“深地资源勘查开采”专项
                燕山期重大地质事件的深部过程与资源效应
结构缺陷在无烟煤变形中的作用及其对无烟煤大分子结构的影响
2017-07-02 22:45

大量生产实践表明,煤与瓦斯突出与构造煤的发育密切相关。在突出过程中,释放出大量能量的同时还发现有超量煤层气的产生。通过研究构造应力对煤结构的影响已经成为探究煤与瓦斯突出机理,保障煤矿安全生产的重要途径。长期以来的研究认为,构造应力只影响煤的物理结构而对其化学结构没有影响。近年来,通过大分子结构测试分析以及低温变形产气实验等手段研究者发现,变形也能够促进气体的产生,这可能与应力作用下煤中化学键发生断裂有关。这些结果表明变形对煤大分子结构也有深刻的影响。



1:双反射率与拉曼比值(AD/AG)之间的关系。对于来自同一矿区经历相同热演化过程的样品,可用双反射率衡量样品的变形程度,拉曼比值(AD/AG)衡量样品的结构缺陷程度。


中国科学院大学地球科学学院韩雨贞博士生在导师侯泉林教授的指导下,通过研究无烟煤中缺陷与变形之间的关系,并结合量子化学计算,深入探究了变形对无烟煤大分子结构影响的可能机制,取得以下进展:(1)结构缺陷和无烟煤的变形之间存在良好的正相关关系(图1),暗示无烟煤的变形与结构缺陷的产生密切相关;(2)应力作用下伴随着缺陷的存在,化学键的几何构型发生了一定的调整(化学键键长和键角发生了一定改变)(图2ab),但是化学键并未直接断裂,因此应力作用下样品未发生破裂,应变逐渐增加。缺陷增加的过程就是无烟煤发生应变的过程,表现出了结构缺陷和变形程度之间的正相关关系;(3)伴随着结构缺陷的产生,大分子结构片段的能量增加0.12 a.u (303.48kJ/mol), 说明在变形的过程中部分机械能转变为了化学能并储存在煤大分子结构中;(4)结构缺陷的存在降低了无烟煤分子片段产生CO气体的能量(图2c),说明构造变形能够促使煤中化学反应的发生,进而产生气体或者烃类。本次研究表明构造作用能够促使煤层气的生成,对于理解力化学(即应力作用下发生的化学反应)生烃有积极的意义。



2:结构缺陷对无烟煤大分子结构的影响。(a)不含缺陷的无烟煤大分子结构片段;(b)含有四个非六元环缺陷的无烟煤大分子结构片段;(c)结构缺陷对无烟煤大分子片段中羰基断裂产生CO气体的影响。数值为键长,灰色原子为碳原子,白色原子为氢原子,红色原子为氧原子,黄色高亮化学键为发生断裂的C-C化学键,蓝色高亮部分为非六元环结构缺陷。


上述研究成果发表在能源主流期刊Fuel上,第一作者为中国科学院大学侯泉林教授课题组博士研究生韩雨珍。本论文受国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项(2016YFC0600401)和国家自然科学基金(No. 41030422)共同资助。

Yuzhen Han, JinWang, Han Y, Wang J, Dong Y, Hou Q, Pan J. The role of structure defects in thedeformation of anthracite and their influence on the macromolecular structure.Fuel 2017; 206: 1-9.



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