沁水盆地寺河矿无烟煤分子结构与甲烷吸附力学特性研究

本文主要探讨了沁水盆地南部无烟煤的大分子结构模型以及其含甲烷的力学性质，这对于理解和优化煤层气井的开发效率至关重要。首先，研究团队通过一系列先进的分析技术，如工业分析、元素分析、核磁共振碳谱(13C-NMR)和X射线光电子能谱(XPS)，对寺河矿无烟煤的分子结构特征进行了深入研究。他们揭示了无烟煤的碳含量、原子比和官能团类型（如芳香碳、吡啶型氮、吡咯型氮和羧基）的分布情况，构建了一种反映其真实结构的大分子模型。模型的碳含量和密度与实验测量结果吻合良好，这为后续的理论模拟提供了坚实的基础。 接着，文章利用蒙特卡洛法进行模拟，计算了甲烷在无烟煤中的吸附特性。结果显示，无烟煤对甲烷的饱和吸附量为22.4个/晶胞，Langmuir压力为1.12 MPa，表明甲烷主要吸附在芳香碳、吡啶型氮和吡咯型氮以及羧基这些官能团上。等温吸附热随压力增加呈现对数下降趋势，说明在低压力下，甲烷优先占据无烟煤表面的高能吸附位。同时，甲烷在无烟煤中的吸附热值在22.65至25.00 kJ/mol之间，远低于物理吸附的典型值42 kJ/mol，说明这种吸附主要是物理过程。 进一步的研究通过分子动力学方法，量化了含气量对无烟煤力学性质的影响。研究发现，随着含气量的增加，无烟煤的体积模量、杨氏模量和剪切模量呈现出对数规律的降低，显示出吸附甲烷显著削弱了煤体的强度。另一方面，泊松比随吸附量的增加呈线性增大，反映了气体的存在增强了无烟煤的压缩性。与不含甲烷的无烟煤相比，这些参数分别下降了38.5%、24.4%和27.1%，这表明甲烷的吸附不仅影响了煤的强度，还改变了其弹性行为，即在应力作用下的变形能力。 该研究提供了对沁水盆地南部无烟煤在含甲烷条件下的微观结构及其力学行为的深入理解，对于优化煤层气开采技术和预估压裂改造效果具有重要意义。在未来的工作中，这些研究成果可以用于指导更精确的采掘策略和提高能源效率。