黏土矿物类型对煤力学非均质性影响的分子机制
张彬1
孙蓓蕾2
王德璋3
康天合4
冯智杰5
李立功6
李昊洋4
梁晓敏4
朱文庆4
张俊爽7
1.太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室,山西 太原 030024;太原理工大学矿业工程学院,山西 太原 030024;晋能控股装备制造集团有限公司,山西 晋城 0480062.太原理工大学矿业工程学院,山西 太原 030024;太原理工大学煤与煤系气地质山西省重点实验室,山西 太原 0300243.晋能控股装备制造集团有限公司,山西 晋城 0480064.太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室,山西 太原 0300245.山西世德孙家沟煤矿有限公司,山西 忻州 0366006.太原理工大学经济管理学院,山西 太原 0300247.太原理工大学矿业工程学院,山西 太原 030024
摘要：煤层气是我国重要的非常规天然气资源,但无机矿物影响下的煤储层具有强烈的力学非均质性,存在已成功使用的工程技术在其他煤层气井不适用的情况,深入研究煤中无机矿物与有机质的相互作用及其对煤力学非均质性的影响机制具有重要的意义.利用分子模拟对比分析了高岭石、伊利石和蒙脱石 3种典型黏土矿物与无烟煤有机质的相互作用范围、位置和强度及差异性,阐明了不同黏土矿物对煤孔隙率的影响规律,揭示了煤力学非均质对黏土矿物类型的响应特征.结果表明:高岭石或伊利石与煤有机质的径向分布函数呈双峰特性,同时存在氢键作用和范德华力,而蒙脱石的径向分布函数呈单峰分布,相互作用以范德华力为主,占总能量变化的 89.36%,不存在氢键作用;矿物分子进入到煤有机质后会相互堆叠填充,形成具有一定的非均质性且形状不规则的纳米孔隙结构,相同矿物含量下,含不同矿物类型煤的孔隙率大小顺序为:蒙脱石>伊利石>高岭石;黏土矿物与煤有机质的相互作用强度主要取决于黏土矿物分子的尺寸,呈反比例关系;不同高岭石含量下,无烟煤的体积模量、弹性模量和剪切模量非均质性可分为 5个部分,存在变异性极高的区域,而含伊利石和含蒙脱石无烟煤除了剪切模量存在高变异区域,其他力学参数均处于低变异范围以下,高岭石对无烟煤力学非均质的影响程度要大于伊利石和蒙脱石的影响.研究成果将为预测煤储层力学性质的变化规律且根据煤中不同黏土矿物特征有针对性的制定储层改造措施和开发方案提供力学依据.
关键词：无烟煤黏土矿物类型力学性质非均质性分子模拟
分类号：TU447(土力学、地基基础工程)
资助基金：国家重点研发计划(2021YFC2902002)国家自然科学基金(42372203)国家自然科学基金(42302202)
论文发表日期：2025-05-30
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：14( 2567-2580 )
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