本文以煤层中瓦斯突出现象、废弃煤矿层贮存二氧化碳、低阶燃煤干燥和自燃等工程实际现象及应用为背景,研究了CH₄、CO₂、H₂O和O₂分子在煤分子表面的吸附机理。基于量子化学方法,通过对多种优化后的吸附构型进行能量计算、表面静电势分布分析、约化密度梯度函数法分析、分子中的原子理论分析和相互作用能分解分析,得到CH₄等气体分子在煤分子表面的吸附位点、吸附能、相互作用类型及强度等结果。构建基本的煤分子模型,其主体结构为多个连续且相邻的苯环,通过对CH₄、CO₂、H₂O和O₂分子在煤分子表面的吸附构型进行优化计算,可以得到结论:CH₄、CO₂、H₂O和O₂分子均可以稳定地吸附在煤分子表面,其吸附稳定性满足规律:O₂>H₂O>CO₂>CH₄。煤分子模型的尺度越大,CH₄等分子在其表面的吸附稳定性越高。CH₄、CO₂、H₂O和O₂分子与煤分子模型表面的相互作用属于范德华弱相互作用。O₂与煤分子模型中碳原子之间的相互作用强度最强,H₂O与碳原子的相互作用强度次之,CH₄和CO₂与煤分子中碳原子的相互作用强度相近且最弱。CH₄等分子在煤分子模型表面的吸附过程中静电和色散作用表现为吸引作用,且对吸引作用的贡献较大;而互斥和交换作用表现为排斥作用,且互斥力对排斥作用的贡献最大。煤分子模型表面吸附态的H₂O分子及其多聚体可以提高CO₂的吸附能,促进CO₂的吸附。基于基本的煤分子模型,通过在其表面添加空缺位及掺杂不同的基团来构建煤分子的表面特征,对CH₄等分子在其表面的吸附构型进行优化计算,可以得到结论:煤分子表面的空缺位及掺杂的原子和基团均会降低CH₄的吸附能力,而煤分子表面的空缺位会降低CO₂的吸附能力,表面掺杂的原子和基团会不同程度地提升CO₂的吸附能力。煤分子表面的空缺位及掺杂的原子和基团均会提高H₂O的吸附能力。煤分子表面的空缺位及掺杂的羰基官能团会与O₂形成化学键,表面掺杂的氢原子和羟基等含氧官能团会提高O₂的吸附稳定性。此外,煤分子表面的空缺位及掺杂的原子和基团会提高煤分子对CO₂在CH₄/CO₂混合气体中的选择吸附性。CH₄、CO₂、H₂O和O₂分子在双层煤分子模型中的吸附稳定性随着层间距的增大而变小。构建三维立体煤分子模型,在其结构中添加烃链、多种碳环及官能团,通过优化比较CH₄等分子在煤分子模型吸附位点的吸附构型,可以得到结论:CH₄等分子在三维立体煤分子模型表面会同时受到多个基团或原子的共同吸引作用而达到稳定的平衡吸附状态,煤分子模型的结构特征影响CH₄等分子的吸附位置和吸附稳定性。