矿物成分对煤润湿性及孔结构演变的影响：实验研究与分子模拟

《Applied Surface Science》：The influence of mineral composition on coal wettability and pore structure evolution: experimental study and molecular simulation

　　

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  建立了一个矿物-煤有机质模型，用于模拟接触角动态变化。
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  润湿性排序：高岭石 > 石膏 > 石英 > 方解石 > 云母 > 黄铁矿。
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  矿物改变了水在表面的优先吸附位点，从羰基转变为羧基。
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  水分子吸附主导着孔结构和吸附能力的调控。

引言

煤炭作为广泛分布且丰富的初级能源，在未来相当长的一段时间内仍将是中国经济发展的重要支柱[1]、[2]、[3]。截至2024年，煤炭仍占中国能源消费结构的53.20%。短期内，煤炭在维护国家能源安全方面的“稳定器”和“压舱石”作用无可动摇[4]、[5]。然而，在深度开采条件下，机械化采煤过程中产生的大量煤尘不仅对地下工人的健康构成严重威胁，也限制了煤炭行业的智能化发展和安全改进[6]。因此，在绿色煤炭开采和清洁煤炭利用领域，有效控制煤尘已成为亟待解决的问题[7]。

煤层注水技术被广泛认为是通过提高水对煤尘的润湿性来抑制粉尘扩散和实现源头控制的有效手段。然而，煤尘的润湿性受多种因素影响，尤其与煤炭中有机物和无机矿物的组成、分布及相互作用密切相关[8]、[9]、[10]。煤炭是一种复杂的有机沉积岩，其物理化学性质主要由有机物（微观成分）和无机矿物共同决定[11]、[12]、[13]。研究表明，矿物在煤表面的离散分布特性显著影响着它们与水的润湿行为[14]。Ding等人[15]发现，富含惰性物质和矿物的煤比以镜质为主的亮煤具有更强的亲水性，这归因于前者表面含有更多含氧功能团。Crawford等人[16]进一步指出的，低阶煤的表面能特性更接近无机矿物，强调氧碳比是调节其润湿性的关键化学参数。尽管前期研究取得了一些进展，但关于矿物成分如何在微观层面上控制煤炭润湿行为的深入系统解释仍尚缺。

这一认知局限主要源于传统宏观表征方法的尺度限制。分子模拟结合X射线衍射分析，为在分子层面上建立矿物存在与润湿性演变之间的结构-活性关系提供了强大工具，并被广泛用于揭示微观吸附和润湿过程[17]、[18]、[19]。例如，Meng等人[20]通过分子动力学模拟发现，AES表面活性剂由于其氧自由基和磺酸基团的高电负性，能够有效促进在石棉表面的静电吸附并提高润湿性。Liu等人[21]通过模拟表明，对煤炭进行化学修饰可以增强其与水分子的相互作用，主要是由于水吸附层的厚度增加，从而揭示了结构修饰调节润湿性的机制。Zha等人[22]将酸化实验与分子模拟相结合，阐明了煤酸化过程中矿物溶解与润湿性响应之间的串联机制。这些研究证实了分子模拟在研究润湿现象中的关键作用。然而，大多数现有研究仅关注煤炭有机质，常常忽略实际煤基质中共同存在的无机矿物，导致对这些矿物如何影响润湿性的微观机制研究不足。此外，宏观实验与微观模拟之间的有效联系也尚未建立，阻碍了开发一个统一的理论框架来解释矿物-有机质相互作用对润湿行为的协同调控作用。

为了填补上述研究空白，本研究以山西省马道头矿区的煤炭样本为研究对象，采用多尺度策略，结合宏观实验和分子模拟，系统研究了矿物成分对煤炭有机质润湿行为的调控机制。首先，利用X射线衍射和偏振显微镜技术定量分析了煤炭中矿物的类型和含量。在此基础上，构建了煤炭有机质的分子模型以及一系列掺杂矿物的模型，并通过接触角实验验证了这些模型的可靠性。随后进行蒙特卡洛模拟，揭示了矿物成分如何影响水分子在煤炭有机基质中的吸附行为和空间分布，并对煤炭有机质、矿物复合体系及其水分子吸附的孔结构演变进行了比较分析。本研究旨在通过多尺度方法阐明矿物组成影响水分子吸附的微观机制，为开发高效且针对性的煤尘防治技术提供理论支持。

章节片段

煤炭样品制备

实验用煤炭样本取自山西省马道头煤矿北源段的第4煤层。在地下工作面采集后，样本立即用塑料薄膜密封并运输到实验室进行处理。然后对煤炭进行研磨和筛分，以达到60–80目的粒度。随后，在105°C的真空烤箱中干燥4小时。冷却至常温后...

碳结构表征

图4显示了煤炭有机质¹³C NMR光谱的峰拟合结果。可以看到三个主要的碳信号峰，从左到右分别是脂肪碳（0–90 ppm）、芳香碳（90–160 ppm）和羧基/羰基碳（160–200 ppm）[35]。在煤炭有机质中，脂肪碳占主导地位，其相对含量远高于芳香碳和羧基/羰基碳。根据各自的功能团归属...

接触角模拟与实验比较

接触角是表征润湿性的关键参数[42]。使用SL200KS光学滴落分析仪测量了煤炭有机质表面的接触角。在模拟过程中，提取了不同时间点的分子快照，并测量了液滴的几何形状以获得接触角随时间的变化情况。如图7所示，液滴在煤炭有机质表面的接触角表现出时间依赖性：

结论

本文采用多尺度模拟和表征方法，全面阐明了矿物成分影响煤炭润湿性的机制。构建了煤炭有机质的分子模型和掺杂矿物的模型，揭示了水分子在煤-矿物复合体系中的吸附行为和微观相互作用机制。主要结论如下：

基于¹³C NMR和XPS等技术，构建了有机质的分子模型...

CRediT作者贡献声明

孟俊青：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。柳英培：撰写 – 初稿，方法论，概念构思。江亮：监督，研究。王杰：可视化，形式分析。张书雅：撰写 – 审稿与编辑。刘春辉：验证，研究。王丽娟：监督，软件。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号：2024YFC3013804）、中央高校基本科研业务费（编号：3142026013）以及中央高校基本科研业务费（重庆理工大学博士顶尖创新人才基金，编号：BBJ2025024）的支持，作者对此表示感谢。本研究的内容未在其他地方全部或部分发表。

孟俊青|柳英培|江亮|王杰|张书雅|刘春辉|王丽娟