煤中CH4 擴散影響因素的分子動力學分析

唐巨鵬，邱于曼，馬 圓

（遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

0 引 言

煤層氣（又稱煤礦瓦斯或煤田沼氣）是賦存于煤層中，以腐殖質為主的有機質在成煤過程中形成的非常規天然氣。 研究表明，煤層氣是可代替天然氣的優質高效清潔能源［1］。 關于煤中甲烷擴散過程，學者們從不同角度出發，利用不同方法，開展了大量研究。 CARLSON［2］計算優化了Given，Wiser，Solomon，Shinn 四種經典煙煤大分子模型。 國內外學者［3-7］采用分子模擬方法研究了流體熱力學與吸附性質，證實采用分子模擬方法所預測的熱力學性質與試驗值吻合良好。 VAN［8］研究表明水分子優先吸附于官能團處形成團簇，團簇不斷增大直至侵入石墨層。 李希建［9］采用分子模擬技術研究了煤對瓦斯的吸附，表明煤的孔隙率、灰分、水分與溫度等對煤的吸附特性均有影響，其中灰分影響最大。章麗娜［10］研究了構造煤中CH4的擴散，分析了煤分子結構等因素對煤中CH4擴散系數的影響，分析得到升高溫度能夠加快煤層氣的生成。 張廷山等［11-13］利用分子動力學方法進一步研究了頁巖有機質納米孔隙對CH4的吸附作用及微觀原理，隨溫壓的增加，CH4沿Z方向的相對密度呈較小的下降趨勢；而CH4的自擴散系數隨埋深的增加而增大，與吸附熱及吸附量的變化原因一致。 李育輝等［14］用Fick 擴散定律將煤基質視為等當量球形，對煤中擴散特性進行了描述，結果表明吸附-解吸速率均隨壓力及煤樣氣體積分數的增加而增加近年來，學者們通過研究發現分形多孔介質中擴散已不能完全滿足Fick 擴散定律，產生了“擴散慢化”效應［15］。……