4.含瓦斯煤與水之間接觸動(dòng)態(tài)演化的微觀(guān)機制

采用Materials studio分子動(dòng)力學(xué)軟件中的Amorphous Cell功能，建立一個(gè)由150個(gè)wender無(wú)煙煤分子組成的煤盒子(圖10a)，煤盒子的長(cháng)和寬均為10 nm；然后創(chuàng )建一個(gè)與煤盒子等長(cháng)/等寬的含有2層石墨烯的結構，通過(guò)Build layers功能將含有2層石墨烯的結構放置于煤分子上下兩側(圖10b)；最后，通過(guò)不斷的壓縮、移動(dòng)及結構優(yōu)化操作，將上下兩側的石墨烯結構刪除，獲得平整的煤表面模型(圖10c)。

圖10平整的煤表面模型

采用Sorption模塊對構建的平整的煤表面模型進(jìn)行等溫吸附模擬，選擇的立場(chǎng)為COMPASSⅡ立場(chǎng)，分別獲得吸附平衡壓力0.5、1.5、2.5、3.5 MPa下的煤吸附瓦斯的構型(圖11)；基于A(yíng)morphous Cell功能構建1個(gè)水盒子，通過(guò)Nanocluster功能構建1個(gè)直徑為6 nm水球，將該水球放置在煤吸附瓦斯的構型中，從而構成含瓦斯煤與水的分子結構模型，如圖12所示；對含瓦斯煤與水的分子結構模型進(jìn)行結構優(yōu)化及分子動(dòng)力學(xué)模擬，選擇COMPASSⅡ力場(chǎng)，系綜選擇NVT，溫度被設置為308.15 K，時(shí)間步長(cháng)為1 fs，總模擬時(shí)間為500 ps。

圖11不同瓦斯壓力條件下煤吸附瓦斯的構型

圖12含瓦斯煤與水的分子結構模型

為揭示水分在含瓦斯煤表面的微觀(guān)演化機制，選擇如下情況進(jìn)行分析：瓦斯壓力為3.5 MPa條件下，模擬時(shí)間為100、250、500 ps時(shí)，煤與水分子的接觸結構模型進(jìn)行對比，如圖13a所示；不同瓦斯壓力條件下，模擬時(shí)間為250 ps及500 ps時(shí)，煤與水分子的接觸結構模型進(jìn)行對比，分別如圖13b—圖13c所示。

圖13不同瓦斯壓力、時(shí)間條件下煤與水分子接觸結構模型

通過(guò)對比瓦斯壓力為3.5 MPa條件下，模擬時(shí)間為100、250、500 ps時(shí)，煤與水分子接觸構型(圖13a)可以獲得如下規律：隨著(zhù)時(shí)間的增加，水分子逐漸在煤表面鋪展，接觸面寬度逐漸增加，通過(guò)觀(guān)察圖13a中的區域A可以明顯發(fā)現此規律。通過(guò)對比同一瓦斯壓力、不同時(shí)間條件下，煤與水分子接觸構型(圖13b—圖13c)發(fā)現：隨著(zhù)時(shí)間的增加，煤與水分子之間的接觸角逐漸減小。綜合分析可知，在同一瓦斯壓力條件下，隨著(zhù)時(shí)間的增加，水分逐漸在煤體表面鋪展，水與煤之間的接觸角逐漸減小。通過(guò)對比同一時(shí)間條件下(圖13b—圖13c)可知，隨著(zhù)瓦斯壓力的增加，煤與水分子之間的接觸角逐漸增加，其原因是瓦斯壓力越大，水分子越不易在煤表面鋪展且不易進(jìn)入煤中，水分越不容易潤濕煤。

基于不同瓦斯壓力條件下、動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)間為500 ps時(shí)，煤與水分子的分子動(dòng)力學(xué)模擬結果，對不同瓦斯壓力條件下水分子沿Z軸的相對濃度進(jìn)行計算，即可獲得不同瓦斯壓力條件下，水分子的相對濃度(一定法向距離范圍，水分子數密度與系統內水分子總數密度的比值)分布如圖14所示。

