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发布时间：2026-04-20
煤的复杂孔隙结构和有机质组成显著影响瓦斯的储运特性，但目前针对可溶性有机质的作用机制仍缺乏深入研究。以四氢呋喃-2-醇(C4H8O2)为代表，通过量子化学模拟探讨小分子有机物对煤吸附CH4和CO2的影响，并计算确定了单个分子的静态电位，详细分析了吸附过程的吸附热、均方位移和径向分布函数以及吸附能量分布。结果表明：煤对CO2的吸附能力总是高于CH4；小分子有机物显著降低了煤的气体吸附量和吸附热，减弱杂原子与吸附质分子的相互作用，并且对CO2吸附影响较大，从而大幅度减弱CO2与煤分子之间的相互作用，以及CO2对甲烷的驱替作用；在6 MPa时，煤对CO2吸附影响最小。研究结果有助于深入理解煤层甲烷的赋存机理，为优化预抽瓦斯技术提供理论支撑，助力煤矿安全与高效生产。
煤炭作为社会发展的基础能源，具有不可替代性。2023年，我国煤炭消费量达31.6亿t，占能源供应总量的55.3 %。然而，对煤炭资源的过度依赖加剧了全球温室气体减排的难度。煤层气(coalbed methane, CBM)是一种重要的天然气资源，全球储量约为2.69×1014 m3。中国煤层气资源丰富，已成为保障天然气供应的关键途径。二氧化碳增强煤层气开采技术(CO2-ECBM)通过向煤层注入CO2置换吸附的CH4，实现能源回收与碳封存的双重目标。该技术的核心在于煤对CO2的吸附能力显著强于CH4，而且煤的变质程度越高，其吸附CO2并置换CH4的能力越强。现有研究主要探讨了温度、压力、煤阶和孔隙结构等因素对CH4吸附行为的影响。LIU等借助巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟发现，煤炭中的含氧官能团能够显著增强CO2相较于CH4的选择性吸附。然而，这些研究多聚焦于煤体结构和吸附环境因素，尚未系统探讨煤中有机物对气体吸附的影响。
煤是由有机大分子相和有机小分子相组成的复杂混合物，除大分子固体骨架外，还含大量可溶于有机溶剂的小分子有机物，如低聚物、单体、长链脂肪酸、烷烃、小分子芳烃和有机酸或醇类，其中以脂肪族烃类、芳香族烃类及杂原子的化合物为主，一般以络合物或弱化学键吸附状态存在于煤的有机质中。可溶性有机小分子约占有机质总量的10 % ~23 %，某些情况可达30 %。其中，四氢呋喃-2-醇(C4H8O2)是一种分布广泛的代表性物质，是五元环醚类化合物，同时具有亲水性羟基(—OH)和疏水性醚键(C—O—C)，赋予其一定的极性和氢键作用能力，能够与煤的极性官能团(羧基、羟基)发生氢键作用，同时影响氢键和范德华力；其嵌入或释放于煤的高分子基质和孔隙之中，能降低孔隙的连通性，并对煤的孔隙结构及CH4吸附特性产生显著影响。
综上所述，煤中的有机小分子是一个不可忽视的成分，其与煤中的CH4竞争吸附孔隙，影响气体的吸附、解吸、扩散甚至流动。因此，本文通过不同温度、压力、孔隙结构和有机小分子含量条件探究煤中CH4、CO2吸附影响规律，量化CH4与CO2的竞争性吸附以及扩散行为。研究成果可为气体在煤中的吸附与储存行为提供理论支持，有助于实现煤矿安全生产与煤层气资源可持续利用的双重目标，推动煤炭行业的绿色发展。
