一種無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)孔隙特性的分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及煤炭開發(fā)與利用研究領(lǐng)域，具體涉及一種孔隙特性的分析方法，特別 是一種無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)孔隙特性的分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國煤炭資源豐富，地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，煤的變質(zhì)程度也有很大區(qū)別，在煤炭開采 過程中，瓦斯已成為威脅我國煤炭安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。此外，我國石油天然氣資源短 缺，但是煤層氣資源非常豐富。煤是一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)，其孔隙結(jié)構(gòu)特征決定了煤巖結(jié)構(gòu) 的力學(xué)性質(zhì)和孔隙流體的運(yùn)移規(guī)律，并直接影響著煤層氣的富集與滲透運(yùn)移。近年來，隨著 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用分子模擬技術(shù)研究各種多孔介質(zhì)越來越普遍，并且逐漸趨于 成熟，其優(yōu)勢(shì)在于不受實(shí)驗(yàn)條件的限制，并且可以從微觀層面詳盡考察多孔介質(zhì)的各種性 質(zhì)。本發(fā)明通過分子動(dòng)力學(xué)模擬方法考察煙煤結(jié)構(gòu)的孔隙結(jié)構(gòu)特征，能從微觀層次揭示煤 層氣的擴(kuò)散運(yùn)移機(jī)理及其動(dòng)態(tài)過程；本發(fā)明對(duì)煤炭以及煤層氣的開采和瓦斯防治具有重要 的指導(dǎo)意義。本發(fā)明中我們通過歸納總結(jié)文獻(xiàn)，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD)方法，形成一種 無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)孔隙特性的分析方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明利用分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD)計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究文獻(xiàn)，建立一種無定 形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)孔隙特性的分析方法。本發(fā)明方法所采用的計(jì)算機(jī)模擬軟件為Materials Studio(MS)軟件和Poreblazer軟件以及Origin軟件。
[0004] 本發(fā)明的內(nèi)容可分為煙煤分子結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建、無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建和分子 動(dòng)力學(xué)模擬及孔隙特性分析四部分，包括以下幾個(gè)步驟： (1) 煙煤分子結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 步驟1 :根據(jù)收集煙煤的變質(zhì)程度，煙煤的物質(zhì)組成成分，煙煤的埋藏深度、煙煤的密 度數(shù)據(jù)，在MS中建立煙煤分子結(jié)構(gòu)模型； 步驟2 :采用能量最小化方法優(yōu)化煙煤分子結(jié)構(gòu)，得到穩(wěn)定的煙煤分子結(jié)構(gòu)模型； (2) 無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)構(gòu)建及構(gòu)型優(yōu)化 步驟3 :利用MS根據(jù)煙煤的密度，采用步驟2中優(yōu)化后的煙煤分子穩(wěn)定構(gòu)型構(gòu)建無定 形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)模型； 步驟4 :采用能量最小化方法優(yōu)化無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)，得到穩(wěn)定的煙煤結(jié)構(gòu)； (3) 分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD)及孔隙特性分析 步驟5 :在MS中采用NPT系綜對(duì)步驟4中優(yōu)化后的穩(wěn)定無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子動(dòng) 力學(xué)模擬； 步驟6 :利用Poreblazer軟件計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)模擬之后的無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)的孔隙體 積、有效孔隙體積、孔隙度、比表面積、孔隙尺寸分布、孔隙最大直徑和孔隙限制直徑； 步驟7 :根據(jù)步驟6的計(jì)算結(jié)果，借助于Origin軟件繪制孔隙結(jié)構(gòu)的孔徑尺寸分布 (PSD)曲線，分析無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)的孔隙特性。
[0005] 步驟2中煙煤分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用COMPASS力場(chǎng)，非鍵作用選擇范德瓦爾斯力和 庫侖力，疊 加處理法選取Atom Based，精度采用Medium，原子的截?cái)喟霃綖?.50 A,選擇 Smart Minimizer方法，收斂水平選取Medium ;
