4.含瓦斯煤与水之间接触动态演化的微观机制

采用Materials studio分子动力学软件中的Amorphous Cell功能，建立一个由150个wender无烟煤分子组成的煤盒子(图10a)，煤盒子的长和宽均为10 nm；然后创建一个与煤盒子等长/等宽的含有2层石墨烯的结构，通过Build layers功能将含有2层石墨烯的结构放置于煤分子上下两侧(图10b)；最后，通过不断的压缩、移动及结构优化操作，将上下两侧的石墨烯结构删除，获得平整的煤表面模型(图10c)。

图10平整的煤表面模型

采用Sorption模块对构建的平整的煤表面模型进行等温吸附模拟，选择的立场为COMPASSⅡ立场，分别获得吸附平衡压力0.5、1.5、2.5、3.5 MPa下的煤吸附瓦斯的构型(图11)；基于Amorphous Cell功能构建1个水盒子，通过Nanocluster功能构建1个直径为6 nm水球，将该水球放置在煤吸附瓦斯的构型中，从而构成含瓦斯煤与水的分子结构模型，如图12所示；对含瓦斯煤与水的分子结构模型进行结构优化及分子动力学模拟，选择COMPASSⅡ力场，系综选择NVT，温度被设置为308.15 K，时间步长为1 fs，总模拟时间为500 ps。

图11不同瓦斯压力条件下煤吸附瓦斯的构型

图12含瓦斯煤与水的分子结构模型

为揭示水分在含瓦斯煤表面的微观演化机制，选择如下情况进行分析：瓦斯压力为3.5 MPa条件下，模拟时间为100、250、500 ps时，煤与水分子的接触结构模型进行对比，如图13a所示；不同瓦斯压力条件下，模拟时间为250 ps及500 ps时，煤与水分子的接触结构模型进行对比，分别如图13b—图13c所示。

图13不同瓦斯压力、时间条件下煤与水分子接触结构模型

通过对比瓦斯压力为3.5 MPa条件下，模拟时间为100、250、500 ps时，煤与水分子接触构型(图13a)可以获得如下规律：随着时间的增加，水分子逐渐在煤表面铺展，接触面宽度逐渐增加，通过观察图13a中的区域A可以明显发现此规律。通过对比同一瓦斯压力、不同时间条件下，煤与水分子接触构型(图13b—图13c)发现：随着时间的增加，煤与水分子之间的接触角逐渐减小。综合分析可知，在同一瓦斯压力条件下，随着时间的增加，水分逐渐在煤体表面铺展，水与煤之间的接触角逐渐减小。通过对比同一时间条件下(图13b—图13c)可知，随着瓦斯压力的增加，煤与水分子之间的接触角逐渐增加，其原因是瓦斯压力越大，水分子越不易在煤表面铺展且不易进入煤中，水分越不容易润湿煤。

基于不同瓦斯压力条件下、动力学模拟时间为500 ps时，煤与水分子的分子动力学模拟结果，对不同瓦斯压力条件下水分子沿Z轴的相对浓度进行计算，即可获得不同瓦斯压力条件下，水分子的相对浓度(一定法向距离范围，水分子数密度与系统内水分子总数密度的比值)分布如图14所示。

图14不同瓦斯压力条件下水分子的相对浓度分布

由图14可知，在任意一个瓦斯压力条件下，水分子浓度沿Z轴均会出现峰值点(1.825 nm)，峰值点位于煤水交界面的上方，因为煤表面吸附有瓦斯，所以峰值点没有出现在煤表面。在峰值点的左侧，同一距离处，水分子浓度随着瓦斯压力的增加而减小，说明瓦斯压力越大，水分子越不易进入到煤中。在峰值点右侧一定距离处(图14过渡区域的左侧)，水分子浓度随着瓦斯压力的增加而减小，其说明瓦斯压力越大，水分子越难在煤表面铺展。然而，在图14中过渡区域的右侧一定范围内，水分子浓度随着瓦斯压力的增加而增加，其说明瓦斯压力越大，水分子越不易进入煤中，反而越易聚集。

基于对前已述及的煤水界面能、煤的表面能及黏附功的动态演化规律，水滴在含瓦斯煤表面的演化特性及分子动力学模拟结果，分析可知：煤层瓦斯压力越高，煤层注水后，水分铺展的范围越小，水分润湿煤体的程度越低。因此，可将煤层增透措施与煤层注水措施联合使用，首先，采取增透及抽采措施降低煤层瓦斯压力；其次，进行煤层注水，增加煤体润湿的范围及程度，从而提高吸附态瓦斯被置换的程度，最终提升煤层瓦斯治理及预湿减尘的效果。

5.结论

1)水与瓦斯之间的表面张力与瓦斯压力满足负指数函数的关系，接触角是关于瓦斯压力及时间的函数，其与时间负相关，与瓦斯压力正相关。

2)同一瓦斯压力条件下，随着润湿时间的增加，煤水界面能逐渐减小，煤的表面能逐渐增加，黏附功逐渐增加；随着瓦斯压力的增加，煤水界面能变大，煤的表面能变小，黏附功变小，水分煤体表面铺展的难度增加。

3)随着润湿时间的增加，水滴轮廓最高点下降的高度逐渐增加，水滴与含瓦斯煤接触面的宽度逐渐增加，水滴轮廓最高点下降的高度大于水滴与含瓦斯煤接触面增加的宽度；瓦斯压力越大，水滴轮廓最高点下降的高度越小，水滴与含瓦斯煤接触面宽度增加的越小，其与分子动力学模拟获得的含瓦斯煤−水之间的接触演化规律一致。

4)由于煤表面吸附有瓦斯，在煤水交界面的上方，水分子的浓度出现峰值点，在峰值点上方一定距离处，水分子浓度分布规律发生逆转，由水分子浓度随着瓦斯压力的减小而增加逆转为随着瓦斯压力的增加而增加。

5)对于高瓦斯煤层可将煤层增透措施与煤层注水措施联合使用，首先，采取增透及抽采措施降低煤层瓦斯压力；其次，进行煤层注水，增加煤体润湿的范围及程度，提升煤层瓦斯治理及预湿减尘的效果。