一种煤微观孔隙结构表征方法技术

本发明专利技术提供一种煤微观孔隙结构的表征方法，该方法通过分子动力学优化，得到煤微观模型的微观孔隙信息，包括：步骤1，进行相关实验得到煤大分子的相关信息；步骤2，利用步骤1中得到的信息在ChemDraw和MestRevona中绘制煤大分子模型，导出到Materials Studio软件中进行优化；步骤3，基于步骤2中得到的煤大分子模型，应用蒙特卡洛方法构建煤的微观模型，通过Ubuntu导入到LAMMPS软件中；步骤4，通过LAMMPS进行相应的参数设定，进行能量最小化、退火及分子动力学优化；步骤5，通过LAMMPS得到煤微观模型坐标文件；步骤6，基于OVITO软件对煤微观模型坐标文件进行处理，得到煤微观模型的孔隙信息。该发明专利技术为煤微观孔隙结构评价提供了一种可行方法，在煤炭行业中有很大的应用前景。

A characterization method of coal micro pore structure

The invention provides a characterization method of coal micro pore structure, which obtains micro pore information of coal micro model through molecular dynamics optimization, including: Step 1, carry out relevant experiments to obtain relevant information of coal macromolecule; step 2, draw coal macromolecule model in ChemDraw and mestrevona using the information obtained in step 1, and export it to Materials Studio software Step 3, based on the coal macromolecular model obtained in step 2, the micro model of coal is constructed by Monte Carlo method and imported into lammps software through Ubuntu; step 4, the corresponding parameters are set through lammps for energy minimization, annealing and molecular dynamics optimization; step 5, the coal micromodel coordinate file is obtained through lammps; step 6, based on ovito soft The coordinate file of coal micro model is processed to get the pore information of coal micro model. The invention provides a feasible method for the evaluation of coal micro pore structure and has a great application prospect in the coal industry.

