,反映出煤结构中sp^(2)-sp^(3)杂化烷基碳或氢化芳环逐渐减少,有序度逐渐增加;当R_(o)>1.3%时,吸附煤相对原煤的d(G-D)及A_(D)/A_(G)减少,小芳香环相对含量(A_(GR+VR+VL)/A_(D)),A_(S)/A_(D),A_(S)/A_(total)和FWHM-G增加,表明甲烷吸附变形引起环数较大的芳香环和微晶结构破裂形成较小的芳香环。这一结果对于认识煤大分子结构与甲烷的相互作用机制提供了理论依据。