煤层气作为一种非常规天然气,对其进行的广泛开采与利用对促进我国产业发展以及改变能源结构有重要意义。研究煤结构与甲烷以及二氧化碳分子间的相互作用机理,对了解煤层气的分布特征具有重要意义。但以宏观的实验手段难以在分子层面解析吸附机理,因此本文在微观角度构建煤结构模型,基于分子模拟技术,探究吸附过程中,煤大分子结构对CH₄以及CO₂气体分子的吸附作用机理。本文选取阳泉矿区新景矿3#煤层中的无烟煤(Yangquan No.3 anthracite coal,YQ3,挥发分为9.90%,镜质组反射率为2.59%)作为研究对象,以工业元素分析为基准、基于高分辨率透射电镜晶格条纹图像、结合¹³C核磁共振波谱(¹³C-NMR)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等测试分析手段,构建了YQ3大分子结构模型,该模型不同于以往基于平均结构表征所构建出的小尺度分子结构模型,其捕捉到了分子结构的多样性且具有大尺度特性。运用Materials Studio软件,对所构建的结构模型进行分子力学及动力学模拟,得到能量最低构型;对结构模型进行CO₂、CH₄单组分及双元组分等温吸附模拟,模拟吸附构型,统计优势吸附位点及吸附方向,分析吸附前后结构的能量,从能量以及吸附构型的角度分析CH₄及CO₂竞争吸附机理;对模型中一部分成孔层片进行官能团替换,计算吸附能,理解不同官能团结构与CH₄和CO₂气体间的耦合作用,主要结论如下:(1)通过对YQ3的高分辨率透射电镜显微图片进行条纹提取及长度取向分布统计,发现条纹长度在0.50-0.70 nm范围内出现了峰值,并且长度分布持续延伸到4.46 nm,平均为0.93 nm,同时取向也较为集中,最大有46.66%的条纹长度集中分布在45°的范围内;对¹³C-NMR、XPS和FTIR分析表明,芳碳率为0.91,含氮官能团主要为吡咯和吡啶,羟基、羰基以及醚氧为模型中氧原子的主要存在形式。通过各类官能团结构表征,构建了YQ3大分子结构模型,模型分子式为C₁₉₃₅H₉₂₈O₄₂N₂₄S₃,分子量为25252 Da。结构模型的元素分布与元素分析测试结果有较好的一致性。(2)对构建完成的YQ3大分子结构模型在Materials Studio软件进行几何优化以及退火动力模拟,并对能量组成进行了计算。结构优化后的能量最低构型中,范德华能在非成键能中占比最大,在维持结构稳定性方面发挥重要作用。优化过程中脂肪侧链发生了不同程度的扭转,使得由脂肪侧链相连的芳香结构也发生了不同程度的变形,整个构型更立体紧凑。(3)基于巨正则蒙特卡洛方法对结构模型进行了CH₄以及CO₂的单一气体组分以及二元气体组分等温吸附模拟,结果表明:0-10 MPa压力范围,单组分CH₄和CO₂在10 K温度梯度下的三条模拟等温吸附曲线符合Langmuir吸附模型,在相同的温度和压力条件下CO₂的吸附量大于CH₄,三种温度下两种气体的吸附量大小顺序一致为:293K>303 K>313 K,温度升高不利于吸附;CO₂在CH₄/CO₂二元混合气体组分吸附中表现出较明显的竞争优势。(4)基于巨正则蒙特卡洛方法分别模拟了8 MPa/293 K条件下结构模型对于CH₄和CO₂的吸附构型,对吸附位点和吸附方向进行了统计,结果表明:大部分的CH₄分子以Up和2H的吸附方向吸附在结构模型表面,从Down到Up方向吸附平衡距离由4.11(?)变为3.67(?);在CO₂吸附构型中,大部分CO₂分子以平行吸附方向吸附在结构表面,很少以垂直于煤表面的吸附方向存在,从平行到垂直方向,吸附平衡距离由3.47(?)变为4.07(?)。CH₄和CO₂的吸附位点有较高的一致性,CH₄在微孔表面呈现聚集状态分布,CO₂分子则以两两平行或者相交的形式存在,CO₂的吸附平衡距离小于CH₄。(5)基于密度泛函理论,计算了结构模型中部分成孔层片在不同官能团孔壁环境下对CH₄以及CO₂的吸附能,结果表明:在相同的官能团结构模型中,CO₂的吸附能大于CH₄的吸附能;羟基、羰基、和羧基等含氧官能团的存在对CH₄吸附有不利影响,四种结构吸附强弱顺序表现为:C-Layer>C=O-Layer>OH-Layer>COOH-Layer,为疏水性以及碱性顺序;含氧官能团提高了CO₂的吸附性能,四种结构吸附顺序强弱顺序表现为:COOH-Layer>OH-Layer>C=O-Layer>C-Layer,为极性顺序;含氮官能团中吡啶的存在同时提高了CH₄以及CO₂的吸附性能,但吡咯对CH₄和CO₂的吸附都起着阻碍作用。