基于AFM的不同变质变形煤的超微结构研究

摘要

原子力显微镜（AFM）分析技术是近年来研究煤表面超微观结构的一种新方法。本文利用AFM对不同变质变形煤的表面超微结构（纳米级孔隙与纳米层次的大分子聚集体）进行系统的研究分析，并结合分形几何方法对超微观结构特征进行定量表征。结果表明，煤的变质程度、变形程度和变形性质不同，煤的超微结构特征也不一样。
　　随着变质程度的升高，煤微观表面平均粗糙度Sa与均方根值Sq逐渐减小，至无烟煤阶段达到最小，同时峭度值Sku>3且偏斜度Ssk趋近于0，这说明表面微观形貌平整程度逐渐增高，表面高度值分布趋于集中，煤微观形貌表现出由粗糙起伏的颗粒面逐渐向平整光滑的平面过渡。同时纳米级变质气孔发育程度不断增高，至无烟煤阶段纳米级孔隙呈现密集分布的特点，微孔占孔隙数量比例达80％左右。纳米级大分子聚集体在低煤级阶段，呈现松散的网状栅格结构特征，随着变质程度加深，大分子栅格结构排列趋于紧密，栅格间的分子链间孔逐渐减小。
　　随着构造变形强度的增强，Sa与Sq逐渐减小，同时峭度值Sku与偏斜度Ssk变化也说明形貌高度值趋于一致，这说明煤表面形貌中凸起逐渐被挤压磨平。在脆性变形机制下，脆性变形作用促使微孔及过渡孔发育，同时网状栅格结构骨架发生扭曲变形；而在韧性变形机制下，韧性变形作用促使微孔和过渡孔的发育，大分子栅格结构消失，蠕动状微观结构特征明显，具有网状栅格结构向蠕动状结构变化的趋势。因此，构造应力不仅引起煤储层物性产生变化，而且还对煤大分子结构的演化产生影响。
　　分别利用功率谱密度与盒维法计算不同变质变形煤的分形维数，定量地描述表面轮廓的空间波长的分布情况与孔隙分布规律，发现随着变质程度的增高与构造变形程度的增强，两种分形维数均表现增大的趋势且趋近于2，说明微观形貌空间中的高频波长成分增加，表面轮廓细节特征复杂，且表面微孔呈现密集分布的形貌特征。

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1 绪论

1.1选题依据及意义

1.2 国内外研究现状及存在问题

1.3研究内容与技术路线

1.4 完成的主要工作量

1.5 论文创新点

2 煤样选择及其煤岩学特征

2.1样品采集

2.2煤样的显微组分鉴定

2.3不同变质变形煤的煤岩学特征

2.4小结

3不同变质变形煤的超微观结构的AFM观察与分析

3.1 AFM仪器简介与样品处理

3.2 不同变质变形煤的微观形貌特征

3.3 不同变质变形煤的纳米级孔隙特征

3.4 不同变质变形煤的纳米层次大分子结构特征

3.5小结：

4不同变质变形煤的分形维数表征及其演化特征

4.1功率谱分形

4.2 盒维法分形分形

4.3小结

5结论

参考文献

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