探究甲烷在构造煤中吸附和扩散的分子模拟

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1、太原理工大学硕士学位论文甲烷在构造煤中吸附和扩散的分子模拟姓名：荆雯申请学位级别：硕士专业：化学工艺指导教师：王宝俊20100601太原理工大学硕士研究生学位论文甲烷在构造煤中吸附和扩散的分子模拟摘要构造煤是煤体的原生结构遭受不同程度破坏甚至内部化学成分和结构变化的一类煤，它的存在与瓦斯突出有着密切的关联。本文采用分子模拟的巨正则系综蒙特卡洛方法（GCMC）和分子动力学方法（MD），通过比较甲烷在构造煤和相应的原生结构煤中吸附及扩散的差异，旨在寻求瓦斯突出的微观原因。本文的主要内容如下：依据取自同一矿井、同一煤层的构造煤和相

2、应的原生结构煤XRD分析数据，结合无机晶体结构数据库ICSD中石墨的晶胞参数，构建出构造煤和相应的原生结构煤模型。采用GCMC方法，计算283-323K下甲烷在两种煤模型中吸附的亨利常数，得到吸附热。计算结果显示，所有煤样，包含了从肥煤到无烟煤阶段的构造煤和相应的原生结构煤对甲烷的吸附热数值差别很小，说明煤与气体吸附作用的热效应不是瓦斯突出的主要原因。选取两组构造差异较大的构造煤和相应的原生结构煤，采用GCMC方法计算298K和303K下甲烷的等温吸附线，计算结果表明在相同温度下构造煤对甲烷的吸附能力大于相应的原生结构煤。通

3、过研究温度、煤化程度和水分对甲烷吸附的影响，计算结果表明，在283K-323K范围内，随着温度的升高，两种煤对甲烷的吸附量呈规律性的降低，用线性方程回归得到温度-吸附量经验公式，发现构造煤吸附甲烷对I太原理工大学硕士研究生学位论文温度的变化更为敏感；随着煤化程度的升高，构造煤对甲烷的吸附量明显增加，在低煤化程度阶段，温度的影响较弱，随着煤化程度的增大，温度的影响显著；由于水分子较甲烷分子更容易吸附，水分子优先占据煤表面的吸附位，使得甲烷的吸附量有所减少；水分子含量越多，甲烷吸附量减少越明显，但在数量上水分子的吸附不会给甲烷的

4、吸附带来本质上的影响。采用MD方法，研究了甲烷在构造煤和相应原生结构煤中的扩散，通过分析均方位移（MSD），计算扩散系数，发现构造煤更有利于甲烷的扩散。选取了一组构造煤和相应的原生结构煤，计算288、298、308、318和328K下甲烷在两种煤中的扩散系数，并通过Arrhenius方程拟合得到甲烷在构造煤中扩散的活化能小于相应的原生结构煤，即构造煤更有利于甲烷的扩散，认为是瓦斯突出的微观原因。关键词：甲烷，构造煤，吸附，扩散，分子模拟II太原理工大学硕士研究生学位论文MOLECULARSIMULATIONOFADSORPT

5、IONANDDIFFUSIONOFMETHANEINDEFORMEDCOALABSTRACTDeformedcoalisakindofcoalthattheprimarystructurehasbeendamaged;eventheinternalchemistryconstituentsandstructurehavebeenchanged.Thedeformedcoalhascloserelationshipwithgasoutburst.Theobjectiveofthisworkistoexploremicrosco

6、picreasonstogasoutburstbycomparingthedifferencesofadsorptionanddiffusionformethaneindeformedcoalandcorrespondingundeformedcoalusingmolecularsimulationofgrandcanonicalMonteCarlo(GCMC)andmoleculardynamic(MD)simulation.Themaincontentsarelistedasfollows:Themodelsofdefo

7、rmedcoalandcorrespondingundeformedcoalwereconstructedaccordingtotheXRDdataofcoalsexcavatingfromthesameminesandseamscombinedwiththecellparameterofgraphiteinInorganicCrystalStructureDatabase(ICSD).TheHenryconstantsformethaneadsorbedinthetwomodelsofcoalfrom283to323Kwe

8、recalculatedbyGCMC,andtheheatsofadsorptionwereobtained.Itisfoundthat,inallthecoalsampleswithdifferentranksfromIII太原理工大学硕士研究生学位论文fat-coaltoanthrac