李金雨，博士，副教授，硕士生导师。辽宁工程技术大学安全科学与工程学院学科办主任，主要从事非常规煤储层瓦斯渗流与煤层增透机理研究。先后主持国家自然科学基金1项，参加国家级科研课题1项，省部级科研课题3项，主持完成校企合作研究课题6项；在国内外重要学术期刊发表学术论文30余篇，其中以第一作者、通讯作者发表SCI/EI 论文10余篇，获实用新型专利6项、软件著作权1项；获省部级二等奖1项，排名第三，三等奖2项，排名第四/第九。

构造煤结构缺陷对硫化氢吸附及扩散特性的影响

李金雨^1,2 李懿欣¹ 白 刚^1,2

赵洪宝³ 纪 和¹ 王月然¹ 丁姝慧¹

1.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,125105 辽宁葫芦岛;

2.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室(辽宁工程技术大学),125105 辽宁葫芦岛;

3.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院,100083 北京

煤体是一种具有特殊空间结构的多孔介质，煤孔隙中储存着CH₄和H₂S等危险气体，这些气体的吸附特性受温度、压力及孔隙结构等多种因素影响。由于构造煤类型的不同，其孔隙分布和发育情况也不尽相同，煤层在构造应力作用下发生成分和结构的变化，导致煤体形成次生结构缺陷，研究表明，构造煤的吸附能力明显强于原生结构煤。而H₂S作为井下危险气体，相比于CH₄和CO₂气体，H₂S在煤中的含量通常极低，但对于部分含H₂S瓦斯矿井而言，H₂S的治理也不容忽视。H₂S具有强烈的刺激性和腐蚀性，一般在实验室条件下研究难度较大，因此本文利用分子模拟方法，研究了不同结构缺陷的煤在不同条件下对H₂S的吸附和扩散特性进行，并构建初始芳香片层、边界类缺陷（SW）、单空位缺陷（SV）、双空位缺陷（DV）以及多空位缺陷（MV1和MV2）模型，从微观角度揭示了构造煤不同结构缺陷构型的芳香片层对于H₂S吸附及扩散特性的影响效应。本文研究成果对煤矿井下H₂S气体的防治、H₂S的赋存状态和含有H₂S煤层气资源的抽采、开发和处理等具有现实的指导意义。

探究构造煤结构缺陷对煤中H₂S吸附和扩散特性的影响效应,对于理解和改善煤矿安全具有重要意义。通过分子模拟技术,构建了初始芳香片层(CS)模型、边界类(SW)缺陷模型、单空位(SV)缺陷模型、双空位(DV)缺陷模型和多空位(MV1和MV2)缺陷模型,研究了缺陷构型对H₂S吸附和扩散的影响。结果表明:H₂S吸附量与煤体孔隙率呈正相关,不同构型中H₂S饱和吸附量存在差异,在DV缺陷构型中最大,在CS构型中最小,且CS构型中吸附的H₂S分子分布均匀,缺陷构型中H₂S分子优先吸附在对应的缺陷位置周围,煤体结构缺陷的存在更有利于H₂S的吸附。在温度为298.15 K,308.15 K和318.15 K条件下,H₂S在不同缺陷构型中的扩散系数和扩散活化能均大于在CS构型中的扩散系数和扩散活化能,H₂S在不同缺陷构型煤中更容易扩散。

相较于国内外研究较多的CH₄气体,H₂S气体在煤中的吸附和扩散特性研究仍有待完善,通过探究H₂S在煤中的吸附和扩散过程,对H₂S在煤层中的吸附扩散理论提供研究参考。通过分子模拟技术,对比研究了不同构造煤缺陷模型中H₂S的吸附和扩散特性,从微观角度揭示了构造煤缺陷类型对吸附质气体在煤中吸附和扩散过程的影响作用,丰富了构造煤中煤层气的吸附扩散理论。

图1 不同构型的芳香片层

图2 不同构型煤孔隙结构

图3 不同构型煤H2S吸附量随压力变化曲线

图4 H2S在不同构型中的吸附位点

图5 不同构型煤中H2S分子密度分布