煤层中不仅赋存着丰富的气体资源,还饱含着大量水分,水分含量会对煤层气的吸附作用产生影响,进而影响瓦斯抽采、二氧化碳封存和煤氧化自燃等。若能合理改变条件,让惰性气体大量吸附,驱替煤层中氧气和甲烷等易引发灾变的气体,可以同时达到温室气体封存和防治煤自燃的双赢效果。因此,探究水分含量对气体竞争吸附作用的影响具有重要意义。 以平顶山烟煤为吸附剂,构建干煤模型和四种不同水分含量的煤分子模型,以氧气、甲烷、二氧化碳和氮气为吸附质,采用巨正则蒙特卡洛方法,模拟在298.15K、0~10MPa压力作用下,不同水分含量煤样对单组分和混合组分气体的吸附行为。研究表明:在温度一定时,气体的吸附量随着压力增大而增大,低压阶段气体快速填充孔隙,吸附量增大,气体分子增多,分子间作用力增强,使得吸附等温线趋于平稳,达到吸附平衡状态。在单组分系统中,气体的吸附量关系为:CO2>O2>CH4>N2,在水分含量较低的情况下,H2O分子对气体吸附能力的影响较小,随着水分含量的增加,单组分气体的吸附量减少,H2O分子与气体分子间存在明显的竞争吸附作用,其中水分对CH4的吸附作用影响最大,对CO2的吸附作用影响最小,同时水分的加入没有改变气体的吸附曲线类型。在O2/N2、O2/CH4、O2/CO2混合组分系统中,水分的加入使得各混合组分中气体的吸附量均减少,其中CO2对O2的吸附能力影响最大,表现出明显的竞争吸附优势,其次是CH4和N2。因此,注二氧化碳防治煤自燃的效果比注氮气效果更好。 煤孔隙结构是气体发生吸附行为的主要场所。开展孔隙结构测定试验发现,平顶山烟煤孔隙发育,以大孔和介孔为主,微孔分布较少。但煤中存在部分超微孔隙结构,该类结构通过试验方法很难测定,因此引入不同探针分子对煤中超微孔隙结构进行模拟,发现超微孔以墨水瓶形孔为主,探针分子直径越小探测到的孔隙结构越复杂,孔隙表面积与自由体积越大,吸附气体的有效吸附空间和吸附点位越多,气体吸附量与分子动力学直径基本呈负相关关系。 利用傅里叶变换红外光谱进行测试发现,不同水分含量煤样的官能团含量存在明显差异,官能团含量随着水分含量的变化而变化,但各官能团变化规律不一。对不同条件下煤分子的饱和吸附状态进行模拟发现,在吸附前后四种气体的键长未发生改变,且吸附热都小于40kJ/mol,因此煤对气体的吸附行为属于物理吸附,气体分子进入煤结构后主要被吸附在含氧官能团附近,水分加入与气体竞争含氧官能团附近吸附位,水分含量越高,气体吸附释放的热量越少,水分含量的增加抑制了煤对氧气的吸附作用。