煤炭能源作为我国能源结构的战略基石,是保障电力安全、稳定工业底盘、应对能源危机的核心压舱石。然而,煤矿作为传统高危行业,事故死亡人数长期居于主要行业排名前列,煤矿瓦斯事故又是安全生产首要风险源,是安全生产的重中之重。但同时,煤层气作为一种清洁高效的非常规天然气资源,其高效开采对于减少煤矿瓦斯事故、缓解能源压力、优化能源结构具有重要意义。在煤层气开采过程中,注热技术作为一项关键的强化开采策略,为瓦解煤层内甲烷初始吸附稳态、促进甲烷解吸与扩散,提高煤层气采收率提供了重要技术途径。然而,循环热冲击下煤层甲烷扩散行为的响应及其在微观尺度下的作用机制尚不明晰,严重阻碍了该技术在实际煤层气开采场景中的进一步优化升级与应用。鉴于此,本研究借助分子动力学方法,聚焦于循环热冲击条件下煤层孔裂隙的动态演化态势以及甲烷扩散行为展开了深入探究,并取得了如下研究成果: (1)通过对不同变质程度的煤体进行了不同温度梯度的循环热冲击实验处理,结合核磁共振(¹H-NMR)无损测试,系统分析煤体孔隙结构响应特征。结果表明,循环热冲击处理后三种煤阶的T₁-T₂信号峰值均呈现明显增加趋势,其中自由水的分布空间增加幅度最为突出;由于热应力的反复作用,孔裂隙张开,次生孔隙随热冲击进程存在着梯度性差异,孔隙连通性整体增强;中孔和大孔的孔喉发育最为成熟,增加了煤层气在煤储层中的渗流空间,且渗透孔隙度与循环热冲击强度呈正相关。 (2)引入分形维数理论对循环热冲击处理过程中的煤样孔隙结构演化特征进行分析。研究发现,随着循环热冲击强度逐步提升,煤体内部原生孔隙结构发生重塑,孔隙的不均匀性明显降低,孔隙结构分形特征愈发凸显,不同煤阶总孔隙分形维数呈现规律性差异:褐煤<烟煤<无烟煤。其中,褐煤在循环热冲击后的孔隙结构变得更加规整、连通性增强,为甲烷分子的高效扩散提供了更为有利的通道与空间条件。 (3)基于工业分析、元素分析、XPS和¹³C-NMR表征测试,建立典型煤样的大分子结构模型,采用巨正则系统蒙特卡洛模拟(GCMC)方法,充分考虑煤基质复杂的化学结构以及甲烷分子与煤表面的相互作用,从微观角度观察循环热冲击处理后煤样内部化学分子结构的改变及其对煤基质中甲烷扩散行为的影响。模拟结果表明,循环热冲击处理后煤分子热运动加剧,煤体内部结构发生改变,单个煤分子的饱和甲烷吸附量明显下降,削弱了CH?分子与羰基以及部分甲基之间的相互作用,扩散系数显著增加。这表明在微观尺度下,煤分子结构的动态变化与孔隙结构的扩缩演变协同作用,共同影响着甲烷扩散行为。 本文从宏观孔隙结构演变、分形特征量化到微观分子作用机制,系统揭示了循环热冲击下煤层孔裂隙演化过程以及煤基质中甲烷扩散的分子动力学运动,为理解循环热冲击强化煤层气开采过程中甲烷运移机制提供了微观理论支撑。 本论文共含图35幅,表12个,参考文献109篇。