一种煤体分子结构建模方法

1.本发明涉及计算机分子模拟技术领域，具体为一种煤体分子结构建模方法。


背景技术：

2.我国是世界上最大的煤炭产量生产国及消费国，也是发生灾害事故最严重的国家。随着开采深度的增加，煤层瓦斯压力和瓦斯含量不断增大，同时对煤中煤层气的机理尚不清楚，瓦斯抽采的危险性日趋严重，极有可能带来安全事故，威胁工人生命安全，并且会直接影响到煤矿事业安全。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于为了解决现有的煤矿无法直观的了解煤炭结构和煤层气的机理，易出现带来安全事故影响到煤矿事业安全的问题，而提出一种煤体分子结构建模方法；本发明通过分子建模可以构建煤体的分子模拟，从分子水平直观地认识煤体结构，分析实验现象，为预测实验中难以得到的结果提供实际价值，进而进行一系列的研究，提高煤矿事业安全性。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种煤体分子结构建模方法，包括以下步骤：
5.s1：采集煤体样品并进行研磨处理；
6.s2：对研磨处理后的煤体样品进行工业分析和元素分析，确定煤中水分、灰分、挥发分、固定碳含量的变化以及煤中元素种类和含量；
7.s3：对研磨处理后的煤体样品分别进行核磁共振波谱实验、x射线光电子能谱分析、傅氏转换红外光谱分析，得到
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c-nmr谱图、xps谱图、ftir谱图；
8.s4：对
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c-nmr谱图、xps谱图分别进行分峰拟合以及对ftir谱图谱图进行拟合分析；
9.s5：对s2与s4中得到的结果信息进行分析得到分子结构，再对已分析出的分子结构进行组合搭建，初步构造煤体大分子初始结构；
10.s6：对构造煤体大分子初始结构进行分子模拟建模得到煤体分子结构模拟模型；
11.s7：最后对煤体分子结构模拟模型进行准确性验证与调整。
12.作为本发明的一种优选实施方式，所述s5中进行分子结构组合搭建的具体步骤为：
13.s501：提取工业分析检测结果中c、o、n、s元素的含量；
14.s502：利用
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c-nmr谱图的分峰拟合的结果获得不同芳香碳结构参数，计算出桥周碳之比，对煤分子模型的芳香碳基团进行定性和定比；
15.s503：利用xps谱图的分峰拟合的结果得到c、o、n、s元素的赋存形态及杂原子的组成；
16.s504：利用ftir谱图的拟合结果获得煤样的脂肪碳官能团及含氧官能团结构参数
信息；
17.s505：通过c、o、n、s元素的含量计算煤大分子分子式；
18.s506：根据煤体中元素含量、芳香结构、脂肪碳结构及杂原子结构分析结果，对已分析出的分子结构进行组合搭建，初步构造煤体大分子初始结构图。
19.作为本发明的一种优选实施方式，所述进行分子模拟建模的具体步骤为：
20.s601：对煤分子模型进行能量优化，得到最低能量构型；
21.s602：再对最低能量构型进行密度模拟，添加周期边界条件，构建不同密度对应的微晶模型，得到周期边界条件下最优微晶模型、最优密度和晶胞尺寸。
22.作为本发明的一种优选实施方式，所述计算出桥周碳之比的具体过程为：
23.煤分子中的芳香碳由质子化芳碳与非质子化芳碳组成，其中非质子化芳碳包括氧接芳碳侧支芳碳桥接芳碳三类；
24.计算所述煤样的质子化芳碳率、氧接芳碳率、侧支芳碳率及桥接芳率；
25.定义煤中芳香化合物的桥碳与周碳之比平均值得到桥周碳比x
bp
；其中
[0026][0027]
作为本发明的一种优选实施方式，所述对煤分子模型进行能量优化包括几何优化和退火优化；煤分子模型进行分子力学模拟时，煤分子能量随着分子结构改变而随之降低，分子结构局部区域发生了较为明显的扭转和变形，为了得到最低能量构型，继续利用forcite模块中进行退火分子动力学模拟。
[0028]
作为本发明的一种优选实施方式，所述进行密度模拟为每一个模型的密度均对应着一个相应的晶胞尺寸和微晶模型，通过调整模型密度，找到局部势能最低点既是该煤样的最优密度模型，进行密度模拟找到最优密度模型后，重新对最优微晶模型进行分子力学和分子动力学模拟，以得到最优微晶模型。
[0029]
作为本发明的一种优选实施方式，所述对煤体分子结构模拟模型进行准确性验证与调整的具体步骤为：
[0030]
s701：针对所构建的煤分子晶胞，对已绘制的分子结构图进行计算，得出碳谱和对应位移；
[0031]
s702：对碳谱进行波谱模拟得到其对应预测谱图；
[0032]
s703：将预测谱图与实验检测谱图相比较，不断的调整各类基团在煤分子中的位置以及连接方式，保持芳香单元和芳香度不变，以保证骨架碳原子的准确性；
[0033]
s704：重复s701至s703步骤，使得模拟计算得到的预测谱图与实验检测谱图相匹配。
