煤體甲烷吸附解吸機理研究.pdf

1、甲烷吸附與解吸是研究瓦斯擴散、滲流、累積和防治煤與瓦斯突出的重要理論基礎(chǔ)，是煤礦安全生產(chǎn)的重要研究課題之一。本文通過溫度場下甲烷氣體兩次解吸實驗、煤體紅外光譜實驗和密度泛函理論（DFT）分別從宏觀能量和微觀結(jié)構(gòu)兩方面對煤體中甲烷氣體的吸附與解吸機理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)宏觀規(guī)律和微觀量化計算結(jié)果之間具有相關(guān)性。通過實驗數(shù)據(jù)分析和理論計算完成的主要工作如下：
　?。?）溫度是甲烷氣體解吸的最重要影響因素。通過宏觀溫度場下甲烷氣體的兩次解吸

2、實驗分析，結(jié)果表明甲烷氣體的吸附為物理吸附，沒有能級結(jié)構(gòu)。甲烷氣體在煤體中的賦存是一個同時包含吸附、解吸、擴散、滲流和累積的動態(tài)過程，溫度升高會導(dǎo)致煤體中的甲烷氣體吸附速度和解吸速度同時增大，解吸氣體含量增多，對此動態(tài)過程，提出了綜合速度概念，綜合速度由吸附速度和解吸速度合成，該速度與溫度之間是非線性關(guān)系。
　?。?）煤對甲烷氣體的吸附力為誘導(dǎo)力與色散力。在五種煤樣紅外光譜數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，采用密度泛函理論（DFT）對瓦斯吸附和解

3、吸進(jìn)行動力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)在吸附和解吸過程中，甲烷氣體和煤體大分子結(jié)構(gòu)鍵長、鍵角、二面角以及密立根電荷的變化，發(fā)現(xiàn)吸附過程主要是由于煤分子和甲烷分子之間存在電場相互作用，甲烷分子在吸附過程中被極化，煤大分子自身密立根電荷量也重新分布，煤分子和甲烷分子最終達(dá)到電場力相互平衡，吸附力為誘導(dǎo)力各色散力。
　?。?）提出了采用密立根電荷量定量分析吸附空位的方法，對煤體甲烷氣體多分子層吸附理論進(jìn)行了驗證。通過對吸附過程的動力學(xué)分析，結(jié)果顯示在吸

4、附過程中起主要作用的是電場力，整個煤體結(jié)構(gòu)中的密立根電荷量分布發(fā)生了明顯變化，即分子結(jié)構(gòu)中的電荷分布對煤的吸附性有重要影響，故以密立根電荷量作為煤對甲烷氣體的吸附空位的判定依據(jù)。計算了甲烷氣體的吸附能和吸附勢阱深度，發(fā)現(xiàn)在同一吸附空位附近有多個吸附平衡位置，對應(yīng)的吸附距離和吸附能都不同，說明甲烷氣體存在多層吸附的可能性。
　?。?）甲烷氣體的吸附與解吸動力學(xué)過程是宏觀能量和微觀結(jié)構(gòu)之間相互作用的共同結(jié)果。通過宏觀實驗結(jié)論和微觀理論