【研究背景】

煤炭行业在生产过程中产生大量粉尘，严重污染环境且威胁矿工健康。煤层注水是从源头减少粉尘产生的有效方法，但煤炭的疏水性使其难以被水直接润湿，需借助表面活性剂改善润湿性。

国内外学者虽已对煤岩润湿性影响因素开展大量研究，但对煤多孔结构复杂润湿性行为的理解仍不足，尤其不同变质程度煤种润湿性主要控制因素存在诸多争议。

选取六种不同变质程度的煤体作为研究对象，采用低场核磁共振结合分子模拟的方法，研究非离子表面活性剂在煤微观 “固 - 液” 界面的润湿行为及机制。本篇主要介绍分子模拟部分，实验部分可以根据DOI获取原文进行查阅。

应用模块： Forcite 模块

研究目的：为煤层注水防尘提供理论指导

DOI:10.1021/acs.langmuir.4c05072

【研究方法】

利用 Materials Studio 8.0 软件，构建“煤-水-表面活性剂”模拟系统，进行分子动力学模拟，设置相关参数，分析相对浓度和均方位移（MSD）以探究润湿特性。

【研究结果】

1、微观润湿动力学分析

MS 模拟基本过程：构建“煤-水-表面活性剂”模拟系统，进行几何优化、退火动力学处理和分子动力学模拟，分析分子相对浓度和均方位移（MSD），探究微观润湿机制。

图 1. “煤-水-表面活性剂” 模拟计算系统

非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚（JFCS）在煤-水界面的动力学行为：JFCS在煤表面扩散最好，焦煤次之，能进行一定吸附扩散；不粘煤、气煤和无烟煤因烃链排斥，吸附有限，水分渗入不足；肥煤 表面活性剂分子易自聚，亲水性降低。

图 2. JFCS 在煤-水界面的动态模拟过程

2、模拟结果分析：

相对浓度分布：加入 JFCS 后，水分子沿煤 z 轴渗透更深，褐煤润湿效果优于焦煤，气煤、不粘煤、肥煤和无烟煤因表面疏水性改变或团聚，水分渗入受限。

均方位移（MSD-Mean Square Displacement）和扩散系数：JFCS 加入后，焦煤水分子迁移速率最高，褐煤和不粘煤次之，气煤、肥煤和无烟煤最低。计算得出不同煤种水分子扩散系数，进一步验证润湿性差异。

【研究结论】

润湿机制：非离子表面活性剂在煤层表面形成致密黏附层，改变煤的理化性质，降低表面分子间吸引力，促进水分子在煤界面扩散，表面活性剂分子经分子间结合后迁移渗透进入煤基质。

煤种影响：非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚（JFCS） 对不同变质程度煤的润湿效果为褐煤>焦煤>不粘煤≈无烟煤>肥煤≈气煤。

模拟价值：通过分子动力学模拟，获得表面活性剂体系中水分子的润湿范围和扩散速率，阐明不同种类煤在表面活性剂作用下的微观润湿机制和影响规律，为高效抑尘剂研发提供理论支持，助力煤矿安全生产和可持续发展。

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