[0034]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过分子建模可以构建煤体的分子模型，从分子水平直观地认识煤体结构，分析实验现象，为预测实验中难以得到的结果提供实际价值，进而进行一系列的研究，提高煤矿事业安全性。
附图说明
[0035]
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0036]
图1为本发明分子结构建模方法的流程图。
具体实施方式
[0037]
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
请参阅图1所示，一种煤体分子结构建模方法，基于
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c-nmr、xps和ftir；该建模方法包括以下步骤：
[0039]
(1)采集煤体样品，进行研磨处理；
[0040]
(2)通过对处理后的的煤体样品进行分析，初步构造煤体大分子初始结构；对煤体样品进行工业分析和元素分析、核磁共振波普实验(
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c-nmr)、x射线光电子能谱分析(xps)、傅氏转换红外光谱(ftir)分析，分别得到各元素含量、
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c-nmr谱图、xps谱图、ftir谱图；通过分峰拟合可得到c、o、n、s元素的含量及煤样的脂肪碳官能团及含氧官能团结构参数信息。
[0041]
通过计算得到桥周碳之比为x
bp
＝0.15，对煤分子模型的芳香碳基团进行定性和定比，最后得到最合适的煤大分子分子式为c
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o6n4s1。运用chem draw软件对已分析出的分子结构进行组合搭建，初步构造煤体大分子初始结构图；
[0042]
(3)构造的煤体大分子初始结构图导入materials studio分子模拟软件，进行分子模拟建模；
[0043]
采用material studios软件对模型进行能量优化，得到最低能量构型；对煤分子模型进行退火(anneal)分子动力学模拟，参数设置为：task：anneal、温度循环应用300—600k、循环十次、力场选择dreiding力场、库仑力采用qeq方法计算、范德华力与氢键作用采用atom based法计算，煤分子模型进行分子动力学模拟时，分子结构局部区域发生了较为明显的扭转和变形，煤分子能量都会随着分子结构改变而随之降低；继续利用forcite模块几何优化，参数设置为task：geometry optimization、温度循环应用300—600k、循环十次、力场选择dreiding力场、库仑力采用qeq方法计算、范德华力与氢键作用采用atom based法计算；依次点击run按钮进行分子力学几何优化和分子动力学退火优化，进而得到最低能量构型；继续对煤分子最低能量构型进行密度模拟得到周期边界条件下最优微晶模型及其最优密度和晶胞尺寸，为在密度模拟中，每一个模型的密度均对应着一个相应的晶胞尺寸和微晶模型，通过调整模型密度，找到局部势能最低点既是该煤样的最优密度模型。进行密度模拟找到最优密度模型后，需要重新对最优微晶模型进行分子力学和分子动力学模拟，以得到最优微晶模型；
[0044]
(4)对建立的煤体分子结构模拟模型进行模型的准确性验证与调整。
[0045]
将构建的煤分子晶胞，运用acd软件对已绘制的分子结构图进行计算，得出碳谱和对应位移；并运用gnmr波谱模拟软件得到其对应的预测波谱图；将得到的预测谱图与实验检测谱图相比较，调整基团在煤分子中的位置以及连接方式，最后预测谱图与实验检测谱图相匹配，建模完成；
[0046]
根据所述得到
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c-nmr谱图的分峰拟合的结果计算桥周碳之比包括：
[0047]
计算所述煤样的质子化芳碳率、氧接芳碳率、侧支芳碳率及桥接芳率；通过以下公式计算出桥周碳之比x
bp
：式中为质子化芳碳，为氧接芳碳，为侧支芳碳，为桥接芳碳；简单来说，桥碳就是指分子，分母代表周碳；它用来反映芳香环的缩合程度和稠环化程度的。
[0048]
对所述构建的煤体大分子模型进行调整与准确性验证包括：
[0049]
对所构建的煤分子晶胞，运用mestrenova软件对已绘制的分子结构图进行核磁预测，得到预测谱图；
[0050]
不断的调整各类基团在煤分子中的位置以及连接方式，保持芳香单元和芳香度不变，以保证骨架碳原子的准确性，使得模拟计算得到的核磁谱图与实验核磁谱图相匹配。
[0051]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：
