煤层气是一种重要的非常规天然气,具有极大的开发潜力,其赋存机理的研究进展直接影响煤层气的勘探开发。研究与实践表明,煤层顶底板岩层中也富含大量煤层气,其中一部分以游离态赋存,而大部分煤层气则以吸附态赋存于岩层的黏土矿物及有机质中。甲烷其实是煤层气最主要的成分,可以通过研究甲烷的吸附特性来反映煤层气的吸附特性。黏土矿物作为岩层中主要的矿物成分,其较高的显微孔隙体积和较大的比表面积可以为甲烷的吸附提供足够的空间,已有学者对甲烷在蒙脱石和伊利石中的吸附特性进行了研究,但对甲烷在高岭石中吸附特性的研究罕见报道,然而由于其微观吸附机理比较复杂,普通的宏观实验难以有效确定其吸附特性,而分子模拟作为与实验和理论并重的另外一种研究手段,为人们提供了一种相对成本低、效率高的手段,能够为高岭石对甲烷吸附特性研究提供有效的途径。本文运用Materials Studio软件,构建了高岭石超胞模型,结合分子力学法和蒙特卡洛法模拟计算了甲烷在高岭石表面的吸附量、吸附能和相互作用能等相关参数,研究了不同含水量(0%,2%,4%,6%,8%和10%)和不同孔隙压力(1MPa,2MPa,···,19MPa,20MPa)对甲烷在高岭石表面吸附特性的影响,从分子尺度上阐明了高岭石吸附甲烷的微观机理,主要得到了以下的结论:(1)随着孔隙压力的增大,高岭石的甲烷吸附量先增大后趋于稳定,呈Langmuir规律变化,表明压力是高岭石吸附甲烷的有利因素,但当压力超过一定值时,压力的增大对高岭石吸附甲烷的影响会很小;(2)随着孔隙压力的增大,高岭石的甲烷吸附能先增大后趋于稳定,呈Langmuir规律变化,吸附能与吸附量的变化趋势一致;(3)高岭石吸附甲烷时,硅氧四面体表面吸附的甲烷分子多于铝氧八面体表面的甲烷分子,这是由于甲烷分子与硅氧四面体之间的吸附力为氢键力,而甲烷分子与铝氧八面体之间的吸附力为范德华力,氢键力远远强于范德华力;(4)随着含水量的增大,高岭石的甲烷吸附量和吸附能均呈线性规律降低,水分子的存在占据甲烷的吸附位置,水是高岭石吸附甲烷的不利因素;(5)高岭石吸附水分子后氢键能变化大于范德华能的变化,而吸附甲烷分子后,主要是范德华能发生了变化,表明高岭石吸附甲烷是典型的物理吸附,而吸附水则是化学吸附为主,伴随着物理吸附;(6)高岭石吸附甲烷的吸附力与甲烷分子和高岭石分子之间的距离呈负指数关系变化。压力增大,分子之间的距离减小,吸附力增大,吸附量和吸附能增大;含水量增大,距离增大,吸附力减小,吸附量和吸附能减小,反之亦然。