煤岩的纳微力学特性研究:以Pocahontas煤岩为例

作     者：唐旭 TANG Xu

作者机构：克兰菲尔德大学水能源与环境学院 

出 版 物：《煤炭科学技术》 (Coal Science and Technology)

年 卷 期：2020年第48卷第2期

页      面：220-229页

核心收录：

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

基　　金：欧盟“地平线-2020”研究与创新框架“玛丽·居里学者计划”个人资助项目(793128) 

主　　题：煤岩 力学特性 原子力显微镜 峰值力轻敲模式 

摘      要：煤岩的力学特性是煤炭开采设计及安全开发过程中要考虑的重要因素。尽管目前对煤岩的宏观力学性质已经有深入的研究,但是对煤岩纳微尺度力学性能测试及相应的力学参数测试却少有涉及。笔者采用原子力显微镜峰值力轻敲模式(AFM PeakForce Tapping mode)对美国阿帕拉契亚山脉地区Pocahontas煤岩进行试验,定量分析其纳微尺度形貌,纳微尺度的力学参数及相应的纳微尺度力学特性。研究表明:原子力显微镜峰值力轻敲模式可以定量测定纳微尺度煤岩的形貌、折减杨氏弹性模量(DMT)、黏附力、变形量和耗散能,并将测试结果以二维和三维的形式进行展示。该测试煤岩的DMT模量为10~14 GPa,黏附力约20 nN,最大变形量约12 nm,耗散能约3 keV。该结果表明:原子力显微镜峰值力轻敲模式可以用来测定煤岩纳微尺度力学参数,为研究煤岩的纳微力学特性及相应的煤岩力学数值模拟试验奠定基础。该试验方法不仅对研究纳微尺度煤岩破裂机理和解释煤岩瓦斯耦合作用(吸附等)而产生的力学现象有一定的指导作用,同时也为探索煤岩纳微力学特性提供一种新的研究方法和视角。