煤分子结构与外界环境对煤层气生成及运移的影响

发布时间：2017-09-30 05:05

  本文关键词：煤分子结构与外界环境对煤层气生成及运移的影响

  更多相关文章： 构造煤 煤结构 煤层气 生成机理 吸附 扩散

【摘要】：煤层气生成和运移是煤矿瓦斯治理和煤层气抽采领域的关键科学问题。构造煤的存在是煤与瓦斯突出的必要条件。在构造应力作用下，构造煤会发生分子结构的变形，进而引起纳米级结构甚至分子结构的变化，最终影响煤层气的吸附与扩散，表现为煤层气吸附量高、扩散快的特点。因此，研究煤分子结构与外界环境对煤层气生成及运移的影响，阐明煤层气的生成机理，明确影响煤层气运移的微观因素，获得符合构造煤宏观特点的微晶结构参数和微观模型，探讨外界环境对煤层气运移的影响，不仅对深入认识煤与瓦斯突出机理有重要理论意义，而且对指导煤矿瓦斯治理和煤层气开发有明确实际意义。 本文采用密度泛函理论计算方法，获得了不同温度下煤层气生成的降解机理和缩聚机理；采用蒙特卡洛模拟方法、分子动力学模拟方法及色散修正的密度泛函理论计算方法，研究了煤分子结构对煤层气运移的影响；采用蒙特卡洛模拟方法及分子动力学模拟方法，探讨了外界环境对煤层气运移的影响。主要结论如下： 通过研究煤演化过程中煤层气在降解和缩聚作用下的生成机理，得出：升高温度能够加快煤层气的生成；煤结构中H自由基的参与能够显著提高煤层气的生成能力；煤分子结构中断键处相似的化学环境导致生成煤层气的难易程度相差不大；煤分子结构中，有较长侧链 CH2CH3和 CH2OH等存在的情况下，更容易发生降解反应而不易发生缩聚反应；侧链中存在 OH和 COOH时，更容易发生缩聚反应而不易发生降解反应；侧链中存在 CH3和 OCH3时，发生降解反应和缩聚反应的能力相当。 通过研究煤分子结构对煤层气运移的影响，得出：随着芳香单元延展度（La）的增加，，单位质量的煤对煤层气的吸附体积基本不变，但煤层气的扩散系数增大；随着芳香单元堆砌层数（N）的增加，单位质量的煤对煤层气的吸附体积呈逐渐降低的趋势，煤层气的扩散系数不是一个单调的变化过程，而是一个受多种因素共同作用的复杂过程；单缺陷和含氧官能团的存在，能够增强煤层气与表面的相互作用，且单缺陷和 C=O的存在，提高了煤层气的扩散速率；煤结构中大的裂隙更有利于煤层气的扩散。综合分析煤层气的吸附量、吸附能和扩散系数，明确了构造煤的微晶结构参数，即：La=20.313nm、Lc=13.6 15.2nm、La/Lc=1.34 1.49、N=4、n=253。 外界环境同样影响着煤层气的运移：平衡压力的增加有利于煤层气的吸附而不利于其扩散，且煤层气达到饱和吸附量时的压力高于6MPa；温度的增加有利于煤层气的扩散，且在较高压力下，温度的变化对其影响更加明显；煤层气中二氧化碳和水分子的存在不利于其扩散，且相比于水分子，相同含量二氧化碳分子的存在对煤层气扩散的抑制作用更大。
【关键词】：构造煤 煤结构 煤层气 生成机理 吸附 扩散
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD841;TD712
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 煤层气的成因及赋存状态12-13
• 1.2 构造煤的形成13
• 1.3 构造煤的结构特点13-15
• 1.3.1 构造煤的宏观结构13-14
• 1.3.2 构造煤的微观结构14-15
• 1.4 构造煤与瓦斯突出现象15-16
• 1.5 煤层气生成及运移的研究现状16-19
• 1.5.1 煤层气的生成16-17
• 1.5.2 煤层气的吸附行为17-18
• 1.5.3 煤层气的扩散行为18-19
• 1.6 研究思路及研究内容19-21
• 1.6.1 研究思路19-20
• 1.6.2 研究内容20-21
• 本章参考文献21-28
• 第二章 理论基础28-34
• 2.1 密度泛函理论计算方法28-29
• 2.1.1 密度泛函理论的发展28
• 2.1.2 过渡态理论28-29
• 2.1.3 色散修正的密度泛函理论29
• 2.2 蒙特卡洛模拟方法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过程30
• 2.3 分子动力学模拟方法30-32
• 2.3.1 分子动力学方法的基本原理30-31
• 2.3.2 模拟过程的力场与控温方法31-32
• 本章参考文献32-34
• 第三章 煤层气的生成机理34-62
• 3.1 引言34-35
• 3.2 计算参数及可靠性验证35-36
• 3.3 煤降解生烃机理36-50
• 3.3.1 计算模型的选择36-38
• 3.3.2 热解路径38-46
• 3.3.3 热解动力学分析46-50
• 3.3.4 降解生烃小结50
• 3.4 煤缩聚生烃机理50-57
• 3.4.1 缩聚模型50-51
• 3.4.2 缩聚机理及动力学分析51-56
• 3.4.3 缩聚生烃小结56-57
• 3.5 本章小结57-58
• 本章参考文献58-62
• 第四章 煤分子结构对煤层气运移的影响62-92
• 4.1 引言62-63
• 4.2 煤分子结构对煤层气吸附量的影响研究63-73
• 4.2.1 煤分子模型的构建63-67
• 4.2.2 蒙特卡洛模拟参数67-68
• 4.2.3 芳香单元延展度对煤层气吸附量的影响68-69
• 4.2.4 芳香单元堆砌层数对煤层气吸附量的影响69-71
• 4.2.5 缺陷及含氧官能团类型对煤层气吸附量的影响71-73
• 4.2.6 影响煤层气吸附量的分子结构73
• 4.3 煤分子结构对煤层气扩散行为的影响研究73-81
• 4.3.1 分子动力学模拟参数73-74
• 4.3.2 初始模型的确定74-75
• 4.3.3 不同芳香单元延展度下煤层气的扩散系数75-76
• 4.3.4 不同芳香单元堆砌层数下煤层气的扩散系数76-79
• 4.3.5 表面缺陷及含氧官能团对煤层气扩散系数的影响79-80
• 4.3.6 不同芳香层片组间隙下煤层气的扩散系数80
• 4.3.7 影响煤层气扩散行为的分子结构80-81
• 4.4 煤分子结构对煤层气吸附能力的影响研究81-84
• 4.4.1 模型的选择81
• 4.4.2 密度泛函理论计算参数81-82
• 4.4.3 不同芳香单元延展度下甲烷的吸附能82
• 4.4.4 表面缺陷及含氧官能团对甲烷吸附能的影响82-83
• 4.4.5 煤分子结构对甲烷吸附能的影响83-84
• 4.5 构造煤分子微晶结构参数的确定84-85
• 4.6 本章小结85-87
• 本章参考文献87-92
• 第五章 外界环境对煤层气运移的影响92-104
• 5.1 引言92-93
• 5.2 压力和温度对煤层气运移的影响93-96
• 5.2.1 模型及参数93
• 5.2.2 不同压力下煤层气的运移93-95
• 5.2.3 不同温度下煤层气的运移95-96
• 5.3 其它气体含量对煤层气扩散行为的影响96-99
• 5.3.1 模拟方法及参数96
• 5.3.2 二氧化碳含量对煤层气扩散行为的影响96-97
• 5.3.3 不同含量水分子存在时煤层气的扩散行为97-98
• 5.3.4 二氧化碳和水含量对煤层气扩散的影响98-99
• 5.4 煤颗粒径向不均质的煤层气扩散微观模型99-101
• 5.5 本章小结101-102
• 本章参考文献102-104
• 第六章 总结104-108
• 6.1 主要结论104-105
• 6.2 创新点105-106
• 6.3 工作不足与建议106-108
• 致谢108-109
• 攻读硕士期间发表的论文109