[0006] 步驟3中采用正交晶系和周期性邊界條件建立無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)模型，煙煤的密 度為1181kg/m 3,溫度為298K ;
[0007] 步驟4中優(yōu)化無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)的參數(shù)選取與步驟2的相同；
[0008] 步驟5中進(jìn)行MD模擬時(shí)壓力設(shè)為0· OIGpa，溫度為298K，時(shí)間步長為1.0 fs，動(dòng)態(tài) 時(shí)間為1000 ps。
[0009] 本發(fā)明的有益效果在于：提出了一種無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)孔隙特性的簡便分析方 法。本發(fā)明方法計(jì)算快速、結(jié)果準(zhǔn)確，能從分子水平層次深入了解煙煤結(jié)構(gòu)的孔隙特性，可 以為煤炭開采以及煤層氣在煤中的擴(kuò)散和運(yùn)移、瓦斯防治提供理論指導(dǎo)，縮短研發(fā)周期，同 時(shí)也可以節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力。
【附圖說明】
[0010] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。 圖1 :具體研究技術(shù)路線流程圖 圖2 :煙煤分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖 圖3 :無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)構(gòu)型圖 圖4 :PSD曲線圖
【具體實(shí)施方式】
[0011] 下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。以實(shí)例分析一種中間級(jí)無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)的 孔隙特性來進(jìn)一步理解本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)。【具體實(shí)施方式】分為以下4步： (1) 煙煤分子結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 根據(jù)煙煤模型結(jié)構(gòu)查找相關(guān)實(shí)驗(yàn)和理論文獻(xiàn)，依據(jù)收集的數(shù)據(jù)，利用MS軟件建立煙煤 分子結(jié)構(gòu)，本實(shí)例中選用中間級(jí)煙煤CltwH82O5N2S 2這一種分子，使用MS的Discover模塊優(yōu)化 煙煤分子結(jié)構(gòu)。選擇Discover模塊中的setup為煙煤分子分配力場(chǎng)電荷，采用COMPASS力 場(chǎng)，非鍵作用選擇范德瓦爾斯力和庫侖力，疊 加處理法選取Atom Based，精度采用Medium， 原子的截?cái)喟霃綖開9..50 Ai選擇Discover模塊中的Minimizer優(yōu)化煙煤分子，選擇Smart Minimizer方法，收斂水平選取Medium。煙煤分子穩(wěn)定構(gòu)型見圖2 ; (2) 無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)構(gòu)建及構(gòu)型優(yōu)化 采用正交晶系和周期性邊界條件建立無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)模型。在MS中選用步驟（1) 中優(yōu)化后的煙煤分子構(gòu)建無定形態(tài)煙煤盒子，煙煤的密度設(shè)置為1181kg/m3,溫度為298K， 盒子中煙煤的分子個(gè)數(shù)可根據(jù)需要自行設(shè)定，本實(shí)例中煙煤的分子個(gè)數(shù)設(shè)定為5個(gè)；優(yōu)化 步驟（2)中構(gòu)建的無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)模型。選擇Discover模塊中的setup為無定形態(tài)煙 煤結(jié)構(gòu)分配力場(chǎng)電荷，選擇Discover模塊中的Minimizer優(yōu)化無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)，參數(shù)選 取同步驟（1)中優(yōu)化煙煤分子結(jié)構(gòu)的參數(shù)相同。 (3)分子動(dòng)力學(xué)模擬 采用NPT系綜對(duì)步驟（2)中優(yōu)化之后的無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。 選擇Discover模塊中的Dynamics，設(shè)置壓力為0· OIGpa，溫度為298K，時(shí)間步長為1.0 fs， 動(dòng)態(tài)時(shí)間為lOOOps。分子動(dòng)力學(xué)模擬之后的結(jié)構(gòu)構(gòu)型見圖3 ; (3)孔隙特性分析 從分子動(dòng)力學(xué)模擬之后的無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)構(gòu)型出發(fā)，利用Poreblazer軟件計(jì)算孔 隙體積、有效孔隙體積、孔隙度、比表面積、孔隙尺寸分布、孔隙最大直徑和孔隙限制直徑； 借助于Origin軟件繪制孔隙結(jié)構(gòu)的孔徑尺寸分布（PSD)曲線，分析無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)的孔 隙特性。PSD曲線圖見圖4。
