一种无定形态烟煤结构孔隙特性的分析方法技术

本发明专利技术利用分子动力学(MD)模拟方法，在分子模拟水平上研究了无定形态烟煤结构孔隙特性的分析方法实例，归纳总结出一种无定形态烟煤结构孔隙特性的分析方法。本发明专利技术通过能量最优化方法优化烟煤分子能量，采用分子动力学模拟无定形态烟煤结构模型，考察烟煤结构的孔隙结构特征，可以从微观层次揭示煤层气的扩散运移机理及其动态过程，对煤炭以及煤层气的开采和瓦斯防治具有重要的指导意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及煤炭开发与利用研究领域，具体涉及一种孔隙特性的分析方法，特别 是。
技术介绍
我国煤炭资源丰富，地质构造条件复杂，煤的变质程度也有很大区别，在煤炭开采 过程中，瓦斯已成为威胁我国煤炭安全高效生产的关键因素。此外，我国石油天然气资源短 缺，但是煤层气资源非常丰富。煤是一种复杂的多孔介质，其孔隙结构特征决定了煤岩结构 的力学性质和孔隙流体的运移规律，并直接影响着煤层气的富集与渗透运移。近年来，随着 计算机科学技术的发展，利用分子模拟技术研究各种多孔介质越来越普遍，并且逐渐趋于 成熟，其优势在于不受实验条件的限制，并且可以从微观层面详尽考察多孔介质的各种性 质。本专利技术通过分子动力学模拟方法考察烟煤结构的孔隙结构特征，能从微观层次揭示煤 层气的扩散运移机理及其动态过程；本专利技术对煤炭以及煤层气的开采和瓦斯防治具有重要 的指导意义。本专利技术中我们通过归纳总结文献，采用分子动力学模拟（MD)方法，形成一种 无定形态烟煤结构孔隙特性的分析方法。
技术实现思路
本专利技术利用分子动力学模拟（MD)计算方法，结合实验研究文献，建立一种无定 形态烟煤结构孔隙特性的分析方法。本专利技术方法所采用的计算机模拟软件为Materials Studio(MS)软件和Poreblazer软件以及Origin软件。 本专利技术的内容可分为烟煤分子结构模型构建、无定形态烟煤结构模型构建和分子 动力学模拟及孔隙特性分析四部分，包括以下几个步骤： (1) 烟煤分子结构模型构建及结构优化 步骤1 :根据收集烟煤的变质程度，烟煤的物质组成成分，烟煤的埋藏深度、烟煤的密 度数据，在MS中建立烟煤分子结构模型； 步骤2 :采用能量最小化方法优化烟煤分子结构，得到稳定的烟煤分子结构模型； (2) 无定形态烟煤结构构建及构型优化 步骤3 :利用MS根据烟煤的密度，采用步骤2中优化后的烟煤分子稳定构型构建无定 形态烟煤结构模型； 步骤4 :采用能量最小化方法优化无定形态烟煤结构，得到稳定的烟煤结构； (3) 分子动力学模拟（MD)及孔隙特性分析 步骤5 :在MS中采用NPT系综对步骤4中优化后的稳定无定形态烟煤结构进行分子动 力学模拟； 步骤6 :利用Poreblazer软件计算分子动力学模拟之后的无定形态烟煤结构的孔隙体 积、有效孔隙体积、孔隙度、比表面积、孔隙尺寸分布、孔隙最大直径和孔隙限制直径； 步骤7 :根据步骤6的计算结果，借助于Origin软件绘制孔隙结构的孔径尺寸分布 (PSD)曲线，分析无定形态烟煤结构的孔隙特性。 步骤2中烟煤分子结构优化采用COMPASS力场，非键作用选择范德瓦尔斯力和 库仑力，叠 加处理法选取Atom Based，精度采用Medium，原子的截断半径为9.50 A,选择 Smart Minimizer方法，收敛水平选取Medium ; 步骤3中采用正交晶系和周期性边界条件建立无定形态烟煤结构模型，烟煤的密 度为1181kg/m 3,温度为298K ; 步骤4中优化无定形态烟煤结构的参数选取与步骤2的相同； 步骤5中进行MD模拟时压力设为0· OIGpa，温度为298K，时间步长为1.0 fs，动态 时间为1000 ps。 本专利技术的有益效果在于：提出了一种无定形态烟煤结构孔隙特性的简便分析方 法。本专利技术方法计算快速、结果准确，能从分子水平层次深入了解烟煤结构的孔隙特性，可 以为煤炭开采以及煤层气在煤中的扩散和运移、瓦斯防治提供理论指导，缩短研发周期，同 时也可以节省大量的人力、物力和财力。【附图说明】 下面结合附图和实施案例对本专利技术进一步说明。 图1 :具体研究技术路线流程图 图2 :烟煤分子结构优化图 图3 :无定形态烟煤结构构型图 图4 :PSD曲线图【具体实施方式】 下面结合实例对本专利技术进一步说明。以实例分析一种中间级无定形态烟煤结构的 孔隙特性来进一步理解本专利技术的技术方案和优点。【具体实施方式】分为以下4步： (1) 烟煤分子结构模型构建及结构优化 根据烟煤模型结构查找相关实验和理论文献，依据收集的数据，利用MS软件建立烟煤 分子结构，本实例中选用中间级烟煤CltwH82O5N2S 2这一种分子，使用MS的Discover模块优化 烟煤分子结构。