ReactFF分子动力学（MD）分析揭示了富含焦油的煤质组分在冲击压缩作用下的协同能量-结构重构机制

《Fuel》：ReaxFF MD analysis of the synergistic energy-structure reconstruction mechanism in tar-rich coal macerals under shock compression

冲击压缩机制、ReaxFF分子动力学模拟、煤岩组分差异、能量存储与耗散、空气冲击破碎分选技术、分子结构响应、镜质体与惰质体、煤沥青质煤、动态裂纹演化、多尺度耦合机制

　　在当今全球能源转型的大背景下，中国作为世界上最大的煤炭消费国，正致力于推动煤炭的清洁、高效和低碳利用，这与国家提出的“双碳”战略目标密切相关。煤炭资源的多样性及其复杂的微观结构，使得其高效利用成为一项挑战。其中，高挥发分煤（tar-rich coal）因其较高的挥发性成分和潜在的油、气替代价值，被视为一种重要的战略资源。然而，这类煤中往往含有大量的惰inite（I）和镜煤（V），其微观结构的差异导致在破碎和分选过程中面临诸多困难。因此，深入研究高挥发分煤中不同煤质组分在冲击压缩下的分子级响应机制，对于实现煤炭资源的分级利用具有重要意义。

高挥发分煤中的煤质组分并不是孤立存在的，而是以微米至毫米级的混合与交织形式存在于煤体中。这种结构特征使得煤在破碎过程中表现出复杂的力学行为。惰inite通常形成一种刚性的骨架结构，而镜煤则表现出一定的柔性，填充在骨架结构之间。这种刚柔并济的微观结构，决定了煤在破碎时的初始裂解行为以及后续的分选效率。然而，传统的破碎技术主要依赖于宏观工艺参数的优化，如破碎时间、施加应力等，虽然在一定程度上提高了煤质组分的分离效率，但仍难以实现对分子级特性的精准调控。这导致了能源消耗过高、过度破碎等问题，限制了高挥发分煤资源的高效利用。

近年来，随着分子动力学模拟技术的进步，研究者开始尝试从分子尺度出发，探讨煤质组分在冲击压缩下的力学响应机制。ReaxFF分子动力学（ReaxFF MD）模拟方法因其能够动态追踪化学键的断裂与重组过程，被广泛应用于材料微观力学性能的研究。通过对煤质组分的分子结构建模，结合ReaxFF MD模拟，可以深入揭示其在冲击条件下的能量演化和结构变形行为，为实现精准破碎和高效分选提供理论支持。

本研究通过构建高挥发分煤镜煤（SFVAS）和惰inite（SFIAS）的三维分子模型，采用ReaxFF MD模拟方法，系统分析了镜煤和惰inite在V-V、I-I以及V-I复合系统下的冲击压缩响应。研究结果表明，冲击压缩过程可以划分为四个明确的阶段：初始非接触阶段、剧烈压缩阶段、弹性恢复阶段和稳定松弛阶段。每个阶段中，不同煤质组分表现出独特的能量演化路径和结构变形特征。例如，在I-I系统中，由于其高度交联的结构，冲击压缩主要依赖于弹性键伸缩的能量储存，并通过瞬间的弹性恢复来维持较高的压缩强度。然而，这种结构的刚性特征也导致了脆性断裂的发生，使得其在冲击条件下容易产生裂纹。

相比之下，V-V系统则表现出多路径的能量耗散特性。在冲击压缩过程中，镜煤的化学键角度和二面角发生协同变形，有效缓解了应力集中，从而降低了断裂的可能性。这种多路径的能量耗散机制虽然提高了系统的韧性，但其能量储存效率较低，限制了其整体的压缩强度。因此，V-V系统在冲击压缩下的表现更倾向于延展性变形，而非刚性结构的断裂。

