纳米尺度下煤的力学性质及破坏机制研究

摘要

研究煤的微观力学性质及破坏机制,对于补充和解释煤的物理力学性质具有重要意义。通过纳米压痕试验得到了赵庄矿原煤煤样的力学性质,并对赵庄煤大分子基体模型进行纳米压痕分子模拟,将模拟结果与试验进行对比分析。试验结果表明,赵庄煤在静态和动态加载模式下的平均硬度分别为0.423和0.560 GPa;平均弹性模量分别为4.452和5.200GPa。结合Weibull分布函数对试验数据进行统计分析,2种加载模式下硬度和弹性模量对应的Weibull模数均大于20。基于构建的赵庄煤大分子,实现了赵庄煤大分子基体模型的纳米压痕分子动力学模拟,从分子尺度揭示了煤体的破坏机制。通过Oliver-Pharr法和赫兹理论求出赵庄煤分子模拟下的硬度及弹性模量,与试验结果吻合较好。在模拟过程中系统的势能随着压深而逐渐增大,卸载阶段势能逐渐降低,但由于基体发生的破坏变形储存了部分能量,完全卸载后的势能要大于初始势能。随着压头的深入,煤大分子之间相互挤压,形成原子稠密区,失去原有的键结强度,形成损伤层。结合径向分布曲线和键角分布曲线发现,在煤基体破坏过程中,煤大分子间的有序度不断降低,煤大分子中的环状结构在抵抗破坏过程中起到重要作用。