实验变形煤结构演化的电子顺磁共振研究

通过１４件高温高压实验样品及其原样的电子顺磁共振研究,论述了温度、压力、应力、应变速率和应变强度等是影响变形煤化学结构演化的重要因素,但在不同的煤级中和不同的实验条件下,各因素所起的作用是不同的。变形煤ＥＰＲ参数的演化与镜质组反射率的变化密切相关,并且具有较好的规律性。说明镜质组反射率是煤化学结构演化的外在反映,是煤田构造研究中极为重要的标志物之一。     

构造煤化学结构演化与瓦斯特性耦合机理

煤是对应力和应变非常敏感的一种特殊岩石,在不同的应力-应变环境和构造应力作用下,煤的物理结构、化学结构及其光性特征等都将发生显著变化,从而形成具有不同结构特征的、不同类型的构造煤。构造煤在变形的过程中,镜质组反射率将发生规律性变化,并被较为广泛地应用于煤田构造的定量研究,高温高压变形实验也证实了这一现象。为了深入探讨煤镜质组光性组构变化的微观机理,将X-射线衍射、顺磁共振和核磁共振等技术应用于不同类型构造煤以及高温高压实验变形煤的化学结构研究。研究表明,构造煤化学结构演化与镜质组反射率的演化具有密切的内在联系,镜质组反射率的光性异常是构造煤化学结构演化在物理光学性质上的具体体现。不同类型的构造煤由于物理和化学结构上的不同,导致瓦斯含量和透气性等瓦斯特性上的重大差异,糜棱煤特殊的物理和化学结构决定了其高含气量和低透气性的特征,是矿井瓦斯突出的危险地带,因此,可以通过构造煤分布规律的研究,进行矿井瓦斯富集与突出危险性的评价与预测,为矿井瓦斯灾害的研究提供新的思路和方法。     

构造煤结构演化及其应力-应变环境

基于不同变形类型和程度煤样品的X 射线衍射分析（XRD）,研究了构造煤的结构演化及其应力- 应变环境。结果显示, 弱变形构造煤芳香结构参数面网间距（d 002）随煤化程度增高呈阶跃式减小,阶跃点为最大油浸镜质组反射率等于0.69% 左 右,阶跃点后变化不大;鳞片煤Ⅱ的面网间距最小,揉皱糜棱煤与片状碎裂煤Ⅱ相当,介于弱变形构造煤与鳞片煤Ⅱ之间, 揉皱煤的面网间距稍大于揉皱糜棱煤;堆砌度随煤芳香结构演化与面网间距协调变化。认为应力- 应变作用类型和程度的 差异控制了不同变形类型和程度构造煤的形成,应力- 应变作用不仅改变煤体宏观和微观结构,也影响着煤芳香结构的演 化,且不同类型和程度应力－应变作用的影响程度存在较大差异。形成构造煤的应力- 应变环境可分为脆性碎裂变形环境、 韧性变形环境和剪切变形环境三类。弱和中等脆性碎裂变形作用对煤芳香结构影响不大;韧性和剪切变形作用分别以一定 的温压条件和定向的应力作用为主要特征,前者有利于煤中杂原子团的脱落和新芳环的形成,后者有助于煤中分子结构的 有序化,均可促进煤中芳核的生长。     

煤镜质组反射率的定向特征及其应力指示意义 ——以淮北矿区为例

基于淮北矿区4个矿井共15块煤定向样品的镜质组反射率测试数据,在相容性调整的基础上,开展煤样镜质组反射率三维椭球体进行拟合。结合区域及采样地成煤后构造演化分析及煤样变形类型特征,深入研究煤镜质组反射率三维椭球体的方位和形状对应力、温度和变形结构的响应,并探讨其内在机理。结果显示:煤镜质组反射率三维椭球体最大—中间反射率所在平面的倾向多与区域应力来源方向相近,其原因可能归结于煤中芳香片层向垂直于岩石圈当中近水平构造应力和上覆地层压力的合力方向优势发育。垂直于挤压应力方向延伸的断层的干扰、煤变形程度和多期应力场的叠加效应是导致少数样品指示异常的主因。在多期应力场叠加影响区域,镜质组反射率定向会向后期应力方向发生不同程度偏转。但对于强变形构造煤,煤体颗粒间的移位旋转会削弱镜质组反射率重新定向偏转的程度,使其镜质组最大—中间反射率平面倾向主要指示前期应力来源方向。岩浆热异常是导致最大—中间反射率所在平面陡倾的主要因素之一。根据弗林参数,多数样品表现为扁椭球型,仅是煤正常演化的反映,而长椭球型则主要反映了岩浆热异常的的影响。     

变形煤的EPR结构演化及其构造地质意义

构造煤和高温高压实验变形煤的ＥＰＲ实验结果,充分显示了变形煤的ＥＰＲ参数具有随Ｒｏ,ｍａｘ的增大而呈现规律性演化的特征,在Ｒｏ,ｍａｘ〉４％以后煤结构演化机理向拼叠作用的转化在实验变形煤和构造煤中也有很好的体现。但是,变形煤Ｒｏ,ｍａｘ的增大除与温度和围压条件有关外,还深刻地受到定向压力或构造应力的影响,尤其是对镜质组反射率各向异性的增强、煤大分子结构有序畴及定向性的增大更具有极为重要的控制作用。     

