基于分子模拟的含硫化氢煤层瓦斯吸附特性研究

在一些煤炭、石油、天然气等资源重叠的区域,优先开采的油气井废弃后,存在于废弃油气井中的高浓度硫化氢（H2S）等气体会在压力作用下扩散并吸附在煤层中。含H2S的瓦斯对煤矿安全生产具有重要影响,开展含H2S瓦斯在煤中的吸附特性研究对防治含H2S瓦斯灾害具有理论和工程指导意义。瓦斯主要成分为甲烷（CH4）,当存在高浓度H2S时,两种气体将在煤体中出现竞争吸附。本文基于实验室所测得的煤样的微观结构信息,构建了能反映煤物理结构的理想煤模型和能反映煤化学性质的复杂分子结构模型。利用分子模拟方法探究了CH4和H2S两种气体在煤中的吸附特性,以及两种气体之间的吸附竞争关系。本文主要研究内容和结论如下:（1）选取三种不同变质程度煤样进行工业分析、元素分析、X射线衍射（XRD）和傅里叶红外光谱（FTIR）等测试,得到了煤样结构随变质程度变化的规律;研究结果表明:随着煤样变质程度的升高,煤样中C元素含量升高,以芳环结构聚合在一起,而O元素含量大幅降低,以含氧基团的形式脱落;煤的延展度和堆砌度随变质程度升高逐渐增大,晶面间距逐渐减小。（2）利用XRD所测煤的晶体结构数据建立了理想煤模型,基于理想模型确定了温度、孔径和含水量对煤吸附CH4的影响;研究结果表明:1)温度的升高不利于CH4吸附,煤模型的饱和吸附量a和吸附常数b都随温度的升高而线性下降;此外,低变质煤样的a值更容易受温度的影响,而高变质煤样的b值对温度的变化更敏感;2)CH4在不同孔径范围内吸附规律不同:在超微孔范围内,CH4的超额吸附量与孔径大小呈正相关,在微孔范围内,该值与孔径大小呈负相关,煤的最佳吸附孔径范围为1.5-2nm;3)水分子通过占据煤中的吸附位点来降低CH4的吸附量,导致CH4的吸附能力随含水量的增加而减弱;在高压条件下水分子对CH4吸附的影响更明显;（3）根据工业分析、元素分析和FTIR的测试结果和现有研究,构建了能反映煤化学性质的复杂分子模型;利用煤样结构参数验证了模型的合理性;（4）基于复杂分子模型研究了CH4分子与官能团的相互作用关系;研究结果表明:CH4分子进入煤层后,首先吸附在羟基周围,羧基与CH4分子的相互作用最强,主要作用力为范德华力。（5）将CH4气体的实验吸附结果与复杂分子模型的模拟吸附结果对比,验证了运用该分子模型吸附气体的可靠性。在此基础上,研究了H2S与CH4的竞争吸附关系以及H2S对CH4的吸附影响规律;研究结果表明:1)H2S在煤中的吸附属于物理吸附,符合Langmuir吸附律;2)相同温度压力条件下,煤对H2S气体的吸附量大于CH4的吸附量;3)CH4/H2S双组分竞争吸附结果显示煤对H2S的吸附能力更强;4)煤中吸附的H2S气体会降低CH4的饱和吸附量;煤中H2S的存在不利于CH4吸附。