基于分子模拟的软硬煤瓦斯吸附扩散行为研究

发布时间：2020-10-27 14:33

　　 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_(002))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。
【学位单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD712
【部分图文】：

在运用 MS 分子模拟方法模拟甲烷分子在孔隙内吸附和扩散的过程中对比同煤阶软硬煤在甲烷扩散量、扩散系数等方面存在的差异。并研究孔径、水分和压力的变化对甲烷分子在孔隙内扩散的影响，且分析产生这种影响。（5）在分子层面研究分析甲烷分子在孔隙内的吸附和扩散在分子模拟法模拟甲烷分子吸附和扩散的过程中，从分子层面研究分析甲在孔隙内聚集、储存、流动等分布形式，并研究使甲烷分子以此种形式分的变化规律，从分子层面解释甲烷在煤孔隙内吸附和扩散的变化规律。

图 3-1 分子动力学方法原理示意 3-1 Principle diagram of molecular dy——（3-23）进行反复求解，可以不同时刻作用在各粒子的势能，的过程。通微分方程来求解的标准算法称运动轨迹可以通过有限微分法来整运动过程分割为任意多个、时用力是其与体系中其他粒子相互定的 时刻体系为初始坐标，初速+ 时刻的位置和速度，那么 就

J1 J2图 4-2 1nm 软煤模型 J1（002）和相应的硬煤模型 J2（002）-2 10 Soft coal model J1（002）and the corresponding hard coal model J2（J1 J2图 4-3 3nm 软煤模型 J1（002）和相应的硬煤模型 J2（002）-2 30 Soft coal model J1（002）and the corresponding hard coal model J2（
【参考文献】

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本文编号：2858650