【摘 要】
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煤在整个形成过程之中及形成之后都或多或少受到不同方向、不同性质的构造应力作用,对煤的结构产生不同程度的影响。无论是煤与瓦斯突出超量煤层气,还是低阶煤井下一氧化碳浓度超限,亦或是断层上石墨化作用等现象都指向构造变形作用对煤大分子结构产生影响,为了揭示这些现象产生的内在机理,必须开展对煤大分子结构受构造应力作用变形过程的研究。本文选取了代表低、中、高煤阶的煤大分子结构模型,分别为Wender、Give
【基金项目】
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“构造煤微裂隙结构演化特征及对煤储层渗透性控制”项目,国家自然基金,项目编号:41772162； “构造煤甲烷吸附/解吸特征及与其微晶结构耦合机理”项目,国家自然基金,项目编号:41372161； “煤层气储层物性及其地质控制”项目,河南省高校科技创新团队支持计划,项目编号:17IRTSTHN025；
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煤在整个形成过程之中及形成之后都或多或少受到不同方向、不同性质的构造应力作用,对煤的结构产生不同程度的影响。无论是煤与瓦斯突出超量煤层气,还是低阶煤井下一氧化碳浓度超限,亦或是断层上石墨化作用等现象都指向构造变形作用对煤大分子结构产生影响,为了揭示这些现象产生的内在机理,必须开展对煤大分子结构受构造应力作用变形过程的研究。本文选取了代表低、中、高煤阶的煤大分子结构模型,分别为Wender、Given、Tromp模型。采用Materials Studio软件进行初步优化,并使用Gaussian软件进行最终优化及频率计算;采用Materials Studio软件将优化后的煤大分子结构构建成煤聚合物模型,分别进行几何优化和分子动力学模拟,使其达到合理的密度;将优化后的煤聚合物模型采用Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator（LAMMPS）软件分别加载拉伸应变和剪切应变,模拟三个煤阶受到的拉伸和剪切作用;选取新疆大黄山低阶煤（DHS）、河南平顶山中阶煤（PM）、山西寺河高阶煤（SH）,采用XQM-4立式方形行星球磨机进行研磨,测量产生的各种气体及含量。主要取得了以下认识:1)采用分子力学、分子动力学及量子化学方法优化并构建了低、中、高三种煤聚合物模型。低煤阶Wender煤聚合物模型参数,OA:32.4744?,OB:32.9020?,OC:33.5111?,密度:1.32 g/cm~3;中煤阶Given煤聚合物模型参数,OA:23.5451?,OB:22.2466?,OC:21.3956?,密度:1.36 g/cm~3;高煤阶Tromp煤聚合物模型参数,OA:26.1259?,OB:24.8178?,OC:28.5312?,密度:1.47g/cm~3。2)在拉伸变形作用下,化学键断裂完全表现出拉伸断裂特征,煤大分子结构特征的差异又展现出各自的特异性。不同煤阶煤聚合物断裂的化学键主要是连接各个煤大分子基本结构单元的桥键、烷基主链上化学键等,造成煤大分子链缩短,促进煤大分子结构的演化。化学键的断裂顺序受到化学键键强和化学键与拉伸作用方向之间的夹角控制,其夹角随着拉伸作用逐渐呈减小的趋势;Given煤聚合物由于其分子交联特点,在拉伸作用下断裂的化学键主要是各个环状结构开环反应,环状结构处于力传播桥梁的部位均易在拉伸作用下发生断裂;Tromp煤聚合物在拉伸作用下杂原子所在的环上化学键、以及部分苯环上化学键也容易发生断裂。3)在剪切变形作用下,化学键表现出拉伸断裂和剪切断裂特征。不同煤阶煤聚合物连接煤大分子基本结构单元的桥键及烷基主链上化学键易受到拉伸作用,发生断裂,处于煤大分子最外围的原子（原子团）易受到周围分子施加的剪切作用,发生断裂。发生拉伸断裂时,键强是主控因素;发生剪切断裂时,化学键所在键角强度是主控因素。受π电子的影响,离ALIE极小值区域最近的原子所连化学键易在受到剪切作用时发生断裂。各个煤阶煤大分子结构特点不同,剪切作用使低阶煤大分子脱落H·、O·、·OH、·CO、·CH3、CH3O·、·COOH等自由基以及侧链,煤分子链缩短,有序度增强促进了煤阶的演化。中阶煤交联结构明显,主要开环反应和脱落H·、·CO等自由基;高阶煤大分子在剪切作用更多的是使桥键大量断裂,且使高阶煤大分子外围H脱落,有助于形成更大的芳香层片。这些自由基相互结合,会产生大量的H2、CO、CO2、CH4等气体小分子,有助于揭示煤与瓦斯突出超量瓦斯的机理。剪切作用过程中能生成新的化学键。4)研磨过程研磨球对煤具有压缩、拉伸、剪切等作用,实验检测到剪切作用使煤大分子产生的气体小分子。低阶煤产出烃类气体、H2、CH4、CO等;中阶煤产出CH4、H2等气体;高阶煤产出CH4、H2、烃类气体、CO等气体。构造变形作用对煤大分子结构力解作用过程和机理的研究,有助于进一步深入揭示煤与瓦斯突出超量煤层气的来源及突出机理,为阐明构造煤动力变质作用提供理论基础。图50幅,表29个,参考文献211篇。
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