1.一种煤体分子结构建模方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：采集煤体样品并进行研磨处理；s2：对研磨处理后的煤体样品进行工业分析和元素分析，确定煤中水分、灰分、挥发分、固定碳含量的变化以及煤中元素种类和含量；s3：对研磨处理后的煤体样品分别进行核磁共振波谱实验、x射线光电子能谱分析、傅氏转换红外光谱分析，得到
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c-nmr谱图、xps谱图、ftir谱图；s4：对
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c-nmr谱图、xps谱图分别进行分峰拟合以及对ftir谱图谱图进行拟合分析；s5：对s2与s4中得到的结果信息进行分析得到分子结构，再对已分析出的分子结构进行组合搭建，初步构造煤体大分子初始结构；s6：对构造煤体大分子初始结构进行分子模拟建模得到煤体分子结构模拟模型；s7：最后对煤体分子结构模拟模型进行准确性验证与调整。2.根据权利要求1所述的一种煤体分子结构建模方法，其特征在于，所述s5中进行分子结构组合搭建的具体步骤为：s501：提取工业分析检测结果中c、o、n、s元素的含量；s502：利用
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c-nmr谱图的分峰拟合的结果获得不同芳香碳结构参数，计算出桥周碳之比，对煤分子模型的芳香碳基团进行定性和定比；s503：利用xps谱图的分峰拟合的结果得到c、o、n、s元素的赋存形态及杂原子的组成；s504：利用ftir谱图的拟合结果获得煤样的脂肪碳官能团及含氧官能团结构参数信息；s505：通过c、o、n、s元素的含量计算煤大分子分子式；s506：根据煤体中元素含量、芳香结构、脂肪碳结构及杂原子结构分析结果，对已分析出的分子结构进行组合搭建，初步构造煤体大分子初始结构图。3.根据权利要求1所述的一种煤体分子结构建模方法，其特征在于，所述进行分子模拟建模的具体步骤为：s601：对煤分子模型进行能量优化，得到最低能量构型；s602：再对最低能量构型进行密度模拟，添加周期边界条件，构建不同密度对应的微晶模型，得到周期边界条件下最优微晶模型、最优密度和晶胞尺寸。4.根据权利要求2所述的一种煤体分子结构建模方法，其特征在于，所述计算出桥周碳之比的具体过程为：煤分子中的芳香碳由质子化芳碳与非质子化芳碳组成，其中非质子化芳碳包括氧接芳碳侧支芳碳桥接芳碳三类；计算所述煤样的质子化芳碳率、氧接芳碳率、侧支芳碳率及桥接芳率；定义煤中芳香化合物的桥碳与周碳之比平均值得到桥周碳比x
bp
；其中5.根据权利要求3所述的一种煤体分子结构建模方法，其特征在于，所述对煤分子模型进行能量优化包括几何优化和退火优化；煤分子模型进行分子力学模拟时，煤分子能量随着分子结构改变而随之降低，分子结构局部区域发生了较为明显的扭转和变形，为了得到
最低能量构型，继续利用forcite模块中进行退火分子动力学模拟。6.根据权利要求3所述的一种煤体分子结构建模方法，其特征在于，所述进行密度模拟为每一个模型的密度均对应着一个相应的晶胞尺寸和微晶模型，通过调整模型密度，找到局部势能最低点既是该煤样的最优密度模型，进行密度模拟找到最优密度模型后，重新对最优微晶模型进行分子力学和分子动力学模拟，以得到最优微晶模型。7.根据权利要求1所述的一种煤体分子结构建模方法，其特征在于，所述对煤体分子结构模拟模型进行准确性验证与调整的具体步骤为：s701：针对所构建的煤分子晶胞，对已绘制的分子结构图进行计算，得出碳谱和对应位移；s702：对碳谱进行波谱模拟得到其对应预测谱图；s703：将预测谱图与实验检测谱图相比较，不断的调整各类基团在煤分子中的位置以及连接方式，保持芳香单元和芳香度不变，以保证骨架碳原子的准确性；s704：重复s701至s703步骤，使得模拟计算得到的预测谱图与实验检测谱图相匹配。

技术总结
本发明公开了一种煤体分子结构建模方法，基于工业分析与元素分析、核磁共振波谱、X射线光电子谱以及傅氏转换红外光谱(FTIR)的实验方式，分析煤的结构参数，运用ChemDraw构建煤大分子结构初始模型，通过分子动力学模拟软件并利用分子力学和分子动力学方法对煤大分子结构模型进行优化，添加周期性边界条件，得到能量最低的煤分子结构单元以及相对应的模型的最优密度，并进行模型的校验与调整。本发明构建出一个科学合理的煤的分子结构模型，利用此模型可以从分子水平直观地分析实验现象，为预测实验中难以得到的结果提供实际价值。预测实验中难以得到的结果提供实际价值。预测实验中难以得到的结果提供实际价值。


技术研发人员：李贺 吕雪芬 路洁心 鲁义 施式亮 王正 吴郗 曹洁艳
受保护的技术使用者：湖南科技大学
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/10/15