發(fā)布時(shí)間：2017-09-30 05:05

  本文關(guān)鍵詞：煤分子結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境對(duì)煤層氣生成及運(yùn)移的影響

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【摘要】：煤層氣生成和運(yùn)移是煤礦瓦斯治理和煤層氣抽采領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題。構(gòu)造煤的存在是煤與瓦斯突出的必要條件。在構(gòu)造應(yīng)力作用下，構(gòu)造煤會(huì)發(fā)生分子結(jié)構(gòu)的變形，進(jìn)而引起納米級(jí)結(jié)構(gòu)甚至分子結(jié)構(gòu)的變化，最終影響煤層氣的吸附與擴(kuò)散，表現(xiàn)為煤層氣吸附量高、擴(kuò)散快的特點(diǎn)。因此，研究煤分子結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境對(duì)煤層氣生成及運(yùn)移的影響，闡明煤層氣的生成機(jī)理，明確影響煤層氣運(yùn)移的微觀因素，獲得符合構(gòu)造煤宏觀特點(diǎn)的微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)和微觀模型，探討外界環(huán)境對(duì)煤層氣運(yùn)移的影響，不僅對(duì)深入認(rèn)識(shí)煤與瓦斯突出機(jī)理有重要理論意義，而且對(duì)指導(dǎo)煤礦瓦斯治理和煤層氣開發(fā)有明確實(shí)際意義。 本文采用密度泛函理論計(jì)算方法，獲得了不同溫度下煤層氣生成的降解機(jī)理和縮聚機(jī)理；采用蒙特卡洛模擬方法、分子動(dòng)力學(xué)模擬方法及色散修正的密度泛函理論計(jì)算方法，研究了煤分子結(jié)構(gòu)對(duì)煤層氣運(yùn)移的影響；采用蒙特卡洛模擬方法及分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，探討了外界環(huán)境對(duì)煤層氣運(yùn)移的影響。主要結(jié)論如下： 通過研究煤演化過程中煤層氣在降解和縮聚作用下的生成機(jī)理，得出：升高溫度能夠加快煤層氣的生成；煤結(jié)構(gòu)中H自由基的參與能夠顯著提高煤層氣的生成能力；煤分子結(jié)構(gòu)中斷鍵處相似的化學(xué)環(huán)境導(dǎo)致生成煤層氣的難易程度相差不大；煤分子結(jié)構(gòu)中，有較長側(cè)鏈 CH2CH3和 CH2OH等存在的情況下，更容易發(fā)生降解反應(yīng)而不易發(fā)生縮聚反應(yīng)；側(cè)鏈中存在 OH和 COOH時(shí)，更容易發(fā)生縮聚反應(yīng)而不易發(fā)生降解反應(yīng)；側(cè)鏈中存在 CH3和 OCH3時(shí)，發(fā)生降解反應(yīng)和縮聚反應(yīng)的能力相當(dāng)。 通過研究煤分子結(jié)構(gòu)對(duì)煤層氣運(yùn)移的影響，得出：隨著芳香單元延展度（La）的增加，，單位質(zhì)量的煤對(duì)煤層氣的吸附體積基本不變，但煤層氣的擴(kuò)散系數(shù)增大；隨著芳香單元堆砌層數(shù)（N）的增加，單位質(zhì)量的煤對(duì)煤層氣的吸附體積呈逐漸降低的趨勢(shì)，煤層氣的擴(kuò)散系數(shù)不是一個(gè)單調(diào)的變化過程，而是一個(gè)受多種因素共同作用的復(fù)雜過程；單缺陷和含氧官能團(tuán)的存在，能夠增強(qiáng)煤層氣與表面的相互作用，且單缺陷和 C=O的存在，提高了煤層氣的擴(kuò)散速率；煤結(jié)構(gòu)中大的裂隙更有利于煤層氣的擴(kuò)散。綜合分析煤層氣的吸附量、吸附能和擴(kuò)散系數(shù)，明確了構(gòu)造煤的微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)，即：La=20.313nm、Lc=13.6 15.2nm、La/Lc=1.34 1.49、N=4、n=253。 外界環(huán)境同樣影響著煤層氣的運(yùn)移：平衡壓力的增加有利于煤層氣的吸附而不利于其擴(kuò)散，且煤層氣達(dá)到飽和吸附量時(shí)的壓力高于6MPa；溫度的增加有利于煤層氣的擴(kuò)散，且在較高壓力下，溫度的變化對(duì)其影響更加明顯；煤層氣中二氧化碳和水分子的存在不利于其擴(kuò)散，且相比于水分子，相同含量二氧化碳分子的存在對(duì)煤層氣擴(kuò)散的抑制作用更大。
【關(guān)鍵詞】：構(gòu)造煤 煤結(jié)構(gòu) 煤層氣 生成機(jī)理 吸附 擴(kuò)散
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TD841;TD712
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 緒論12-28
• 1.1 煤層氣的成因及賦存狀態(tài)12-13
• 1.2 構(gòu)造煤的形成13
• 1.3 構(gòu)造煤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)13-15
• 1.3.1 構(gòu)造煤的宏觀結(jié)構(gòu)13-14
• 1.3.2 構(gòu)造煤的微觀結(jié)構(gòu)14-15
