煤的力解产气反应机理分子模拟研究

Coal and gas outburst is one of geological disasters usually occurring in the coal mining. It is closely related to the tectonic stress, and often releases excess methane gas which cannot be explained with the gas adsorption theory. To study the gas generation mechanisms of coals under stress is not only very significance of explaining the phenomenon of coal and gas outburst, but also worthy of being applied to reduce the relevant disasters in coal mines. The deformation experiments of anthracite under sub-high temperature and high pressure, previously carried out by some members of the project team, show the stress can indeed cause chemical reactions of coals and produce gases. However, the mechanisms of these reactions are still unclear, especially on a molecular level. Closely combining with these experiments, the present project plans to study the gas generation mechanisms of coals via the stress-induced decomposition reactions by performing the reactive force field molecular dynamics simulations. The main research contents include 1) the influence of temperature (less than the pyrolysis temperature), 2) the influence of the methods of exerting force, force magnitude, and force direction, and 3) the influence of metamorphic grade of coals. The project expects to illustrate the controlling mechanisms of stress and coal rank on the type and quantity of gas products. These mechanisms will be used to explain the excess methane gas released during coal and gas outburst, to develop and improve the mechanical chemistry theory of coals, and to provide theoretical supports for the disaster prevention and control of coal and gas outburst.

煤与瓦斯突出是煤炭开采过程中常见的地质灾害之一，它与构造应力作用紧密相关，往往释放出煤层气吸附理论难以解释的超量瓦斯。深入研究煤在应力作用下的分解产气反应机理不但对于解释煤与瓦斯突出现象有重要的科学意义，而且对于煤矿防灾减灾有重要应用价值。项目组成员前期开展的无烟煤次高温高压实验已经表明应力可以使煤发生力化学反应并产生气体，但是该过程的微观反应机理还不清楚。本项目计划与这些实验紧密结合，采用反应力场分子动力学模拟的方法，研究煤的力解产气反应机理，主要内容包括：1）温度（低于煤的热解温度）对反应的影响；2）模拟中施加应力的方式、大小和方向对反应的影响；3）不同变质程度的煤分子结构对反应的影响。本项目期望阐明在煤的力解产气过程中，应力和煤级对气体产物类型和数量的控制机理，并用于解释煤与瓦斯突出时释放的超量瓦斯来源，完善和发展煤的力化学理论，为煤与瓦斯突出的灾害防治提供理论支撑。

近年来，有关构造应力作用与煤的大分子结构关系的研究取得了长足进展，发现构造作用不仅会促进煤的变形，而且会促进其变质作用（化学变化）。为了探索煤在应力作用下的力解产气机理，本项目采用ReaxFF反应力场分子模拟方法研究了无烟煤和烟煤分子结构模型在剪切应力作用下的力化学反应机理。结果表明：（1）通常认为结构非常稳定的缩聚芳环在力解过程中很容易发生破裂。主要有两种破裂机理：攻击破裂和直接破裂。在这两种机理中，有两类重要的重排反应。第一种是环内重排，缩聚芳环在破裂前先形成了一个三元环和五元环的结构。第二种是环外重排，芳香环上取代基的位置发生了改变。这两种重排反应决定了缩聚芳环中化学键的断裂次序。（2）剪切应力可以直接作用于煤的大分子结构并产生各种类型的气体分子和分子片段，包括CH4、H2O、H2、CO2、CO、C2H2和C2H4等气体分子。无烟煤和烟煤分子结构模型由于结构参数不同，在产物类型、反应路径、气体来源等方面具有较大差异。同时，力解和热解由于能量分布不同，反应路径和产物具有较大差异。煤大分子结构的力解产气反应性对外力大小和方向非常敏感，太大或太小均不利于发生瓦斯突出。.本项目的科学意义在于：1、打破了“缩聚芳环因非常稳定而在煤化过程中很难破裂”的传统观点，表明构造应力可以影响煤化过程。2、剪切应力作用下煤的产气生烃作用可能是有机质生烃的重要方式之一，是对传统热解生烃理论的重要补充，或将成为一种独立的生烃理论。3、煤的力解产气模拟对应力敏感，存在最大产气的应力区间，与宏观现象一致，这确立了构造煤力解引发瓦斯突出的分子基础。4、在煤与瓦斯突出灾害防治以及煤层气开发方面具有重要的应用价值。