随着人类文明的发展煤炭、石油资源的枯竭,能源结构已经从煤石油向天然气转变。我国煤炭资源丰富,探明的煤层气逐年增长。煤层气将成为未来的主要能源。煤层气的生成、储集以及成藏条件与其它天然气有明显的差异。煤层气主要以吸附态赋存于煤层中,所以研究煤与甲烷分子的相互关系,是合理开采煤层气的基础。煤大分子结构具有复杂性和不均一性,煤大分子结构的构建对是研究煤与甲烷分子相互作用的基础。本文利用13C-NMR、FTIR、XPS等物理化学方法,结合工业分析、元素分析,以西山矿区西铭8号煤(XM-8)为例,构建能够反映真实存在形式的煤大分子结构。XM-8模型中,芳香结构单元以菲、葸结构为主,最大环数可达到五个;脂肪结构主要以脂肪侧链的形式存在;氧原子分别以醚键、羟基、和羰基形式存在;氮原子以吡咯和吡啶的形式存在;硫原子以噻吩形式存在。采用Materials Studio6.0(MS)中Forcite模块对XM-8结构模型进行能量最小化模拟。结果表明,分子内及分子间芳香层片之间的π-π相互作用,使其以近似平行的方式排列。在此基础上,根据第一性原理的密度泛函理论,计算并研究了甲烷与XM-8大分子结构的相互作用及最优吸附位置,并与石墨模型进行了比较。结果表明:甲烷分子在煤大分子芳香环结构中2-Bond-UP位置为最优吸附位置,吸附能为-38.37 kJ/mol甲烷分子在煤大分子杂原子环结构中C-C键或X-C键中间为最优吸附,并且优先吸附在芳香环结构上。径向分布函数表明,煤大分子结构对甲烷的吸附作用是由吸附位置与吸附方向共同决定的,并且甲烷的吸附位点与吸附方向的差异所引起的吸附能变化大于芳香结构单元对其的影响。