4.含瓦斯煤與水之間接觸動態(tài)演化的微觀機制

采用Materials studio分子動力學(xué)軟件中的Amorphous Cell功能，建立一個由150個wender無煙煤分子組成的煤盒子(圖10a)，煤盒子的長和寬均為10 nm；然后創(chuàng)建一個與煤盒子等長/等寬的含有2層石墨烯的結(jié)構(gòu)，通過Build layers功能將含有2層石墨烯的結(jié)構(gòu)放置于煤分子上下兩側(cè)(圖10b)；最后，通過不斷的壓縮、移動及結(jié)構(gòu)優(yōu)化操作，將上下兩側(cè)的石墨烯結(jié)構(gòu)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(gòu)建的平整的煤表面模型進行等溫吸附模擬，選擇的立場為COMPASSⅡ立場，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(gòu)型(圖11)；基于Amorphous Cell功能構(gòu)建1個水盒子，通過Nanocluster功能構(gòu)建1個直徑為6 nm水球，將該水球放置在煤吸附瓦斯的構(gòu)型中，從而構(gòu)成含瓦斯煤與水的分子結(jié)構(gòu)模型，如圖12所示；對含瓦斯煤與水的分子結(jié)構(gòu)模型進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分子動力學(xué)模擬，選擇COMPASSⅡ力場，系綜選擇NVT，溫度被設(shè)置為308.15 K，時間步長為1 fs，總模擬時間為500 ps。

圖11不同瓦斯壓力條件下煤吸附瓦斯的構(gòu)型

圖12含瓦斯煤與水的分子結(jié)構(gòu)模型

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

圖13不同瓦斯壓力、時間條件下煤與水分子接觸結(jié)構(gòu)模型

通過對比瓦斯壓力為3.5 MPa條件下，模擬時間為100、250、500 ps時，煤與水分子接觸構(gòu)型(圖13a)可以獲得如下規(guī)律：隨著時間的增加，水分子逐漸在煤表面鋪展，接觸面寬度逐漸增加，通過觀察圖13a中的區(qū)域A可以明顯發(fā)現(xiàn)此規(guī)律。通過對比同一瓦斯壓力、不同時間條件下，煤與水分子接觸構(gòu)型(圖13b—圖13c)發(fā)現(xiàn)：隨著時間的增加，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，隨著時間的增加，水分逐漸在煤體表面鋪展，水與煤之間的接觸角逐漸減小。通過對比同一時間條件下(圖13b—圖13c)可知，隨著瓦斯壓力的增加，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入煤中，水分越不容易潤濕煤。

基于不同瓦斯壓力條件下、動力學(xué)模擬時間為500 ps時，煤與水分子的分子動力學(xué)模擬結(jié)果，對不同瓦斯壓力條件下水分子沿Z軸的相對濃度進行計算，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(shù)密度與系統(tǒng)內(nèi)水分子總數(shù)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，在任意一個瓦斯壓力條件下，水分子濃度沿Z軸均會出現(xiàn)峰值點(1.825 nm)，峰值點位于煤水交界面的上方，因為煤表面吸附有瓦斯，所以峰值點沒有出現(xiàn)在煤表面。在峰值點的左側(cè)，同一距離處，水分子濃度隨著瓦斯壓力的增加而減小，說明瓦斯壓力越大，水分子越不易進入到煤中。在峰值點右側(cè)一定距離處(圖14過渡區(qū)域的左側(cè))，水分子濃度隨著瓦斯壓力的增加而減小，其說明瓦斯壓力越大，水分子越難在煤表面鋪展。然而，在圖14中過渡區(qū)域的右側(cè)一定范圍內(nèi)，水分子濃度隨著瓦斯壓力的增加而增加，其說明瓦斯壓力越大，水分子越不易進入煤中，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態(tài)演化規(guī)律，水滴在含瓦斯煤表面的演化特性及分子動力學(xué)模擬結(jié)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(yù)濕減塵的效果。

5.結(jié)論

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

2)同一瓦斯壓力條件下，隨著潤濕時間的增加，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)隨著潤濕時間的增加，水滴輪廓最高點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，其與分子動力學(xué)模擬獲得的含瓦斯煤?水之間的接觸演化規(guī)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(xiàn)峰值點，在峰值點上方一定距離處，水分子濃度分布規(guī)律發(fā)生逆轉(zhuǎn)，由水分子濃度隨著瓦斯壓力的減小而增加逆轉(zhuǎn)為隨著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(yù)濕減塵的效果。