变形煤镜质组反射率演化的地化机理及其地质意义

通过X射线衍射(XRD)、电子顺磁共振(EPR)和核磁共振(NMR)等方法深入探讨了高温高压实验和构造煤样的化学结构演化特征,阐明了变形煤镜质组反射率的变化是其微观化学结构演化的外在反映。变形煤镜质组反射率的演化又受到应力和变形环境等因素的深刻影响,其真实地记录了构造变形历史中应力作用和应变环境等特征,是进行煤田构造研究的重要标志物之一      

变形煤镜质组反射率演化的地化机理及其地质意义

通过X射线衍射(XRD)、电子顺磁共振(EPR)和核磁共振(NMR)等方法深入探讨了高温高压实验和构造煤样的化学结构演化特征,阐明了变形煤镜质组反射率的变化是其微观化学结构演化的外在反映。变形煤镜质组反射率的演化又受到应力和变形环境等因素的深刻影响,其真实地记录了构造变形历史中应力作用和应变环境等特征,是进行煤田构造研究的重要标志物之一。     

显微组分大分子结构演化差异性及其动力学机制——研究进展与展望

显微组分物理化学性质是影响煤炭清洁高效利用和煤储层物性的重要因素,已经认识到决定显微组分性质的根本原因在于其大分子结构。为了揭示显微组分大分子结构演化特征及其控制因素,从显微组分大分子化学结构与物理结构、大分子结构演化的构造应力效应、煤变质全阶段大分子结构演化特征等方面,总结了国内外研究进展,分析了存在的不足。指出由于富镜质组煤的广泛分布和重要工业用途使之成为煤结构研究的主要对象,惰质组的研究则相对缺乏,阻碍了对煤特性的全面认识。提出“煤变质作用的热-应力条件决定显微组分结构演化、惰质组与镜质组大分子结构演化具有差异性”的研究思路,采用惰质组/镜质组高温高压模拟和热模拟实验并与自然序列变质-变形煤对比,研究显微组分结构演化特征及其控制因素。定量刻画显微组分大分子结构与温压条件的关系,揭示构造应力对显微组分化学结构和纳米孔隙结构的控制,确定煤变质全过程中惰质组大分子结构的演化路径,建立惰质组大分子动力学模型。上述研究成果将充实对煤微观结构演化及其控制因素的全面认识,为煤炭清洁高效利用和煤储层物性评价提供基础依据。      

煤中镜质组三维反射率模式测算方法

镜质组反射率是煤的重要物理性质参数之一。以往认为,镜质组三维反射率模式类似于一轴晶负光性的光率体,其最小轴垂直于层里面。近年来,已广泛报道在中、高变质阶段烟煤,甚至在某些低变质阶段的烟煤中,具有二轴性反射率模式的事实,使人们逐渐认识到反射率模式的空间位置是受复杂因素的影响。镜质组反射率与煤的分子结构有着密切的关系,尤其在煤化作用加深时,受煤中形成的芳香族类高分子片层大小和排列的影响。      

煤镜质组反射率光性组构变形实验研究

不同煤级煤的高温高压实验表明，在温、压和差异应力作用下，煤镜质组反射率值和各向异性都有一定程度增加，变形越强烈，增加越明显，尤其在中煤级中、晚期阶段更是如此。在变形过程中，反射率主轴将发生有规律的偏转，变形越强烈，最小反射率主轴越接近于最大挤压应力方向。随着变形的增强，镜质组反射率椭球由单向伸长同压缩型转化。     

豫西煤田构造煤反射率及其与古构造应力场的关系

为研究构造应力对煤反射率的影响,以豫西煤田不同构造区的构造煤和原生结构煤为对象,采用定向标本及反射率测定的方法作对比研究,发现构造煤的反射率比原生结构煤的反射率普遍偏高。根据反射率与构造应力的关系,求得各构造区的古构造应力场,通过与聚煤期后多次构造运动的主应力方向进行对比,可推知:影响嵩箕区二1煤变形和镜煤反射率的主要构造,是在前期断裂基础上喜山早期掀斜运动诱发的重力滑动构造,而影响崤熊区的则为燕山晚期的逆冲推覆作用。     

湘中南地区煤变质与地质构造关系的研究

对耒阳一临武径向构造带内的白沙含煤向斜用计算机计算镜质组反射率椭球确定了古构造应力场方向,发现其工变质分带没有联系。笔者还将研究区中的其他几个向斜工的变质程度与构造形迹,构造复杂程度、煤受构造破坏程度进行了对比研究。研究结果表明,煤变质指标等值线延展方向与向斜轴不平行而呈大角度相交;受抗日 强烈的向斜陡翼的煤变质程度并不高于受挤压相对弱的缓倾斜翼;祁阳山字型构造中煤变质指标等值线延展方向穿切前弧而     

