构造煤分子结构的动力损伤对瓦斯吸附的影响

作     者：郭德勇 郭晓洁 陈培红 刘庆军 GUO Deyong;GUO Xiaojie;CHEN Peihong;LIU Qingjun

作者机构：中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083 河南平宝煤业有限公司首山一矿河南许昌452670 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2020年第45卷第7期

页      面：2610-2618页

核心收录：

学科分类：0819[工学-矿业工程] 0808[工学-电气工程] 081903[工学-安全技术及工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0820[工学-石油与天然气工程] 0817[工学-化学工程与技术] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0815[工学-水利工程] 0827[工学-核科学与技术] 0813[工学-建筑学] 0802[工学-机械工程] 0703[理学-化学] 0814[工学-土木工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金重点资助项目(41430640) 国家自然科学基金联合基金重点资助项目(U1704242)。 

主　　题：瓦斯吸附 分子结构 构造煤 结构缺陷 分子模拟 

摘      要：为了揭示构造应力作用对煤中芳香片层造成的动力损伤以及对瓦斯吸附的影响,采集平顶山矿区不同变形程度构造煤样品,通过高分辨透射电镜图像和拉曼光谱获取了构造煤的晶格条纹特征和结构缺陷类型,借助分子模拟对比了构造煤中分子结构缺陷的形成能量和吸附能量差异,探讨了结构缺陷的形成机制,并采用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)方法模拟了瓦斯分子在不同结构缺陷上的吸附行为。结果表明,构造煤中广泛存在着边界类缺陷(SW)和多种空位状缺陷,包括单空位缺陷(SV)、双空位缺陷(DV)以及多空位缺陷(MV1和MV2)。依据缺陷的形成方式和形成能可知,脆性变形煤以SV和DV结构缺陷为主,韧性变形煤主要包含SW,MV1和MV2结构缺陷;相对于C—C键和芳香环中心,缺陷中碳原子表面具有更高电子密度,更利于瓦斯分子吸附,缺陷附近瓦斯密度分布更高。瓦斯分子在不同结构缺陷表面的吸附等温线均符合I型吸附曲线特征,不同结构缺陷对瓦斯分子的吸附能力强弱表现为:Langmuir体积(VL)符合MV1MV2DVSWSV,Langmuir压力(PL)符合SWSVDVMV2MV1。研究表明,地质构造动力作用下构造煤内部结构产生的缺陷增大了瓦斯的赋存空间。