V-I复合系统则在结构上表现出过渡性特征，其力学响应融合了I-I系统和V-V系统的特性。在冲击压缩过程中，该系统通过动能向势能的转化，实现了化学键、键角和二面角的协同变形，从而在多个通道上进行能量储存与释放。这种结构的刚柔配置使得V-I复合系统能够根据不同的冲击条件，灵活调节能量储存与释放的路径，从而优化其在冲击压缩下的整体性能。研究发现，这种结构的适应性使得V-I复合系统在冲击压缩下表现出较高的抗破碎能力，同时又能有效释放多余能量，避免过度破碎带来的负面影响。

本研究的另一个重要发现是，冲击压缩过程中能量演化与结构变形之间存在紧密的耦合关系。通过追踪八个能量成分和结构参数的动态变化，研究揭示了不同煤质组分在冲击作用下的能量分配机制和结构响应模式。这种耦合机制不仅影响了煤质组分的破碎行为，还决定了其在分选过程中的分布规律。例如，在冲击压缩初期，系统压力稳定，颗粒间距离未发生显著变化，此时煤质组分处于非接触状态。随着冲击能量的输入，颗粒开始相互靠近，系统压力迅速上升，标志着冲击压缩进入剧烈压缩阶段。随后，系统经历弹性恢复阶段，部分能量被释放，颗粒间距离逐渐恢复。最后，系统进入稳定松弛阶段，压力趋于平稳，颗粒结构趋于稳定。

在V-I复合系统中，这种能量演化和结构变形的耦合机制更为复杂。由于镜煤和惰inite在结构上的差异，冲击压缩时两者的变形行为呈现出协同与竞争的双重特性。一方面，镜煤的柔性结构能够吸收和释放更多的能量，从而降低系统整体的应力水平；另一方面，惰inite的刚性结构则能够有效储存能量，增强系统的抗冲击能力。这种协同作用使得V-I复合系统在冲击压缩下表现出更优的抗破碎性能，同时又能实现更高效的能量利用。

此外，研究还发现，煤质组分的分子级结构差异是影响其冲击响应的关键因素。惰inite由于其高度交联的芳香结构，表现出较强的抗压能力，但其脆性特征也导致了在冲击作用下的易断裂行为。而镜煤则因其较为松散的分子结构，能够通过多路径的能量耗散机制来缓解冲击带来的应力集中，从而减少裂纹的产生。因此，不同煤质组分在冲击压缩下的表现，与其分子结构的刚柔特性密切相关。

在实际应用中，这种分子级的力学响应机制为优化冲击破碎与分选技术提供了新的思路。传统的破碎技术往往无法精准控制不同煤质组分的分离效率，而本研究通过分子动力学模拟揭示了不同煤质组分在冲击作用下的能量演化路径和结构变形模式，为实现高效率、低能耗的精准分选提供了理论依据。例如，通过调控冲击参数，可以有效引导能量在特定路径上释放，从而提高镜煤和惰inite的分离效率和纯度。

值得注意的是，本研究的发现不仅适用于高挥发分煤，也具有广泛的适用性。通过对不同煤质组分在冲击压缩下的响应机制进行系统分析，可以为其他类型的煤炭资源开发和利用提供参考。此外，研究结果还为煤的分级利用奠定了理论基础，有助于推动煤炭资源的精细化管理和高效转化。

总之，本研究通过分子动力学模拟方法，揭示了高挥发分煤中不同煤质组分在冲击压缩下的分子级响应机制。研究发现，冲击压缩过程可以划分为四个明确的阶段，不同煤质组分在这些阶段中表现出不同的能量演化路径和结构变形特征。其中，I-I系统具有较高的压缩强度，但易发生脆性断裂；V-V系统则通过多路径的能量耗散机制缓解应力集中，但其能量储存效率较低；而V-I复合系统则在结构上表现出过渡性特征，能够灵活调节能量储存与释放路径，从而实现更优的抗破碎性能。这些发现为优化冲击破碎与分选技术提供了重要的理论支持，有助于推动高挥发分煤资源的高效利用。