[0012] 以上所述，僅為本發(fā)明的一則實(shí)施例而已。并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制； 凡熟悉本專業(yè)的普通技術(shù)人員均可按說明書附圖及以上所述步驟而順暢地實(shí)施本發(fā)明；但 是，凡熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，可利用以上所闡述的技術(shù) 內(nèi)容而做出的些許更改、修飾與演變的等同變化，均為本發(fā)明的等效實(shí)施例；同時(shí)，凡依據(jù) 本發(fā)明的實(shí)施技術(shù)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何等同變化的更動(dòng)、修飾與演變等，均屬于本發(fā) 明的技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 本發(fā)明利用分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD)的方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究文獻(xiàn)，建立一種無定形態(tài)煙 煤結(jié)構(gòu)孔隙特性的分析方法，【具體實(shí)施方式】分為以下4步： (1) 煙煤分子結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 根據(jù)收集煙煤的變質(zhì)程度，煙煤的物質(zhì)組成成分，煙煤的埋藏深度、煙煤的密度數(shù)據(jù)， 在MS中建立煙煤分子結(jié)構(gòu)模型；采用能量最小化方法優(yōu)化煙煤分子結(jié)構(gòu)，得到穩(wěn)定的煙煤 分子結(jié)構(gòu)模型； (2) 無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)構(gòu)建及構(gòu)型優(yōu)化 利用MS根據(jù)煙煤的密度，采用步驟（1)中優(yōu)化后的煙煤分子穩(wěn)定構(gòu)型構(gòu)建無定形態(tài)煙 煤結(jié)構(gòu)模型；采用能量最小化方法優(yōu)化無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)，得到穩(wěn)定的煙煤結(jié)構(gòu)； (3) 分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD)及孔隙結(jié)構(gòu)計(jì)算 在MS中采用NPT系綜對(duì)步驟（2)中優(yōu)化后的穩(wěn)定無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué) 模擬；利用Poreblazer軟件計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)模擬之后的無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)的孔隙體積、有 效孔隙體積、孔隙度、比表面積、孔隙尺寸分布、孔隙最大直徑和孔隙限制直徑； (4) 孔隙特性分析 根據(jù)步驟（3)的計(jì)算結(jié)果，借助于Origin軟件繪制孔隙結(jié)構(gòu)的孔徑尺寸分布（PSD)曲 線，分析無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)的孔隙特性。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)孔隙特性的分析方法，其中計(jì)算軟件 為MS軟件、Poreblazer軟件以及Origin軟件，所用計(jì)算方法為分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD)方法。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)孔隙特性的分析方法，其中優(yōu)化煙煤 分子結(jié)構(gòu)使用Materials Studio軟件中的COMPASS力場(chǎng)和Smart Minimizer方法；非成鍵 作用包括范德瓦爾斯作用和靜電相互作用。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)孔隙特性的分析方法，其中構(gòu)建無定 形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)，采用正交晶系和周期性邊界條件構(gòu)建無定形煙煤結(jié)構(gòu)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)孔隙特性的分析方法，其中進(jìn)行分子 動(dòng)力學(xué)模擬，采用NPT系綜，壓力為0? OIGpa，溫度為298K，時(shí)間步長為I.Ofs，動(dòng)態(tài)時(shí)間為 lOOOpso
【專利摘要】本發(fā)明利用分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬方法，在分子模擬水平上研究了無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)孔隙特性的分析方法實(shí)例，歸納總結(jié)出一種無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)孔隙特性的分析方法。本發(fā)明通過能量最優(yōu)化方法優(yōu)化煙煤分子能量，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬無定形態(tài)煙煤結(jié)構(gòu)模型，考察煙煤結(jié)構(gòu)的孔隙結(jié)構(gòu)特征，可以從微觀層次揭示煤層氣的擴(kuò)散運(yùn)移機(jī)理及其動(dòng)態(tài)過程，對(duì)煤炭以及煤層氣的開采和瓦斯防治具有重要的指導(dǎo)意義。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號(hào)】CN105138809
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510684936
【發(fā)明人】魯效慶, 黨勇, 周賽男, 武中華, 魏淑賢
【申請(qǐng)人】中國石油大學(xué)(華東)
【公開日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年10月21日