4.含瓦斯煤與水之間接觸動態演化的微觀機製

采用Materials studio分子動力學軟件中的Amorphous Cell功能，建立一個由150個wender無煙煤分子組成的煤盒子(圖10a)，煤盒子的長和寬均為10 nm；然後創建一個與煤盒子等長/等寬的含有2層石墨烯的結構，通過Build layers功能將含有2層石墨烯的結構放置於煤分子上下兩側(圖10b)；最後，通過不斷的壓縮、移動及結構優化操作，將上下兩側的石墨烯結構刪除，獲得平整的煤表麵模型(圖10c)。

圖10平整的煤表麵模型

采用Sorption模塊對構建的平整的煤表麵模型進行等溫吸附模擬，選擇的立場為COMPASSⅡ立場，分別獲得吸附平衡壓力0.5、1.5、2.5、3.5 MPa下的煤吸附瓦斯的構型(圖11)；基於Amorphous Cell功能構建1個水盒子，通過Nanocluster功能構建1個直徑為6 nm水球，將該水球放置在煤吸附瓦斯的構型中，從而構成含瓦斯煤與水的分子結構模型，如圖12所示；對含瓦斯煤與水的分子結構模型進行結構優化及分子動力學模擬，選擇COMPASSⅡ力場，係綜選擇NVT，溫度被設置為308.15 K，時間步長為1 fs，總模擬時間為500 ps。

圖11不同瓦斯壓力條件下煤吸附瓦斯的構型

圖12含瓦斯煤與水的分子結構模型

為揭示水分在含瓦斯煤表麵的微觀演化機製，選擇如下情況進行分析：瓦斯壓力為3.5 MPa條件下，模擬時間為100、250、500 ps時，煤與水分子的接觸結構模型進行對比，如圖13a所示；不同瓦斯壓力條件下，模擬時間為250 ps及500 ps時，煤與水分子的接觸結構模型進行對比，分別如圖13b—圖13c所示。

圖13不同瓦斯壓力、時間條件下煤與水分子接觸結構模型

通過對比瓦斯壓力為3.5 MPa條件下，模擬時間為100、250、500 ps時，煤與水分子接觸構型(圖13a)可以獲得如下規律：隨著時間的增加，水分子逐漸在煤表麵鋪展，接觸麵寬度逐漸增加，通過觀察圖13a中的區域A可以明顯發現此規律。通過對比同一瓦斯壓力、不同時間條件下，煤與水分子接觸構型(圖13b—圖13c)發現：隨著時間的增加，煤與水分子之間的接觸角逐漸減小。綜合分析可知，在同一瓦斯壓力條件下，隨著時間的增加，水分逐漸在煤體表麵鋪展，水與煤之間的接觸角逐漸減小。通過對比同一時間條件下(圖13b—圖13c)可知，隨著瓦斯壓力的增加，煤與水分子之間的接觸角逐漸增加，其原因是瓦斯壓力越大，水分子越不易在煤表麵鋪展且不易進入煤中，水分越不容易潤濕煤。

基於不同瓦斯壓力條件下、動力學模擬時間為500 ps時，煤與水分子的分子動力學模擬結果，對不同瓦斯壓力條件下水分子沿Z軸的相對濃度進行計算，即可獲得不同瓦斯壓力條件下，水分子的相對濃度(一定法向距離範圍，水分子數密度與係統內水分子總數密度的比值)分布如圖14所示。

圖14不同瓦斯壓力條件下水分子的相對濃度分布

由圖14可知，在任意一個瓦斯壓力條件下，水分子濃度沿Z軸均會出現峰值點(1.825 nm)，峰值點位於煤水交界麵的上方，因為煤表麵吸附有瓦斯，所以峰值點沒有出現在煤表麵。在峰值點的左側，同一距離處，水分子濃度隨著瓦斯壓力的增加而減小，說明瓦斯壓力越大，水分子越不易進入到煤中。在峰值點右側一定距離處(圖14過渡區域的左側)，水分子濃度隨著瓦斯壓力的增加而減小，其說明瓦斯壓力越大，水分子越難在煤表麵鋪展。然而，在圖14中過渡區域的右側一定範圍內，水分子濃度隨著瓦斯壓力的增加而增加，其說明瓦斯壓力越大，水分子越不易進入煤中，反而越易聚集。

基於對前已述及的煤水界麵能、煤的表麵能及黏附功的動態演化規律，水滴在含瓦斯煤表麵的演化特性及分子動力學模擬結果，分析可知：煤層瓦斯壓力越高，煤層注水後，水分鋪展的範圍越小，水分潤濕煤體的程度越低。因此，可將煤層增透措施與煤層注水措施聯合使用，首先，采取增透及抽采措施降低煤層瓦斯壓力；其次，進行煤層注水，增加煤體潤濕的範圍及程度，從而提高吸附態瓦斯被置換的程度，最終提升煤層瓦斯治理及預濕減塵的效果。

5.結論

1)水與瓦斯之間的表麵張力與瓦斯壓力滿足負指數函數的關係，接觸角是關於瓦斯壓力及時間的函數，其與時間負相關，與瓦斯壓力正相關。

2)同一瓦斯壓力條件下，隨著潤濕時間的增加，煤水界麵能逐漸減小，煤的表麵能逐漸增加，黏附功逐漸增加；隨著瓦斯壓力的增加，煤水界麵能變大，煤的表麵能變小，黏附功變小，水分煤體表麵鋪展的難度增加。

3)隨著潤濕時間的增加，水滴輪廓最高點下降的高度逐漸增加，水滴與含瓦斯煤接觸麵的寬度逐漸增加，水滴輪廓最高點下降的高度大於水滴與含瓦斯煤接觸麵增加的寬度；瓦斯壓力越大，水滴輪廓最高點下降的高度越小，水滴與含瓦斯煤接觸麵寬度增加的越小，其與分子動力學模擬獲得的含瓦斯煤−水之間的接觸演化規律一致。

4)由於煤表麵吸附有瓦斯，在煤水交界麵的上方，水分子的濃度出現峰值點，在峰值點上方一定距離處，水分子濃度分布規律發生逆轉，由水分子濃度隨著瓦斯壓力的減小而增加逆轉為隨著瓦斯壓力的增加而增加。

5)對於高瓦斯煤層可將煤層增透措施與煤層注水措施聯合使用，首先，采取增透及抽采措施降低煤層瓦斯壓力；其次，進行煤層注水，增加煤體潤濕的範圍及程度，提升煤層瓦斯治理及預濕減塵的效果。