瓦斯,又叫煤层气,是高效清洁能源的同时又是温室气体,具有很高的抽采利用价值。但我国煤储层因地质条件复杂而具有低渗透性、易吸附难解吸的特点,开采难度较大。因此有效提高煤层渗透性对煤层气的安全开采具有十分重要的意义。本文采用自制的非均相钴基活化剂活化的过硫酸铵溶液对不同煤阶的煤样进行改性处理,对改性前后煤的表面润湿性、形貌、孔隙结构、瓦斯吸附特性、增透效果进行了实验研究,并对其微观机理进行了分析,得到的主要结论如下:(1)由接触角测试可知:改性后焦煤的接触角由114.93°降低至45.53°,说明Co-NCP/APS体系对煤润湿性改善效果显著;温度对Co-NCP/APS体系氧化煤表面有较大影响,接触角随温度的升高而降低;通过扫描电镜测试观察到改性后煤表面变得松散、粗糙,出现了大量新的孔洞和裂隙,且对低阶煤溶蚀效果更好。(2)结合压汞法和低温氮吸附法对改性前后煤的孔隙结构进行分析,压汞法对渗流孔测试比较准确,低温氮吸附法对吸附孔测试更加准确。压汞测试结果表明:改性后煤的渗流容积(中孔、大孔)孔容及孔容占比增加,吸附容积(微孔、小孔)孔容及孔容占比减小,说明Co-NCP/APS体系能起到増孔、扩孔、疏孔的作用;改性后长焰煤、焦煤、无烟煤孔隙度增幅分别为43.50%、35.50%、12.54%,孔容增幅分别为56.02%、45.54%、20.08%,说明Co-NCP/APS体系改性处理能增加煤中瓦斯运移的通道,促进煤层瓦斯的渗流。低温氮吸附测试结果表明,Co-NCP/APS体系改性处理后长焰煤、焦煤、无烟煤比表面积降幅分别为78.40%、65.32%、59.19%,微小孔孔容降幅分别为78.43%、52.50%、46.15%,说明改性处理后煤对于瓦斯的吸附储集能力降低;通过分形理论分析Co-NCP/APS体系改性处理能降低煤孔结构的复杂程度和煤表面的粗糙度,使得煤孔隙表面变得更加光滑,进而降低煤对瓦斯的吸附、储集能力。(3)通过等温吸附测试和瓦斯放散初速度测试可知:Co-NCP/APS体系改性处理之后长焰煤、焦煤、无烟煤吸附常数a值分别降低16.14%、10.19%、6.01%,吸附常数b值分别降低45.19%、40.03%、28.51%,瓦斯放散初速度ΔP分别降低了49.19%、33.33%、12.55%,说明改性处理可显著降低煤的亲甲烷能力。(4)通过渗流测试可知Co-NCP/APS体系对煤的增透效果明显优于清水和APS溶液(未活化),且对低阶煤的增透效果较好,改性处理后长焰煤、焦煤、无烟煤渗透率平均增幅分别为620.15%、541.02%、334.42%。(5)通过对改性前后煤样的红外光谱检测和不同处理条件下煤样滤清液的总有机碳检测可对Co-NCP/APS体系化学增透的微观机理进行分析:活化的过硫酸铵溶液可产生大量具有强氧化性的硫酸根自由基(SO₄^·-),可有效氧化、溶蚀煤中的有机小分子物质,一方面疏通了被小分子有机物占据或封堵的孔道,起到“增孔”、“扩孔”、“疏孔”的作用,另一方面硫酸根自由基(SO₄^·-)能原位氧化煤样表面,使含氧官能团的含量增加,通过改变煤表面的物理化学性质从而增加煤表面润湿性,降低煤的亲甲烷能力,达到增解增透的目的。