豫北煤田焦作、鹤壁、安阳矿区二1煤层优势断裂构造地球化学特征

对豫北煤田焦作、鹤壁和安阳矿区二１煤层的对比样（构造煤和原生结构煤）进行了显微镜和扫描电镜下观察、镜质组反射率测试、Ｘ射线衍射分析和化学分析等。研究结果表明,构造煤因发生了断裂构造地球化学作用,其化学成分、元素成分和煤分子结构与原生结构煤明显不同：构造煤的挥发分含量（％）比原生结构煤一般要小０．５５～３．４８,平均要小１．５９;构造煤和原生结构煤相比,碳含量（％）平均增加了３．１,氢含量（％）平均     

Deformation metamorphism of bituminous and anthracite coals from China

Tectonic displacement of coal seams in China has resulted in faulting parallel to coal bedding. Displacement along these faults caused significant comminution of the coal on the footwall contributing to various mining problems, the worst of which is catastrophic failure, or “outbursting” of the working face during mining. The granular texture and mostly unconsolidated nature of the coal suggests that faulting occurred relatively late in the coalification sequence, at a time of maximum tectonic stress. Coal samples taken on either side of the fault plane (normal and deformed coal layers) were obtained in an effort to establish what influence these tectonic stresses might have had on coal properties as well as what they might reveal about the influence of tectonic pressure on organic maturity. Sample sets were collected within coal beds from undisturbed and adjacent deformed layers, including 21 bituminous samples from the Pingdingshan coal field and nine anthracite samples from the Jiaozuo coal field, the Tieshenggou coal mine of the Yuxi coal field in Henan province, the Beijing Xishan coal field, the Baijiao mine of the Furong coal field in Sichuang province and the Baisha coal field in Hunan province, China. Results from vitrinite reflectance, proximate and ultimate analyses show some differences in reflectance, hydrogen content and nitrogen content of anthracite coal. No significant difference was found between volatile matter yields of normal and deformed coal specimens. GC measurements of the saturated hydrocarbon fraction of chloroform extracts from bituminous coals showed that lower molecular weight carbon fragments were concentrated in the deformed samples. Therefore, although changes in the gross chemical properties of the deformed coal were insignificant, some modification of the chemical structure is seen to have occurred as a result of exposure to tectonic pressure.     

峰峰矿区通二井田煤镜质组有限应变特征及其应用

利用MPV—COMPACT型显微光度计对峰峰矿区通二井田煤镜质组反射率进行较系统的测试,发现井田内煤 3个光轴体主轴互相垂直,最大反射率轴倾角多数集中在 68°～69°之间,倾伏向有 3个方向,即近 280°、近 90°和近 180°。测区内煤的镜质组反射率椭球体的变形特征属于拉长型应变和压扁型应变。该井田煤镜质组反射率椭球体有限应变特征分析结果表明在煤系地层中,煤的最大镜质组反射率的方位除与区域构造应力场的作用有关外,还与其所处的局部构造位置有关。在断层附近,反射率Ro_max和Ro_min的差值随着距断层的距离增加而减小,且在断层面的两盘发生突变。这一特征有助于煤矿井下构造的预测。     

Coal strength and Young's modulus related to coal rank,compressional velocity and maceral composition

This paper presents an experimental investigation of coal rank and maceral composition influences on the coal mechanical behaviors. The complete stress–strain behavior, uniaxial compressive strength, Young's modulus, and acoustic compressional velocity were measured and correlated to coal ranks and microstructures. The test results show that coal is an elasto-brittle geo-material and its uniaxial compressive strength and Young's modulus increase as coal rank increases. This occurs because as vitrinite reflectance or coal rank increases, coal has less microporous structure and thus higher uniaxial compressive strength. Therefore, using vitrinite reflectance value instead of vitrinite content is advantageous for correlating coal strength. The experimental results also demonstrate that compressive strength and Young's modulus have positive exponential correlation, even for different types of coal. Therefore, the compressive strength of coal is highly related to its Young's modulus. The uniaxial compressive strength and acoustic compressional velocity of coal are also correlated, but a single correlation does not exist for different coal ranks; instead, different relationships occur for different types of coal.     

Vitrinite anisotropy under differential stress and high confining pressure and temperature: preliminary observations

The orientation of the optical indicating surface of vitrinite in reflected light has been determined following deformation at 350 and 500°C, confining pressures of 500 and 800 MPa and a strain rate of 10⁻⁵ s⁻¹. High temperature and large strain have facilitated reorientation of the indicating surface, increase in anisotropy (bireflectance) and an increase in maximum vitrinite reflectance. In a specimen deformed at 500°C and 23% axial strain the maximum vitrinite reflectance has been reoriented more than 70° from close to parallel to σ₁ in the undeformed state to perpendicular to σ₁ following deformation. Orientation of the optical indicating surface of some of the deformed specimens suggests the orientation of the maximum reflectance is a composite product of the original orientation of the indicating surface and an orientation produced during deformation.