选择Discover模块中的setup为烟煤分子分配力场电荷，采用COMPASS力 场，非键作用选择范德瓦尔斯力和库仑力，叠 加处理法选取Atom Based，精度采用Medium， 原子的截断半径为_9..50 Ai选择Discover模块中的Minimizer优化烟煤分子，选择Smart Minimizer方法，收敛水平选取Medium。烟煤分子稳定构型见图2 ; (2) 无定形态烟煤结构构建及构型优化 采用正交晶系和周期性边界条件建立无定形态烟煤结构模型。在MS中选用步骤（1) 中优化后的烟煤分子构建无定形态烟煤盒子，烟煤的密度设置为1181kg/m3,温度为298K， 盒子中烟煤的分子个数可根据需要自行设定，本实例中烟煤的分子个数设定为5个；优化 步骤（2)中构建的无定形态烟煤结构模型。选择Discover模块中的setup为无定形态烟 煤结构分配力场电荷，选择Discover模块中的Minimizer优化无定形态烟煤结构，参数选 取同步骤（1)中优化烟煤分子结构的参数相同。 (3)分子动力学模拟 采用NPT系综对步骤（2)中优化之后的无定形态烟煤结构模型进行分子动力学模拟。 选择Discover模块中的Dynamics，设置压力为0· OIGpa，温度为298K，时间步长为1.0 fs， 动态时间为lOOOps。分子动力学模拟之后的结构构型见图3 ; (3)孔隙特性分析 从分子动力学模拟之后的无定形态烟煤结构构型出发，利用Poreblazer软件计算孔 隙体积、有效孔隙体积、孔隙度、比表面积、孔隙尺寸分布、孔隙最大直径和孔隙限制直径； 借助于Origin软件绘制孔隙结构的孔径尺寸分布（PSD)曲线，分析无定形态烟煤结构的孔 隙特性。PSD曲线图见图4。 以上所述，仅为本专利技术的一则实施例而已。并非对本专利技术作任何形式上的限制； 凡熟悉本专业的普通技术人员均可按说明书附图及以上所述步骤而顺畅地实施本专利技术；但 是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本专利技术技术方案范围内，可利用以上所阐述的技术 内容而做出的些许更改、修饰与演变的等同变化，均为本专利技术的等效实施例；同时，凡依据 本专利技术的实施技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均属于本发 明的技术方案的保护范围之内。【主权项】1. 本专利技术利用分子动力学模拟（MD)的方法，结合实验研究文献，建立一种无定形态烟 煤结构孔隙特性的分析方法，【具体实施方式】分为以下4步： (1) 烟煤分子结构模型构建及结构优化 根据收集烟煤的变质程度，烟煤的物质组成成分，烟煤的埋藏深度、烟煤的密度数据， 在MS中建立烟煤分子结构模型；采用能量最小化方法优化烟煤分子结构，得到稳定的烟煤 分子结构模型； (2) 无定形态烟煤结构构建及构型优化 利用MS根据烟煤的密度，采用步骤（1)中优化后的烟煤分子稳定构型构建无定形态烟 煤结构模型；采用能量最小化方法优化无定形态烟煤结构，得到稳定的烟煤结构； (3) 本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术利用分子动力学模拟(MD)的方法，结合实验研究文献，建立一种无定形态烟煤结构孔隙特性的分析方法，具体实施方式分为以下4步：(1)烟煤分子结构模型构建及结构优化根据收集烟煤的变质程度，烟煤的物质组成成分，烟煤的埋藏深度、烟煤的密度数据，在MS中建立烟煤分子结构模型；采用能量最小化方法优化烟煤分子结构，得到稳定的烟煤分子结构模型；(2)无定形态烟煤结构构建及构型优化利用MS根据烟煤的密度，采用步骤(1)中优化后的烟煤分子稳定构型构建无定形态烟煤结构模型；采用能量最小化方法优化无定形态烟煤结构，得到稳定的烟煤结构；(3)分子动力学模拟(MD)及孔隙结构计算在MS中采用NPT系综对步骤(2)中优化后的稳定无定形态烟煤结构进行分子动力学模拟；利用Poreblazer软件计算分子动力学模拟之后的无定形态烟煤结构的孔隙体积、有效孔隙体积、孔隙度、比表面积、孔隙尺寸分布、孔隙最大直径和孔隙限制直径；(4)孔隙特性分析根据步骤(3)的计算结果，借助于Origin软件绘制孔隙结构的孔径尺寸分布(PSD)曲线，分析无定形态烟煤结构的孔隙特性。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁效庆，党勇，周赛男，武中华，魏淑贤，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37