基于分子模拟的软硬煤瓦斯吸附扩散行为研究

作     者：王丹丹 

作者单位：河南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘彦伟

授予年度：2018年

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

主      题：软硬煤 分子模拟 吸附扩散 超晶胞模型 

摘      要：软硬煤分子结构的差异及其对吸附解吸扩散差异的影响规律和机理,是煤层瓦斯灾害防治和煤层气开发可行性评价的重要方面。从微观角度开展以上研究是发现和解释宏观规律的必要手段。目前,有关煤吸附扩散特性的研究大多侧重于物理实验研究,把微观规律与宏观规律方面相结合的研究较少。论文选取了无烟煤、焦煤和肥煤典型软硬煤样,开展了X射线衍射实验,查明了软硬煤分子结构参数的差异。参照晶体结构数据库ICSD中石墨的晶胞参数,构建优化了不同孔径和水分含量的超晶结构模型,体现了软硬煤分子结构差异。用巨正则蒙特卡罗方法(GCMC),模拟了甲烷在1nm、3nm和5nm孔径内软硬煤的等温吸附规律,且对比分析了相同孔径软硬煤吸附差异特征,从分子结构和分子间作用力方面阐明了差异机理。分析了甲烷在不同温度和水分含量不同下的吸附特征,揭示了这两个因素对甲烷在软硬煤中吸附影响规律。用分子动力学法(MD)模拟研究了软硬煤的瓦斯扩散规律,分析了在相同温度和相同孔径下,典型软硬煤的扩散特性差异。模拟了1nm、3nm和5nm孔径内甲烷在软硬煤中的扩散差异特征。计算了三组典型软硬煤在不同温度下的扩散系数,通过Arrhenius方程拟合计算得到三组煤样的活化能。研究结果表明,超晶胞结构模型从晶胞倍数、层数,来反映软硬煤的延展度(La)、堆砌度(Lc)和层间距(d)差异。超额吸附量在1nm孔径下最大、3nm次之,5nm最小;在同一孔径和温度下,相对于硬煤,软煤甲烷超额吸附量更大。随着含水量增加,甲烷在软硬煤中的吸附量均减小,当含水量达到一定程度时,煤对甲烷吸附量基本不再发生变化,原因是煤结构模型的吸附位基本被水分子占据。随着温度的升高,软硬煤吸附量均呈下降趋势,且软煤始终高于硬煤,另外软硬煤吸附量之间的差距逐渐缩小。软硬煤扩散系数的计算结果表明,甲烷在软硬煤中的扩散系数均随着水分的增加而降低,随着模拟温度的升高而增大,且软煤扩散系数均大于硬煤。计算得到的扩散系数进行了Arrhenius方程拟合得到不同温度下三组软硬煤的活化能,结果表明相较于硬煤,软煤的活化能更小,说明甲烷在软煤中更易扩散出来。