基于分子模擬的煤中甲烷吸附擴散行為研究現狀及展望

王小龍，李 賀，魯 義，路潔心，施式亮

(湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201)

煤層內表面為多孔介質，具有較強的吸附氣體能力。在成煤過程中會生成一種煤的伴生物—甲烷，其賦存形態主要為吸附態和游離態。甲烷分子在和煤體表面接觸后，根據煤吸附甲烷的能力不同會形成甲烷壓力梯度和濃度梯度，甲烷氣體分子在其濃度梯度的作用下由高濃度向低濃度擴散。當游離態甲烷分子靠近煤體時，由于煤體對它的合力做正功，甲烷分子勢能Ep減小；當甲烷分子與煤體的距離r減少到一定程度，煤體對它的合力做負功，分子勢能Ep增大，這是煤體表面甲烷分子吸附擴散的微觀過程[1]。煤中甲烷的吸附與擴散能力是影響產氣量的關鍵因素，研究煤對甲烷的吸附擴散特性有助于揭示甲烷在煤層中的運移和積聚規律，以及準確預測甲烷含量[2]。通過對分子動力學模擬基本原理的分析，李作祥[3]說明了分子模擬從微觀層面為甲烷抽采提供理論和方法上的指導是可行的，同時指出了目前煤中甲烷吸附擴散行為分子尺度研究領域中存在的難題。于是，分子模擬方法得到了廣泛地應用。為借鑒現有研究成果，深入研究并進行有關模擬實驗，筆者在總結已有研究成果的基礎上，對煤中甲烷吸附和擴散行為的國內外研究進展進行了綜述，分析煤中甲烷等氣體的吸附擴散微觀機理及規律，并探討該領域亟需解決的問題。

1 分子動力學模擬

分子模擬指通過建立分子模型來模擬體系中的分子動力學行為，利用計算機技術構建數學模型和算法，計算出體系中的分子行為和分子結構，進而對物理化學特性展開研究。……