圖14不同瓦斯壓力條件下水分子的相對濃度分布

由圖14可知，在任意一個(gè)瓦斯壓力條件下，水分子濃度沿Z軸均會(huì )出現峰值點(diǎn)(1.825 nm)，峰值點(diǎn)位于煤水交界面的上方，因為煤表面吸附有瓦斯，所以峰值點(diǎn)沒(méi)有出現在煤表面。在峰值點(diǎn)的左側，同一距離處，水分子濃度隨著(zhù)瓦斯壓力的增加而減小，說(shuō)明瓦斯壓力越大，水分子越不易進(jìn)入到煤中。在峰值點(diǎn)右側一定距離處(圖14過(guò)渡區域的左側)，水分子濃度隨著(zhù)瓦斯壓力的增加而減小，其說(shuō)明瓦斯壓力越大，水分子越難在煤表面鋪展。然而，在圖14中過(guò)渡區域的右側一定范圍內，水分子濃度隨著(zhù)瓦斯壓力的增加而增加，其說(shuō)明瓦斯壓力越大，水分子越不易進(jìn)入煤中，反而越易聚集。

基于對前已述及的煤水界面能、煤的表面能及黏附功的動(dòng)態(tài)演化規律，水滴在含瓦斯煤表面的演化特性及分子動(dòng)力學(xué)模擬結果，分析可知：煤層瓦斯壓力越高，煤層注水后，水分鋪展的范圍越小，水分潤濕煤體的程度越低。因此，可將煤層增透措施與煤層注水措施聯(lián)合使用，首先，采取增透及抽采措施降低煤層瓦斯壓力；其次，進(jìn)行煤層注水，增加煤體潤濕的范圍及程度，從而提高吸附態(tài)瓦斯被置換的程度，最終提升煤層瓦斯治理及預濕減塵的效果。

5.結論

1)水與瓦斯之間的表面張力與瓦斯壓力滿(mǎn)足負指數函數的關(guān)系，接觸角是關(guān)于瓦斯壓力及時(shí)間的函數，其與時(shí)間負相關(guān)，與瓦斯壓力正相關(guān)。

2)同一瓦斯壓力條件下，隨著(zhù)潤濕時(shí)間的增加，煤水界面能逐漸減小，煤的表面能逐漸增加，黏附功逐漸增加；隨著(zhù)瓦斯壓力的增加，煤水界面能變大，煤的表面能變小，黏附功變小，水分煤體表面鋪展的難度增加。

3)隨著(zhù)潤濕時(shí)間的增加，水滴輪廓最高點(diǎn)下降的高度逐漸增加，水滴與含瓦斯煤接觸面的寬度逐漸增加，水滴輪廓最高點(diǎn)下降的高度大于水滴與含瓦斯煤接觸面增加的寬度；瓦斯壓力越大，水滴輪廓最高點(diǎn)下降的高度越小，水滴與含瓦斯煤接觸面寬度增加的越小，其與分子動(dòng)力學(xué)模擬獲得的含瓦斯煤?水之間的接觸演化規律一致。

4)由于煤表面吸附有瓦斯，在煤水交界面的上方，水分子的濃度出現峰值點(diǎn)，在峰值點(diǎn)上方一定距離處，水分子濃度分布規律發(fā)生逆轉，由水分子濃度隨著(zhù)瓦斯壓力的減小而增加逆轉為隨著(zhù)瓦斯壓力的增加而增加。

5)對于高瓦斯煤層可將煤層增透措施與煤層注水措施聯(lián)合使用，首先，采取增透及抽采措施降低煤層瓦斯壓力；其次，進(jìn)行煤層注水，增加煤體潤濕的范圍及程度，提升煤層瓦斯治理及預濕減塵的效果。