一种纳米流体改性煤体力学性能的预测方法

本技术涉及煤矿安全工程与材料表征，尤其涉及一种纳米流体改性煤体力学性能的预测方法。

背景技术：

1、在煤矿开采过程中，深部煤层的稳定性和安全性是至关重要的研究课题。随着开采深度的增加，煤层所处的地质环境变得更为复杂，高温、高压以及高瓦斯含量等恶劣条件频繁出现，这些因素显著影响了煤体的物理力学性质，进而对钻孔稳定性、瓦斯抽采效率以及煤与瓦斯突出的防控工作构成了严峻挑战。

2、传统上，改善煤体坚固性的方法多依赖于物理加固手段，如注浆加固、锚杆支护等，这些方法虽在一定程度上提高了煤体的整体稳定性，但在深部复杂地质条件下，其效果往往受到限制，且成本较高，施工难度大。与此同时，化学改性方法作为一种新兴的技术手段，因其能够从微观层面改变煤体的结构特性，逐渐受到科研人员的关注。

3、纳米流体技术作为化学改性领域的前沿方向，通过向煤体裂隙中注入含有纳米颗粒的流体，从而有效提高煤的吸水能力，进而实现高效软化煤体，增大塑性破坏程度，降低弹性能释放，从而消除煤层周围的应力集中效应，减少煤与瓦斯突出灾害的发生。然而，现有研究多集中于纳米流体改性煤体的宏观实验表征，缺乏从分子层面揭示纳米流体与煤体相互作用机理及力学性能演化规律的方法体系。

4、目前，虽然已有部分研究涉及纳米流体在煤体改性中的应用，但多集中于宏观实验表征，缺乏从分子层面揭示纳米流体与煤体相互作用机理及力学性能演化规律的方法体系。

技术实现思路

1、本技术提供一种纳米流体改性煤体力学性能的预测方法，针对现有研究多集中于纳米流体改性煤体的宏观实验表征，缺乏从分子层面揭示纳米流体与煤体相互作用机理及力学性能演化规律的方法体系的不足，该方法通过构建煤-纳米流体复合结构模型并结合分子动力学纳米压痕模拟，从分子层面获取改性后煤体的力学参数，从而填补纳米流体改性煤体微观力学性能预测方面的技术空白，为深部煤层钻孔稳定、瓦斯抽采增效及煤与瓦斯突出防控提供理论依据。

2、为达到上述目的，本技术采用如下技术方案：

3、本技术提供一种纳米流体改性煤体力学性能的预测方法，所述方法包括：

4、构建煤分子初始模型，对所述煤分子初始模型进行几何优化和退火处理，得到优化后的煤分子模型；通过蒙特卡罗随机重构以构建由所述优化后的煤分子模型中的煤分子构成的煤分子盒子，对所述煤分子盒子进行几何优化和退火处理，得到煤孔隙模型；

5、构建aes分子和sio2分子模型，对所述aes分子和sio2分子模型分别进行几何优化和退火处理；基于优化后的sio2分子模型构建sio2团簇模型，将优化后的aes分子通过水解缩合反应接枝到sio2团簇上，经几何优化和退火处理得到aes活性剂分子与sio2纳米颗粒的复合团簇模型；通过蒙特卡罗随机重构以构建由所述复合团簇模型中的复合团簇构成的复合团簇盒子，对所述复合团簇盒子进行几何优化和退火处理，得到aes-sio2纳米流体模型；

6、将所述煤孔隙模型与所述aes-sio2纳米流体模型进行界面组装，生成初始层间复合结构，并在体系顶端补充真空层，得到煤-纳米流体流固耦合界面模型；

7、基于所述煤-纳米流体流固耦合界面模型，进行分子动力学弛豫模拟，使体系达到热力学平衡，获得改性煤-纳米流体复合结构的稳定构型；

8、基于所述改性煤-纳米流体复合结构的稳定构型，进行分子动力学纳米压痕模拟，施加虚拟压头载荷并记录压入过程中的原子受力与位移响应，提取力-位移曲线；

9、基于所述力-位移曲线，利用oliver-pharr方法或原子应力积分法进行数据处理，计算得到力学参数，实现改性煤体力学性能的预测。

10、优选的，在上述纳米流体改性煤体力学性能的预测方法中，所述通过蒙特卡罗随机重构以构建由所述优化后的煤分子模型中的煤分子构成的煤分子盒子，包括：

11、基于所述优化后的煤分子模型中的煤分子，在三维周期性盒子内通过随机插入加能量筛选的蒙特卡罗方式进行填充；每次尝试插入一个煤分子后，计算插入该煤分子引起的体系总能量变化，通过如下公式计算本次插入事件的接受概率：

