甲烷在構(gòu)造煤中吸附和擴(kuò)散的分子模擬.pdf

1、構(gòu)造煤是煤體的原生結(jié)構(gòu)遭受不同程度破壞甚至內(nèi)部化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)變化的一類煤，它的存在與瓦斯突出有著密切的關(guān)聯(lián)。本文采用分子模擬的巨正則系綜蒙特卡洛方法(GCMC)和分子動(dòng)力學(xué)方法(MD)，通過比較甲烷在構(gòu)造煤和相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤中吸附及擴(kuò)散的差異，旨在尋求瓦斯突出的微觀原因。本文的主要內(nèi)容如下：
　　 依據(jù)取自同一礦井、同一煤層的構(gòu)造煤和相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤XRD分析數(shù)據(jù)，結(jié)合無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫ICSD中石墨的晶胞參數(shù)，構(gòu)建出構(gòu)造煤和相

2、應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤模型。
　　 采用GCMC方法，計(jì)算283-323K下甲烷在兩種煤模型中吸附的亨利常數(shù)，得到吸附熱。計(jì)算結(jié)果顯示，所有煤樣，包含了從肥煤到無煙煤階段的構(gòu)造煤和相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤對甲烷的吸附熱數(shù)值差別很小，說明煤與氣體吸附作用的熱效應(yīng)不是瓦斯突出的主要原因。
　　 選取兩組構(gòu)造差異較大的構(gòu)造煤和相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤，采用GCMC方法計(jì)算298K和303K下甲烷的等溫吸附線，計(jì)算結(jié)果表明在相同溫度下構(gòu)造煤對甲烷的吸附

3、能力大于相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤。
　　 通過研究溫度、煤化程度和水分對甲烷吸附的影響，計(jì)算結(jié)果表明，在283K-323K范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，兩種煤對甲烷的吸附量呈規(guī)律性的降低，用線性方程回歸得到溫度-吸附量經(jīng)驗(yàn)公式，發(fā)現(xiàn)構(gòu)造煤吸附甲烷對溫度的變化更為敏感；隨著煤化程度的升高，構(gòu)造煤對甲烷的吸附量明顯增加，在低煤化程度階段，溫度的影響較弱，隨著煤化程度的增大，溫度的影響顯著；由于水分子較甲烷分子更容易吸附，水分子優(yōu)先占據(jù)煤表面的吸附

4、位，使得甲烷的吸附量有所減少；水分子含量越多，甲烷吸附量減少越明顯，但在數(shù)量上水分子的吸附不會(huì)給甲烷的吸附帶來本質(zhì)上的影響。
　　 采用MD方法，研究了甲烷在構(gòu)造煤和相應(yīng)原生結(jié)構(gòu)煤中的擴(kuò)散，通過分析均方位移(MSD)，計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)，發(fā)現(xiàn)構(gòu)造煤更有利于甲烷的擴(kuò)散。
　　 選取了一組構(gòu)造煤和相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤，計(jì)算288、298、308、318和328K下甲烷在兩種煤中的擴(kuò)散系數(shù)，并通過Arrhenius方程擬合得到甲烷在構(gòu)造