煤分子结构与外界环境对煤层气生成及运移的影响

【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。