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.pdf

1、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

2、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

3、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)

4、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，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

5、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=20.313 nm、Lc=13.6-15.2 nm、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6 MPa;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