摘要
随着煤炭开采机械化智能化水平的不断提高，导致煤矿井下生产现场粉尘浓度不断增加，严重威胁着工人职业安全健康。煤层注水作为一种可有效减少煤矿井下粉尘产生的水力化技术手段得到了广泛的应用，但由于水分子与煤分子极性不同，造成水分子难以在煤表面均匀铺展，煤体难以得到充分润湿，最终致使在我国部分难润煤层在采取多种增润手段后注水减尘效果仍不理想。究其原因在于煤体润湿特性与增润机制尚不明晰，而煤体化学结构与液体性质都会对其产生不同影响。但目前不同煤阶煤体润湿规律的研究主要集中在宏观层面，因此，本文结合多种实验手段与分子动力学数值解析，从分子层面上探究了不同煤阶煤体的难润原因及化学增润调控机制。 针对上述问题，本文通过多种无损检测技术结合计算机碳谱预测和退火动力学,构建出不同煤阶煤体精准大分子三维模型;运用MaterialsStudio数值模拟软件，实现“煤-水”与“煤-表面活性剂-水”（“煤-表-水”）体系的数值解算，获取均方位移、吸附构型、分子势能和静电势分布等微观参数，利用沉降实验与接触角实验验证数值计算的准确性与合理性，阐述煤体微观润湿及增润机理。研究结果表明:大柳塔长焰煤、芦岭气煤和沁城无烟煤的芳香环缩合程度分别为0.26、0.33和0.45,醚氧、羟基、不饱和羧酸、羰基四者的比例分别为4∶1∶3∶2、2∶12∶3∶5和4∶4∶1∶3,氮的主要赋存形态均为吡咯，硫的主要赋存形态分别为硫醇硫酚、噻吩型硫和硫醇硫酚，模型分子式分别为C308H203O48N3S、C290H223O25N5S和C206H97O8N3S,势能最优值分别为1468.18KJ/mol、1222.77KJ/mol和1729.61KJ/mol。水分子在煤表面的吸附距离均在1.78-2.45?之间，吸附能力呈现出含氧官能团＞芳杂基团＞脂肪碳链＞芳香碳的规律;水分子扩散系数随着表面活性剂浓度的增加而增大;煤大分子和煤分子层与不同溶液接触反应后，总势能均有不同程度且明显的增加，键的伸缩势能、键角的弯曲势能和范德华能均随表面活性剂浓度的增加而增大;煤大分子与表面活性剂接触后，最大正负电势均增大，并随着浓度的增加而继续增大。煤阶和表面活性剂的不同会导致沉降时间与接触角大小具有较为明显的不同，整体表现为阴离子表面活性剂对中低阶煤，非离子表面活性剂对高阶煤效果更好;不同的“固-液”反应界面导致水分子处于不同的化学环境中，化学性质各异的基团通过相互作用影响水分子的运移程度,宏观表现为润湿的效果不同。上述研究结果对提高煤层注水过程中增润减尘效果具有重要指导与现实意义。
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