【技术实现步骤摘要】
一种煤微观孔隙结构表征方法
本专利技术属于煤微观孔隙结构测量
，涉及一种煤大分子间孔隙的表征及孔隙度的测量方法，尤其涉及一种利用煤大分子与分子模拟技术对煤微观模型孔隙结构的表征测试方法。
技术介绍
煤是典型的多孔介质之一，易于吸附瓦斯等小分子物质。在煤的瓦斯吸附过程中，煤中孔隙的存在对瓦斯的吸附起到重要作用。国内外学者对煤的孔隙结构、孔隙率等进行研究，多种手段被应用于研究煤的孔隙，以比重法、等温吸附法、压汞法为主。但由于煤内部结构复杂及测量尺度的限制，这些测量煤孔隙的方法难以较为准确地反映煤内部微观孔隙结构。由于煤大分子具有高度立体化的特点，它的结构特点决定了煤中存在大量的细微孔隙，而微孔隙中具有的可供小分子吸附的表面积也是十分巨大的，因此煤中大分子间形成的微孔隙对于瓦斯吸附具有重要的作用。本专利技术主要从表征煤大分子间孔隙出发，提出了一种新的描述煤微观孔隙结构的方法，丰富了目前煤微观孔隙结构的表征参数。
技术实现思路
为了克服现有煤微观孔隙表征方法的不足，本专利技术提供一种基于分子模拟技术分析煤大分子之间微孔隙的表征方法，应用实验及分子模拟相结合的方法构建煤大分子结构。通过蒙特卡洛方法构建煤微观模型，并对其进行优化。利用“滚球方法”对煤微观模型内部的孔隙结构进行定量分析，本专利技术适用于煤内部大分子间孔隙的测定与表征。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种煤微观孔隙结构表征方法，其特征在于：本方法基于分子模拟软件MaterialsStudio和LAMMPS建立煤的微观模型，并对其进行分子间孔隙表征，包括如下步骤：步骤1、进行相关实验得到煤大分子的成分组成及结构信息；步骤2、利用步骤1中得到的实验数据在ChemDraw和MestRevona软件中绘制煤大分子模型，导出到MaterialsStudio软件中并对其进行优化；步骤3、基于步骤2中得到的煤大分子模型，应用蒙特卡洛方法构建由多个煤大分子组成的微观模型，并将该模型通过Ubuntu导入到LAMMPS软件中；步骤4、通过LAMMPS的fix命令对煤的微观模型进行相应的参数设定，进行能量最小化、退火及分子动力学优化；步骤5、根据需要在LAMMPS中通过dump命令得到基体内原子坐标文件；步骤6、基于OVITO软件对步骤5中得到的煤微观模型坐标文件进行数据处理，并对煤微观模型中原子的运动轨迹进行可视化，得到目标煤微观模型的孔隙信息；本专利技术所述的煤微观孔隙结构表征方法与传统煤孔隙测量方法相比，从分子尺度考虑了煤中存在的微孔隙，考虑煤大分子结构对其内部孔隙的本质影响，对于表征真实情况下煤微孔隙具有实际意义。作为本专利技术的一种技术方案，所述步骤1中煤大分子结构的构建实验方法包括：实验样品制备、通过元素分析和工业分析实验、核磁共振实验、X射线光电子能谱实验、傅里叶变换红外光谱实验、X射线衍射实验得到构建煤分子的成分组成及分子结构信息。作为本专利技术的一种技术方案，所述步骤2中对煤大分子进行优化的方法包括：在MaterialsStudio软件中的PCFF分子力场下选择forcite模块中的smartminimizer算法对煤大分子结构进行结构优化。参数设置：迭代步数50000步：截断半径15.5A，能量停止容差为0.001kcal/mol，力的停止容差为0.5kcal/mol/A。采用电荷平衡法，基于原子状态对库伦能和范德华能进行计算。为了克服分子结构能垒，使体系的能量达到几何最优状态，采用退火动力学计算，初始温度设置为300k，最高温度设置为500k，升温速率为600k/ps，选择NVT系综，模拟时间是10ps，控温方法选择Nose方法，退火模拟的循环次数设置为5，在每次循环结束后对输出的构型进行几何优化，使体系的能量和结构达到最优状态。作为本专利技术的一种技术方案，所述步骤3中应用蒙特卡洛方法构建煤基体模型包括：利用构建及优化完成的煤大分子模型，选择MaterialsStudio软件中的AmophousCellConstruction模块对煤大分子添加周期性边界条件，通过改变煤大分子晶胞的体积，获得煤大分子晶胞势能随密度变化的变化规律。煤大分子第一次达到能量最低点时得到的模拟密度与真实密度存在较大差距，超越第一次能量最低值后的能量变化的最低值对应的晶胞密度与煤的真实密度才最为接近根据计算出的最优晶胞密度，以此为依据构建含有多个煤大分子的分子聚集体模型。作为本专利技术的一种技术方案，所述步骤为4中对煤微观模型进行退火及分子动力学优化包括：利用步骤3中将构建好的含多个煤大分子的聚集体模型导出为LAMMPS可以运行的data文件。在NPT系综下进行动力学优化，系统保持压力0.1MPa，温度设定为300k，分别选择Berendsen和Nose方法对系统压力和温度进行控制。时间步长为1fs，截断半径设置为15.5A，优化时间300ps，得到符合最优情况下的煤微观模型的密度值。为了避免煤微观模型中分子堆积等不合理构象产生的局部能量过大的情况，需要对其进行构型优化及退火动力学处理。选择共轭梯度法对基体进行能量最小化，能量停止容差为0.001kcal/mol，力的停止容差为0.5kcal/mol/A，最大迭代步数为50000步，采用Ewald算法对长程库伦相互作用进行计算。退火动力学处理与上面提到的方法一致，退火完毕后在NVT系综下积分100ps得到驰豫后的煤微观模型。作为本专利技术的一种技术方案，所述步骤为6中求取目标煤基体的孔隙信息及输出表征构象包括；通过步骤5输出煤大分子微观模型最终构型的坐标文件，运用OVITO软件中的Delaunay四面体剖分算法将煤微观模型空间划分为四面体单元，利用基于alpha-shape算法的“滚球方法”对煤微观模型内部孔隙进行探测，得到相应的内部孔隙结构。附图说明图1为本专利技术的煤微观孔隙结构表征方法的流程图。图2为本专利技术通过实验数据绘制出的煤大分子平面结构图3为本专利技术经过结构优化及退火处理后的煤大分子最优构型图4为本专利技术煤大分子晶胞不同密度对应势能的分析图图5为本专利技术不同直径探针下的煤微观模型孔隙结构图具体实施方式为使本专利技术的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出赵庄煤微观孔隙结构表征的实施例，并配合图示，做详细说明如下。如图1所示，图1为本专利技术的煤微观孔隙结构表征方法的流程图。在步骤1中，构建赵庄煤大分子模型需要的样品制备方法及实验如下：依据《煤层煤样采取方法》(GB/T482-2008)进行采样，并将新采集的样品按一定要求包装。将样品粉碎、研磨，然后在60-80目的范围内筛分，用氢氟酸和盐酸等无机酸进行脱矿处理，以减少某些无机矿物质对实验测试结果的影响。用蒸馏水清洗至中性，后在真空干燥箱100℃下干燥12小时直至恒重。元素分析和工业分析实验对水分、灰分、和挥发分三个参数进行工业分析，利用5E-MACⅢ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤微观孔隙结构表征方法，其特征在于，煤微观孔隙结构表征方法包括：/n步骤1，进行相关实验得到煤大分子的成分组成及结构信息；/n步骤2，利用步骤1中得到的实验数据在ChemDraw和MestRevona软件中绘制煤大分子模型，导出到Materials Studio软件中并对其进行优化；/n步骤3，基于步骤2中得到的煤大分子模型，应用蒙特卡洛方法构建多个煤大分子组成的微观模型，并将该模型通过Ubuntu导入到LAMMPS软件中；/n步骤4，通过LAMMPS的fix命令对煤的微观模型进行相应的参数设定进行能量最小化、退火及分子动力学优化；/n步骤5，根据需要在LAMMPS中通过dump命令得到基体坐标文件；/n步骤6，基于OVITO软件对步骤5得到的煤微观模型坐标文件进行数据处理，并对煤微观模型中原子的运动轨迹进行可视化，得到目标煤微观模型的孔隙信息。/n

