论文部分内容阅读
富油煤通过热解技术可以转化为油、气和半焦,具有集煤、油、气资源属性于一体的特点,利用其提油炼气是弥补我国油气供给不足问题的重要措施。但陕北地区富油煤开采利用目前尚未形成规模化生产,其限制因素之一为:在目前采煤工艺下,开采出煤样含有大量粉煤、末煤,块煤产出率低,导致其低温干馏提取的油品杂质含量高。而提高富油煤块煤开采率,需系统化掌握陕北富油煤组构特性及破碎力学强度,以便为后期选取合理的开采工艺和方法提供基础性参考依据。据此,本文依托陕西省自然科学基金重点项目《陕北富油煤形成机理及清洁高效利用研究》(编号:2019JL-01),以榆神府矿区富油煤为研究对象,首先开展煤岩组分、工业成分及孔隙结构分析,系统掌握富油煤微-细观组构特性;随后,开展富油煤力学特性测试及冲击破碎强度试验,获取富油煤破碎强度力学特性;最后,基于富油煤组构特性及力学强度关联分析,明确影响开采破碎过程中富油煤块煤成形率的控制因素,进而揭示富油煤破碎动态演化机制。研究成果可对陕北地区富油煤开采工艺和方法选择提供基础性物理力学性质参考。主要研究成果包括:(1)基于榆神府矿区富油煤煤岩组分及工业成分分析,N22、H42、H52、Z52等多处煤样均为高挥发性煤,其典型特点为:挥发分占比均超过30%,固定碳占比>50%,而灰分与水分占比较小,仅不到10%。显微组分主要为镜质组与惰质组,壳质组与矿物成分占比少。(2)基于榆神府矿区富油煤孔隙结构特性分析,煤样微孔极为发育,小孔次之、中孔及大孔发育程度低。但不同区域富油煤样各尺度下孔隙发育特征略有差异,以微孔为例,N22、H42、H52及Z52煤样微孔占比分别为73.4%、58%、76.3%、59.9%。采用不同的孔隙结构分析方法对比显示:液氮吸附法适合表征煤样微小孔隙特征,而压汞法适合表征煤样大尺度孔隙,核磁共振法则可表征煤样全孔径,但其与富油煤含水状况密切相关,不适合用于表征干燥状态或含水量低的富油煤孔隙结构。(3)榆神府矿区富油煤静态力学性质存在一定差异,其中,抗压强度排序为N22煤样>H52煤样>H42煤样>Z52煤样,抗拉强度排序为N22煤样>H52煤样>Z52煤样>H42煤样,抗剪强度排序为N22煤样>H42煤样>H52煤样>Z52煤样。(4)榆神府矿区富油煤抗冲击破碎能力整体呈现的规律为:在不同空间发育条件下,柠条塔煤样抗破碎能力最强,次之为红柳林及张家峁煤样;在不同煤层条件下,2-2煤层煤样抗破碎能力最好,5-2煤层的煤样抗破碎能力强于4-2煤层煤样。(5)富油煤的组构特性对破碎力学强度具有较大影响,其中,灰分对煤样抗拉强度影响较大,呈现正相关关系;而惰质组、固定碳对煤样破碎力学性质均有影响,孔隙率对破碎力学强度影响最大。对静态力学而言,煤样抗拉强度是大尺寸煤样冲击破碎的主控力学指标,而抗压强度则对小尺寸煤样冲击破碎具有显著影响。(6)煤样冲击破碎特征主要表现为局部破碎、整体破碎两种形式,其中,局部破碎随着煤样冲击高度的增加而增大,整体破碎则存在“破碎高度阈值”。