12、；

13、其中，为玻尔兹曼常数，为温度；每次尝试插入时独立生成一个[0,1]区间内的均匀随机数，若该均匀随机数小于或等于所述接受概率，则接受本次插入，反之则拒绝本次插入，该煤分子不放入盒子；重复上述随机插入与判断过程直至达到目标密度，得到所述煤分子盒子。

14、优选的，在上述纳米流体改性煤体力学性能的预测方法中，所述通过蒙特卡罗随机重构以构建由所述复合团簇模型中的复合团簇构成的复合团簇盒子，对所述复合团簇盒子进行几何优化和退火处理，得到aes-sio2纳米流体模型，包括：

15、基于所述复合团簇模型中的aes-sio2复合团簇，在三维周期性盒子内通过随机插入加能量筛选的蒙特卡罗方式进行填充；每次尝试插入一个复合团簇后，计算插入该复合团簇引起的体系总能量变化，计算本次插入事件的接受概率，每次尝试插入时独立生成一个[0,1]区间内的均匀随机数，若该均匀随机数小于或等于所述接受概率，则接受本次插入，反之则拒绝本次插入，该复合团簇不放入盒子；重复上述随机插入与判断过程直至达到目标密度，填充完成后经几何优化和退火处理，得到所述aes-sio2纳米流体模型。

16、优选的，在上述纳米流体改性煤体力学性能的预测方法中，将所述煤孔隙模型与所述aes-sio2纳米流体模型进行界面组装，生成初始层间复合结构，并在体系顶端补充真空层，得到煤-纳米流体流固耦合界面模型，包括：

17、将所述煤孔隙模型与所述aes-sio2纳米流体模型进行界面组装，设定初始层间距并开启最小应变晶格匹配模式，控制界面晶格最大应变不超过2%，同时施加分层几何约束将所述煤孔隙模型中的煤孔隙基底全部原子固定、放开所述aes-sio2纳米流体模型所在层的三轴运动自由度，并设置界面最小原子距离约束以避免原子重叠，生成初始层间复合结构，并在体系顶端补充真空层，得到煤-纳米流体流固耦合界面模型。

18、优选的，在上述纳米流体改性煤体力学性能的预测方法中，基于所述煤-纳米流体流固耦合界面模型，进行分子动力学弛豫模拟，使体系达到热力学平衡，获得改性煤-纳米流体复合结构的稳定构型，包括：

19、对所述煤-纳米流体流固耦合界面模型进行分子动力学弛豫模拟，采用共轭梯度法对所述煤-纳米流体流固耦合界面模型的初始构型进行能量最小化，直至体系最大受力小于10-4 ev/a˚；在nvt系综下进行模拟退火，以设置的目标升温速率从第一温度升温至第二温度，保温设定时间，再以目标升温速率降温至第一温度；在npt系综下进行平衡弛豫，以第一温度为目标温度，设定阻尼系数和各向同性压力，当体系温度在目标温度的±5%范围内浮动且能量收敛参数δ

e<0.001时认为达到热力学平衡，记录平衡后的最终构型作为改性煤-纳米流体复合结构的稳定构型。

20、优选的，在上述纳米流体改性煤体力学性能的预测方法中，基于所述改性煤-纳米流体复合结构的稳定构型，进行分子动力学纳米压痕模拟，施加虚拟压头载荷并记录压入过程中的原子受力与位移响应，提取力-位移曲线，包括：

21、将所述改性煤-纳米流体复合结构的稳定构型对应的复合结构模型划分为三个区域：模型底部1/6厚度为边界层，原子固定以防止整体刚体位移；边界层上方1/6厚度的原子为恒温层，采用nose-hoover热浴法维持恒温以耗散压痕过程产生的热量；剩余2/3厚度的原子为牛顿层，运动遵循经典牛顿第二定律；

22、采用虚拟球形刚性压头作为虚拟压头，压头半径为4-5nm，初始位置位于样品表面上方，所述虚拟压头与试样表面接触后以恒定速率沿z轴负方向加载，达到设定的峰值载荷后进行保载、卸载，采集所述虚拟压头压入煤体的深度变化数据，结合设定的载荷，得到力-位移曲线。