【技术特征摘要】
1.一种煤微观孔隙结构表征方法，其特征在于，煤微观孔隙结构表征方法包括：
步骤1，进行相关实验得到煤大分子的成分组成及结构信息；
步骤2，利用步骤1中得到的实验数据在ChemDraw和MestRevona软件中绘制煤大分子模型，导出到MaterialsStudio软件中并对其进行优化；
步骤3，基于步骤2中得到的煤大分子模型，应用蒙特卡洛方法构建多个煤大分子组成的微观模型，并将该模型通过Ubuntu导入到LAMMPS软件中；
步骤4，通过LAMMPS的fix命令对煤的微观模型进行相应的参数设定进行能量最小化、退火及分子动力学优化；
步骤5，根据需要在LAMMPS中通过dump命令得到基体坐标文件；
步骤6，基于OVITO软件对步骤5得到的煤微观模型坐标文件进行数据处理，并对煤微观模型中原子的运动轨迹进行可视化，得到目标煤微观模型的孔隙信息。


2.根据权利要求1所述的煤微观孔隙结构的表征方法，其特征在于，在步骤1中通过元素分析和工业分析实验、核磁共振实验、X射线光电子能谱实验、傅里叶变换红外光谱实验，通过分峰拟合方法得到煤的大分子成分组成及结构信息。


3.根据权利要求1所述的煤微观孔隙结构的表征方法，其特征在于，在步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟筠青，牛家兴，李世超，夏捃凯，孟含燮，聂百胜，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11