• 1.4 構(gòu)造煤與瓦斯突出現(xiàn)象15-16
• 1.5 煤層氣生成及運(yùn)移的研究現(xiàn)狀16-19
• 1.5.1 煤層氣的生成16-17
• 1.5.2 煤層氣的吸附行為17-18
• 1.5.3 煤層氣的擴(kuò)散行為18-19
• 1.6 研究思路及研究內(nèi)容19-21
• 1.6.1 研究思路19-20
• 1.6.2 研究內(nèi)容20-21
• 本章參考文獻(xiàn)21-28
• 第二章 理論基礎(chǔ)28-34
• 2.1 密度泛函理論計(jì)算方法28-29
• 2.1.1 密度泛函理論的發(fā)展28
• 2.1.2 過渡態(tài)理論28-29
• 2.1.3 色散修正的密度泛函理論29
• 2.2 蒙特卡洛模擬方法29-30
• 2.2.1 蒙特卡洛方法的基本原理29-30
• 2.2.2 蒙特卡洛方法的求解過程30
• 2.3 分子動(dòng)力學(xué)模擬方法30-32
• 2.3.1 分子動(dòng)力學(xué)方法的基本原理30-31
• 2.3.2 模擬過程的力場與控溫方法31-32
• 本章參考文獻(xiàn)32-34
• 第三章 煤層氣的生成機(jī)理34-62
• 3.1 引言34-35
• 3.2 計(jì)算參數(shù)及可靠性驗(yàn)證35-36
• 3.3 煤降解生烴機(jī)理36-50
• 3.3.1 計(jì)算模型的選擇36-38
• 3.3.2 熱解路徑38-46
• 3.3.3 熱解動(dòng)力學(xué)分析46-50
• 3.3.4 降解生烴小結(jié)50
• 3.4 煤縮聚生烴機(jī)理50-57
• 3.4.1 縮聚模型50-51
• 3.4.2 縮聚機(jī)理及動(dòng)力學(xué)分析51-56
• 3.4.3 縮聚生烴小結(jié)56-57
• 3.5 本章小結(jié)57-58
• 本章參考文獻(xiàn)58-62
• 第四章 煤分子結(jié)構(gòu)對(duì)煤層氣運(yùn)移的影響62-92
• 4.1 引言62-63
• 4.2 煤分子結(jié)構(gòu)對(duì)煤層氣吸附量的影響研究63-73
• 4.2.1 煤分子模型的構(gòu)建63-67
• 4.2.2 蒙特卡洛模擬參數(shù)67-68
• 4.2.3 芳香單元延展度對(duì)煤層氣吸附量的影響68-69
• 4.2.4 芳香單元堆砌層數(shù)對(duì)煤層氣吸附量的影響69-71
• 4.2.5 缺陷及含氧官能團(tuán)類型對(duì)煤層氣吸附量的影響71-73
• 4.2.6 影響煤層氣吸附量的分子結(jié)構(gòu)73
• 4.3 煤分子結(jié)構(gòu)對(duì)煤層氣擴(kuò)散行為的影響研究73-81
• 4.3.1 分子動(dòng)力學(xué)模擬參數(shù)73-74
• 4.3.2 初始模型的確定74-75
• 4.3.3 不同芳香單元延展度下煤層氣的擴(kuò)散系數(shù)75-76
• 4.3.4 不同芳香單元堆砌層數(shù)下煤層氣的擴(kuò)散系數(shù)76-79
• 4.3.5 表面缺陷及含氧官能團(tuán)對(duì)煤層氣擴(kuò)散系數(shù)的影響79-80
• 4.3.6 不同芳香層片組間隙下煤層氣的擴(kuò)散系數(shù)80
• 4.3.7 影響煤層氣擴(kuò)散行為的分子結(jié)構(gòu)80-81
• 4.4 煤分子結(jié)構(gòu)對(duì)煤層氣吸附能力的影響研究81-84
• 4.4.1 模型的選擇81
• 4.4.2 密度泛函理論計(jì)算參數(shù)81-82
• 4.4.3 不同芳香單元延展度下甲烷的吸附能82
• 4.4.4 表面缺陷及含氧官能團(tuán)對(duì)甲烷吸附能的影響82-83
• 4.4.5 煤分子結(jié)構(gòu)對(duì)甲烷吸附能的影響83-84
• 4.5 構(gòu)造煤分子微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定84-85
• 4.6 本章小結(jié)85-87
• 本章參考文獻(xiàn)87-92
• 第五章 外界環(huán)境對(duì)煤層氣運(yùn)移的影響92-104
• 5.1 引言92-93
• 5.2 壓力和溫度對(duì)煤層氣運(yùn)移的影響93-96
• 5.2.1 模型及參數(shù)93
• 5.2.2 不同壓力下煤層氣的運(yùn)移93-95
• 5.2.3 不同溫度下煤層氣的運(yùn)移95-96
• 5.3 其它氣體含量對(duì)煤層氣擴(kuò)散行為的影響96-99
• 5.3.1 模擬方法及參數(shù)96
• 5.3.2 二氧化碳含量對(duì)煤層氣擴(kuò)散行為的影響96-97
• 5.3.3 不同含量水分子存在時(shí)煤層氣的擴(kuò)散行為97-98
• 5.3.4 二氧化碳和水含量對(duì)煤層氣擴(kuò)散的影響98-99
• 5.4 煤顆粒徑向不均質(zhì)的煤層氣擴(kuò)散微觀模型99-101
• 5.5 本章小結(jié)101-102
• 本章參考文獻(xiàn)102-104
• 第六章 總結(jié)104-108
• 6.1 主要結(jié)論104-105
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)105-106
• 6.3 工作不足與建議106-108
• 致謝108-109
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文109

