低中煤级煤化作用非线性演化的地球化学机制及其动力学模型

以内蒙伊敏煤田五牧场矿区地质实例剖析为基础，实验模拟与分子模拟相结合，对低中煤级煤化作用过程中的产物生成动力学、聚集态及分子水平上煤结构的演化特征、阶段及其动力学过程进行分析，进而，分析产物生成特征与煤结构演化之间的关系，确定煤化作用过程中热降解、缩聚反应的类型、方式、热力学与动力学过程，获得它们的热力学与动力学参数。结合煤化作用史，分析结构演化与煤化作用因素之间的关系，确定煤化作用因素对煤结构的影响，进而与热力学、动力学参数相结合，确定自然系列煤化作用的地球化学机制。以此为基础，对自然煤化作用过程中的非线性演化的内在因素进行分析，确定热降解与热缩聚作用之间的关系及其对非线性演化的影响，进而计算煤化作用过程中热力学熵，确定其演化特征。采用耗散结构理论、协同论及突变论等作为基本理论与方法，以热力学熵作为基本参数，分析它与煤化作用因素之间的关系，构建煤化作用非线性演化的动力学模型。

通过地质实例解剖、实验与分子模拟相结合的方法，依据温度-压力关系将煤化作用系统分为高温-高压型、高温-低压型和低温-高压型三种基本类型。通过对五牧场矿区的解剖。发现高温-低压型煤结构中芳香结构单元增大具有“超前演化”于其定向性的特点，原因为低压环境有利于煤化过程中高温裂解形成的小分子物质逸散,大分子碎片不能被氢等自由基饱和,有利于缩聚作用的进行。通过原位XRD与TG/MS相结合的方法，依据XRD结构参数（d002,La,Lc）将聚集态结构演化分成四个阶段，第一与第二阶段结构参数d002分别增大或变化很小，La、Lc则变小或不变，明显有别于离线XRD结构参数单调增大或减小的结果，表明在低中煤化作用阶段芳香结构单元变化很小，高煤级煤阶段才快速增长。煤中聚集态结构形成机制的分子模拟研究表明低煤级煤芳香结构单元的定向性主要是分子内作用，高煤级煤则是大分子之间的相互作用。在低煤级煤中存在有机态微量元素，微量元素-有机质相互作用受控于煤化作用过程中的脱氧、脱氢和增碳作用。中等变质程度煤结构演化及脂肪氢热演化特征的分析表明第二次煤化作用跃变是脂肪类物质与芳香结构单元演化相互竞争的结果，因此煤化作用的非线性演化特征是煤大分子结构中各种官能团相互作用的结果，值得进一步探索。采用碎屑锆石裂变径迹与镜质组反射率相结合的方法，确定了太原西山煤田存在T3-J1构造热事件，东部煤级定型时间为T3-J1,而西部则为K1。应用巨正则系综蒙特卡洛 (GCMC) 及分子动力学 (MD) 方法对兖州煤结构模型 (C222H185N3O17S5) 的吸附行为进行了研究, 获得了CH4、CO2与H2O的吸附量、吸附构型以及含氧官能团的影响, 并利用等量吸附热及能量变化数据揭示了三种物质的不同吸附机理。本课题发表论文20 篇，其中SCI 收录2 篇，Ei 收录15 篇次，培养博士研究生5 人，硕士研究生10人。