23、优选的，在上述纳米流体改性煤体力学性能的预测方法中，所述力学参数包括弹性恢复率、接触刚度、等效弹性模量、真实弹性模量、纳米硬度、塑性变形占比、总加载功、弹性回弹功、塑性耗散功、塑性耗散系数、应力松弛量、应力松弛率、界面临界破坏载荷

f

c和界面失效临界压深

h

c。

24、优选的，在上述纳米流体改性煤体力学性能的预测方法中，计算所述弹性恢复率、接触刚度、等效弹性模量、真实弹性模量，包括：

25、从所述力-位移曲线中提取加载终点峰值载荷对应的最大压入深度和卸载完成后残余压痕深度，通过如下公式计算弹性恢复率：

26、；

27、通过如下公式计算接触刚度：

28、；

29、其中，为卸载段初期的载荷变化量，为对应的位移变化量；

30、根据球形刚性压头与弹性基体的hertz接触模型，通过如下公式计算复合体系等效弹性模量：

31、；

32、其中，为压头z向排斥力；为有效压入深度；

33、根据虚拟刚性压头的弹性模量→，通过如下公式计算试样真实弹性模量：

34、；

35、其中，为煤基复合体系泊松比。

36、优选的，在上述纳米流体改性煤体力学性能的预测方法中，计算所述纳米硬度、塑性变形占比、总加载功、弹性回弹功、塑性耗散功和塑性耗散系数，包括：

37、根据球形压痕接触投影面积法，通过如下公式计算接触半径：

38、；

39、根据所述接触半径，通过如下公式计算接触投影面积：

40、；

41、根据峰值载荷与所述接触投影面积，通过如下公式计算纳米硬度：

42、；

43、根据最大压入深度和残余压痕深度，通过如下公式计算塑性变形占比：

44、；

45、对所述力-位移曲线的加载段和卸载段分别进行积分，通过如下公式计算总加载功、弹性回弹功和塑性耗散功：

46、；

47、；

48、；

49、其中，为加载段载荷关于压入深度的函数，为卸载段载荷关于压入深度的函数；

50、根据所述塑性耗散功和所述总加载功，通过如下公式计算塑性耗散系数：

51、。

52、优选的，在上述纳米流体改性煤体力学性能的预测方法中，计算所述应力松弛量、应力松弛率、界面临界破坏载荷

f

c和界面失效临界压深

h

c，包括：

53、提取保载阶段的峰值载荷与稳定后载荷，通过如下公式计算应力松弛量：

54、；

55、根据所述应力松弛量与所述峰值载荷，通过如下公式计算应力松弛率：

56、

57、取所述力-位移曲线的加载段中载荷首次突降对应的载荷值作为界面临界破坏载荷

f

c，该载荷值对应的压入深度作为界面失效临界压深

h

c。

58、本技术提供的纳米流体改性煤体力学性能的预测方法，其至少具有如下有益效果：

59、本技术通过构建煤分子初始模型，经几何优化和退火处理获得具有纳米级孔隙结构的煤孔隙模型，以准确表征煤体微观结构特征，同时构建aes-sio2纳米流体模型，通过将煤孔隙模型与aes-sio2纳米流体模型进行界面组装并在体系顶端补充真空层，构建出能够真实反映纳米流体在煤体表面吸附与铺展状态的煤-纳米流体流固耦合界面模型，经分子动力学弛豫模拟使体系达到热力学平衡并获得改性煤-纳米流体复合结构的稳定构型，确保模拟体系处于能量最低的平衡状态，在此基础上进行分子动力学纳米压痕模拟，通过虚拟压头加载-保载-卸载过程记录原子受力与位移响应并提取力-位移曲线，利用oliver-pharr方法或原子应力积分法对力-位移曲线进行数据处理以计算弹性恢复率、接触刚度、等效弹性模量、真实弹性模量、纳米硬度、塑性变形占比、加载功、弹性回弹功、塑性耗散功、塑性耗散系数、应力松弛量、应力松弛率、界面临界破坏载荷及界面失效临界压深等一系列微观力学参数，从弹性响应、塑性变形、能量耗散及界面结合强度等多个维度定量评价纳米流体改性后煤体的力学性能，从而填补现有技术中从分子层面预测纳米流体改性煤体力学性能的方法空白，为深部煤层钻孔稳定控制、瓦斯抽采效率提升及煤与瓦斯突出灾害防治提供化学-力学协同调控的理论支撑。