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 鐘玲文;煤的吸附性能及影響因素[J];地球科學(xué);2004年03期

2 李晶瑩,陶明信;國際煤層氣組成和成因研究[J];地球科學(xué)進(jìn)展;1998年05期

3 秦勇;國外煤層氣成因與儲(chǔ)層物性研究進(jìn)展與分析[J];地學(xué)前緣;2005年03期

4 琚宜文;林紅;李小詩;范俊佳;;煤巖構(gòu)造變形與動(dòng)力變質(zhì)作用[J];地學(xué)前緣;2009年01期

5 陳富勇;琚宜文;李小詩;范俊佳;梁英;;構(gòu)造煤中煤層氣擴(kuò)散-滲流特征及其機(jī)理[J];地學(xué)前緣;2010年01期

6 張麗萍;蘇現(xiàn)波;曾榮樹;;煤體性質(zhì)對(duì)煤吸附容量的控制作用探討[J];地質(zhì)學(xué)報(bào);2006年06期

7 陳昌國,魏錫文,鮮學(xué)福;用從頭計(jì)算研究煤表面與甲烷分子相互作用[J];重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2000年03期

8 琚宜文,姜波,侯泉林,王桂梁;構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)成分應(yīng)力效應(yīng)的傅里葉變換紅外光譜研究[J];光譜學(xué)與光譜分析;2005年08期

9 李小詩;琚宜文;侯泉林;林紅;;煤巖變質(zhì)變形作用的譜學(xué)研究[J];光譜學(xué)與光譜分析;2011年08期

10 屈爭輝;姜波;汪吉林;竇新釗;李明;;構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)演化及其應(yīng)力-應(yīng)變環(huán)境[J];高校地質(zhì)學(xué)報(bào);2012年03期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 賈建波;神東煤鏡質(zhì)組結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建及其熱解甲烷生成機(jī)理的分子模擬[D];太原理工大學(xué);2010年

本文編號(hào)：946269