煤对CH₄、CO₂和H₂O的吸附特征是煤层气开发中最重要的基础理论问题之一。通常采用的研究手段是应用等温吸附实验得到吸附等温线并结合不同的方法和模型对吸附等温线进行研究,以获得煤对气体吸附特征的认识,但是该方法在煤对气体吸附的微观作用过程和机理方面的研究有明显的局限性。计算机分子模拟从统计力学基本原理出发,进行分子微观结构测定和宏观性质计算,是一种强有力的兼具理论研究和实验测定的手段。对煤与CH₄、CO₂和H₂O之间吸附作用的分子模拟,可以从空间结构和分子水平上真正了解煤与小分子的吸附行为和吸附机理,为煤层气的研究提供了一种新的研究途径和方法。本论文则以实验分析和计算验证的高挥发分神东煤镜质组（SV）大分子结构空间模型为基础,在COMPASS力场下,采用蒙特卡洛（GCMC）模拟技术研究了SV对CH₄、CO₂、H₂O和二元组分CH₄/CO₂的饱和吸附,以及273.15³23.15 K和0¹5 MPa下SV对CH₄、CO₂和H₂O的单组分和二元混合组分的等温吸附,获得了以下认识:1.基于核磁共振（13C NMR）分析所得煤结构参数构建的SV平面模型,通过化学位移计算软件进行修改,并应用分子力学和分子动力学方法进行空间构型优化后,模拟红外（IR）数据与实验数据吻合较好,模拟SV密度是1.167 g/cm3,与实验数据也基本一致,表明SV空间构型是合理的。2.通过SV对CH₄、CO₂和H₂O单组分的饱和吸附模拟,得出如下结论:1) SV对CH₄、CO₂和H₂O单组分的饱和吸附量依次为19 moleculars /u.c.（138.408cm3/g）,19 moleculars /u.c. （138.408cm3/g）和66 moleculars /u.c.。2) CH₄、CO₂和H₂O的吸附初期受控于能量效应（energic effecting）,始于表面活性位;后期受控于堆积效应（packing efficting）,吸附质之间产生分子间作用,H₂O分子排列呈现“…O-H…O”的氢键特征,CH₄的排列出现类似乙烷的交叉构象,CO₂则呈倾斜交叉排列,以使空间构象能量最低。3) SV对CH₄、CO₂和H₂O的平均吸附能分别为-16.8774 kJ/mol、-28.3004 kJ/mol和-31.4338 kJ/mol ,平均吸附能大小顺序为:H₂O>CO₂>CH₄,这与以往模拟结果是一致的。4) H₂O的吸附能组成以静电作用能为主;CH₄的吸附能组成以范德华能为主,并出现了少量键合能项;CO₂的吸附能组成由范德华能和静电能共同组成,范德华能比静电能高。3.通过SV对CH₄、CO₂和H₂O单组分等温吸附模拟,得出如下结论:1)相同温度压力下SV对CH₄、CO₂和H₂O单组分的模拟等温吸附量从大到小依次是:H₂O>CO₂>CH₄,模拟值高于实验值。2)各单组分等温吸附线呈现Ⅰ型等温吸附线的特征,可以用Langmuir等温吸附方程较好的拟合,Langmuir单层饱和体积VL从大到小依次是:H₂O>CO₂>CH₄,并与温度的变化呈现良好的线性负相关关系,PL的变化比较复杂。3) CH₄的两个Langmuir参数VL和PL与温度均呈现良好的线性相关关系,CO₂和H₂O则不然,表明CH₄是单分子层吸附。4)模拟得到的Langmuir参数VL与实验相比偏大,而PL偏小;平衡水分下的VL与实验相比偏小,而PL偏大,这主要由CH₄、CO₂和H₂O吸附机理的差异造成的。5) SV对H₂O、CH₄和CO₂的模拟等量吸附热分别为:44.450⁶2.136 kJ/mol、24.009²4.879 kJ/mol和32.134³3.828 kJ/mol,表明CH₄和CO₂的吸附属于物理吸附。6)在相同温度压力下,模拟等量吸附热从大到小依次是:H₂O>CO₂>CH₄,H₂O的模拟值和实验值吻合较好,而受SV较多侧链的影响使得CH₄和CO₂的等量吸附热模拟值比实验值偏大。7) H₂O的等量吸附热大体随温度的升高而降低,CH₄和CO₂的等量吸附热和温度之间变化关系显著性相对较差。8)由于吸附机理的差异,CH₄的等量吸附热和吸附量之间呈良好的负相关,CO₂也呈现负相关,只是显著性较CH₄的要低,而H₂O的等量吸附热和吸附量之间呈良好的线性正相关。4.通过SV对CH₄/CO₂二元混和体系的饱和吸附模拟,得出如下结论:1)在CH₄/CO₂二元混和体系下SV对CH₄和CO₂的饱和吸附量分别10 moleculars /u.c. （72.845 g/cm3）和10 moleculars /u.c. （72.845 g/cm3）。2)二元混和吸附初期各组分的吸附独立进行,受控于能量效应,混合吸附能等于相同吸附量的各单组分吸附能的和;后期堆积吸附CO₂可以进入到SV大分子网状空间中,形成“固溶”现象。3)吸附后期混合吸附能小于单组分的吸附能的和,减少的主要是范德华作用能。5.通过SV对二元体系CH₄/CO₂、CH₄/H₂O和CO₂/H₂O等温吸附模拟,得出如下结论:1)相同温度压力下,CH₄/CO₂体系中CO₂的模拟吸附量高于CH₄,这与实验结果是一致的;CH₄/H₂O和CO₂/H₂O体系中都是H₂O的模拟吸附量较高。2)竞争吸附作用的存在,导致二元体系下各组分的模拟吸附量小于同条件下的单组分吸附量。竞争吸附中吸附质的竞争优势次序依次是:H₂O>CO₂>CH₄,这与H₂O分子的极性较强有关。3)在二元体系CH₄/CO₂、CH₄/H₂O和CO₂/H₂O的竞争吸附中,温度的影响并不明显;同一体系下的混合吸附,压力增加有利于竞争吸附中处于强势的吸附质的吸附。4)竞争吸附中,处于强势的吸附质的等量吸附热与单组分等量吸附热的变化基本一致,而弱势吸附质的等量吸附热则高于单组分的等量吸附热,个中原因尚未清楚。这也导致CH₄/H₂O和CO₂/H₂O体系下CH₄和CO₂的等量吸附热高于单组分等量吸附热,与实验结果不一致。5)二元组分等温吸附量和小于单组分等温吸附量和,而等量吸附热和大于单组分等量吸附热和。CH₄/CO₂体系,二者呈一定的线性负相关关系;CO₂/H₂O体系,二者呈线性正相关关系;CH₄/H₂O体系,用指数拟合效果较好,可能和CH₄的临界压力有关。