煤與瓦斯突出是煤炭開(kāi)采過(guò)程中常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害之一，它與構(gòu)造應(yīng)力作用緊密相關(guān)，往往釋放出煤層氣吸附理論難以解釋的超量瓦斯。應(yīng)力作用能否引起煤等有機(jī)巖的化學(xué)變化，其作用機(jī)理是什么？這是長(zhǎng)期以來(lái)備受關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題。傳統(tǒng)觀念普遍認(rèn)為：溫度在煤化過(guò)程中對(duì)有機(jī)質(zhì)降解起了重要作用；煤的縮聚芳環(huán)非常穩(wěn)定，在地質(zhì)條件下難以發(fā)生熱解反應(yīng)；煤分子不太可能發(fā)生力解反應(yīng)。如果煤的力解反應(yīng)得以證實(shí)，不僅對(duì)認(rèn)識(shí)煤與瓦斯突出的機(jī)理以及解釋超量煤層氣的生成具有重要意義，而且是有機(jī)質(zhì)生烴理論的重要補(bǔ)充。
十多年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)侯泉林教授課題組對(duì)煤的力解問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，獲得了諸多佐證，但一直缺少更直接的證據(jù)。為了探索上述問(wèn)題，中科院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生王瑾在郭光軍研究員和侯泉林教授的指導(dǎo)下，采用ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了無(wú)煙煤在外力作用下發(fā)生破裂的過(guò)程。
在模擬體系中（圖1），將六個(gè)煤分子（C154H96O9）分成2組，分別沿相反的方向施加外力以便產(chǎn)生剪切應(yīng)力；模擬中溫度控制在600 K以避免煤分子發(fā)生熱解反應(yīng)。模擬結(jié)果表明，通常認(rèn)為煤分子中難以破裂的縮聚芳環(huán)很容易發(fā)生力解反應(yīng)，主要有攻擊破裂和直接破裂兩種機(jī)理（圖2），這與常見(jiàn)的熱解機(jī)理完全不同。縮聚芳環(huán)可以被剪破（圖3）意味著煤的力解反應(yīng)可能是有機(jī)質(zhì)生烴的重要方式之一。
圖1 無(wú)煙煤?jiǎn)畏肿幽Ｐ停?/span>A）和包含六個(gè)單分子的平衡體系（B）。圖B中顯示了六個(gè)分子的堆積方向，為了繪圖清晰，在圖B中僅顯示了碳骨架結(jié)構(gòu)
圖2 在剪切應(yīng)力下，煤的縮聚芳環(huán)相互攻擊破裂機(jī)理（A）和直接破裂機(jī)理（B）。[]？代表軌跡分析過(guò)程中觀察到的可能的過(guò)渡態(tài)，Arx表示芳香組分
圖3 縮聚芳環(huán)可以被剪破。圖中六個(gè)苯環(huán)組成的六螺苯結(jié)構(gòu)為縮聚芳環(huán)的概念示意圖，黑色箭頭代表對(duì)縮聚芳環(huán)施加剪切力，碳原子為綠色，氫原子為灰色，參與反應(yīng)的原子為橙色
成果發(fā)表于Fuel（Wang J, Guo G J, Han Y, et al. Mechanolysis mechanisms of the fused aromatic rings of anthracite coal under shear stress[J]. Fuel, 2019, 253: 1247-1255.）（原文鏈接）