軟硬煤分子結構的差異及其對吸附解吸擴散差異的影響規(guī)律和機理,是煤層瓦斯災害防治和煤層氣開發(fā)可行性評價的重要方面。從微觀角度開展以上研究是發(fā)現(xiàn)和解釋宏觀規(guī)律的必要手段。目前,有關煤吸附擴散特性的研究大多側重于物理實驗研究,把微觀規(guī)律與宏觀規(guī)律方面相結合的研究較少。論文選取了無煙煤、焦煤和肥煤典型軟硬煤樣,開展了X射線衍射實驗,查明了軟硬煤分子結構參數(shù)的差異。參照晶體結構數(shù)據(jù)庫ICSD中石墨的晶胞參數(shù),構建優(yōu)化了不同孔徑和水分含量的超晶結構模型,體現(xiàn)了軟硬煤分子結構差異。用巨正則蒙特卡羅方法(GCMC),模擬了甲烷在1nm、3nm和5nm孔徑內軟硬煤的等溫吸附規(guī)律,且對比分析了相同孔徑軟硬煤吸附差異特征,從分子結構和分子間作用力方面闡明了差異機理。分析了甲烷在不同溫度和水分含量不同下的吸附特征,揭示了這兩個因素對甲烷在軟硬煤中吸附影響規(guī)律。用分子動力學法(MD)模擬研究了軟硬煤的瓦斯擴散規(guī)律,分析了在相同溫度和相同孔徑下,典型軟硬煤的擴散特性差異。模擬了1nm、3nm和5nm孔徑內甲烷在軟硬煤中的擴散差異特征。計算了三組典型軟硬煤在不同溫度下的擴散系數(shù),通過Arrhenius方程擬合計算得到三組煤樣的活化能。研究結果表明,超晶胞結構模型從晶胞倍數(shù)、層數(shù),來反映軟硬煤的延展度(La)、堆砌度(Lc)和層間距(d_(002))差異。超額吸附量在1nm孔徑下最大、3nm次之,5nm最小;在同一孔徑和溫度下,相對于硬煤,軟煤甲烷超額吸附量更大。隨著含水量增加,甲烷在軟硬煤中的吸附量均減小,當含水量達到一定程度時,煤對甲烷吸附量基本不再發(fā)生變化,原因是煤結構模型的吸附位基本被水分子占據(jù)。隨著溫度的升高,軟硬煤吸附量均呈下降趨勢,且軟煤始終高于硬煤,另外軟硬煤吸附量之間的差距逐漸縮小。軟硬煤擴散系數(shù)的計算結果表明,甲烷在軟硬煤中的擴散系數(shù)均隨著水分的增加而降低,隨著模擬溫度的升高而增大,且軟煤擴散系數(shù)均大于硬煤。計算得到的擴散系數(shù)進行了Arrhenius方程擬合得到不同溫度下三組軟硬煤的活化能,結果表明相較于硬煤,軟煤的活化能更小,說明甲烷在軟煤中更易擴散出來。
【學位單位】：河南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TD712
【部分圖文】：

在運用 MS 分子模擬方法模擬甲烷分子在孔隙內吸附和擴散的過程中對比同煤階軟硬煤在甲烷擴散量、擴散系數(shù)等方面存在的差異。并研究孔徑、水分和壓力的變化對甲烷分子在孔隙內擴散的影響，且分析產(chǎn)生這種影響。（5）在分子層面研究分析甲烷分子在孔隙內的吸附和擴散在分子模擬法模擬甲烷分子吸附和擴散的過程中，從分子層面研究分析甲在孔隙內聚集、儲存、流動等分布形式，并研究使甲烷分子以此種形式分的變化規(guī)律，從分子層面解釋甲烷在煤孔隙內吸附和擴散的變化規(guī)律。

圖 3-1 分子動力學方法原理示意 3-1 Principle diagram of molecular dy——（3-23）進行反復求解，可以不同時刻作用在各粒子的勢能，的過程。通微分方程來求解的標準算法稱運動軌跡可以通過有限微分法來整運動過程分割為任意多個、時用力是其與體系中其他粒子相互定的 時刻體系為初始坐標，初速+ 時刻的位置和速度，那么 就

J1 J2圖 4-2 1nm 軟煤模型 J1（002）和相應的硬煤模型 J2（002）-2 10 Soft coal model J1（002）and the corresponding hard coal model J2（J1 J2圖 4-3 3nm 軟煤模型 J1（002）和相應的硬煤模型 J2（002）-2 30 Soft coal model J1（002）and the corresponding hard coal model J2（
【參考文獻】

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本文編號：2858650