煤层气主要以吸附态赋存于煤体孔隙中,其解吸与运移效率受煤孔隙结构连通性制约。我国煤层普遍具有低渗透、低气压和高瓦斯吸附等特征,导致煤层气产能偏低和瓦斯灾害频发。为提高煤层气抽采效率和矿井安全,近年来提出利用功能性纳米流体改性煤储层结构。SiO₂-H₂O纳米流体是一种制备简单、成本低和对环境友好的新型流体工质,已被证实具有优异的润湿调控能力。为此,选取不同浓度的SiO₂-H₂O纳米流体对多种煤样进行改性处理,并采用高压压汞、低温氮气吸附和甲烷等温吸附解吸实验及分子动力学模拟等方法,系统分析纳米流体作用下煤样孔隙结构的变化特征,探讨其对煤中甲烷吸附解吸能力和动力学行为的影响。得出的主要结论如下: (1)SiO₂-H₂O纳米流体能够有效调控煤孔隙结构,显著改善孔隙连通性。实验结果表明,随着SiO₂-H₂O纳米流体浓度增加煤样总孔容呈现逐步上升趋势。其中,中孔和大孔范围孔容增多,微孔和小孔孔容减少,孔径分布表现出整体向较大孔径方向优化。 (2)SiO₂-H₂O纳米流体改性使煤样的比表面积整体下降,尤其削减了微孔比表面积占比,孔隙表面分形维数整体下降。煤体孔隙形态趋于规整和平滑,结构复杂程度降低,甲烷吸附潜势减弱,更有利于甲烷的扩散运移。 (3)不同浓度SiO₂-H₂O纳米流体处理后煤样的甲烷吸附能力明显下降,Langmuir最大吸附量随SiO₂-H₂O纳米流体浓度增加呈递减趋势,最大降幅达56.37%。这表明微小孔孔容减少、比表面积降低和SiO₂纳米颗粒(NPs)进入孔隙后占据煤壁高亲和吸附位点削弱了煤对甲烷的吸附能力。 (4)甲烷解吸实验结果显示,SiO₂-H₂O纳米流体改性煤样的甲烷解吸性能整体提升,改性煤样扩散系数随着SiO₂-H₂O纳米流体浓度增加而减小。改性煤样在初始阶段解吸速率低于原始煤样,但随着解吸时间增加累积解吸量超过原始煤样,且SiO₂-H₂O纳米流体浓度越高,煤样甲烷解吸总量越大。 (5)分子模拟结果佐证并揭示了SiO₂ NPs“抑制吸附、促进解吸”的微观机制,SiO₂ NPs在小孔径孔隙中易堆积,虽会部分阻滞甲烷分子的扩散路径,但其占据煤壁高亲和吸附位点并削弱孔壁甲烷吸附层,促使甲烷分子向孔隙中心重新分布并更易脱附。该微观作用机制为宏观实验提供了微观结构层面的解释支撑,说明SiO₂-H₂O纳米流体改性能够从微观层面降低煤对甲烷的束缚作用,实现削弱吸附增强解吸的效果,对煤层气高效抽采与瓦斯灾害防治具有积极意义。