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 钟玲文;煤的吸附性能及影响因素[J];地球科学;2004年03期

2 李晶莹,陶明信;国际煤层气组成和成因研究[J];地球科学进展;1998年05期

3 秦勇;国外煤层气成因与储层物性研究进展与分析[J];地学前缘;2005年03期

4 琚宜文;林红;李小诗;范俊佳;;煤岩构造变形与动力变质作用[J];地学前缘;2009年01期

5 陈富勇;琚宜文;李小诗;范俊佳;梁英;;构造煤中煤层气扩散-渗流特征及其机理[J];地学前缘;2010年01期

6 张丽萍;苏现波;曾荣树;;煤体性质对煤吸附容量的控制作用探讨[J];地质学报;2006年06期

7 陈昌国,魏锡文,鲜学福;用从头计算研究煤表面与甲烷分子相互作用[J];重庆大学学报(自然科学版);2000年03期

8 琚宜文,姜波,侯泉林,王桂梁;构造煤结构成分应力效应的傅里叶变换红外光谱研究[J];光谱学与光谱分析;2005年08期

9 李小诗;琚宜文;侯泉林;林红;;煤岩变质变形作用的谱学研究[J];光谱学与光谱分析;2011年08期

10 屈争辉;姜波;汪吉林;窦新钊;李明;;构造煤结构演化及其应力-应变环境[J];高校地质学报;2012年03期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 贾建波;神东煤镜质组结构模型的构建及其热解甲烷生成机理的分子模拟[D];太原理工大学;2010年

本文编号：946269