煤体微观力学特性的纳米压痕实验研究

• Published in: 煤炭学报 Vol. 49; no. 8; pp. 3453 - 3467
• Main Authors: 刘鹏, 赵渝龙, 聂百胜, 柳先锋, 邓博知, 何珩溢, 曹明伟
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室,重庆 400044%中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京 100083 01.08.2024; 重庆大学资源与安全学院,重庆 400044
• Subjects: peaking load; 表面形貌; 弹性模量; fracture toughness; elastic mod-ulus; nanoindentation; surface morphology; 坚固性系数; hardness; 峰值载荷; 断裂韧度; 煤体力学性质; mechanical properties of coal; 纳米压痕
• ISSN: 0253-9993
• DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2023.0936

TD713; 煤体力学性质的测定与研究对煤炭高效开采和灾害预防具有重要的理论价值.煤较为松软破碎,强度较低,难以制备标准的力学测试煤样,也无法回收利用从而进行重复测试.亟需探索新的力学测试方法完善煤的力学特性研究.纳米压痕技术可以测定小尺度煤体微观力学特性,具有样品易制作、实验快速、样品无损的特点.结合矿物组分测试、形貌扫描和纳米压痕实验,研究了 4种煤的物性特征及微观力学性质.结果表明,实验煤样矿物类别主要包括非晶态有机质和黏土、石英和碳酸盐类矿物,不同煤的矿物组分有显著差异.煤的3D形貌图显示不同煤表面粗糙度差异明显,煤中矿物分布具有显著非均质性.纳米压痕实验结果表明:①煤样中石英和碳酸盐类矿物质量分数越高,会导致煤样表面力学性质越强,压痕深度越小;②煤样表面的组分越复杂,煤的非均质性越明显,表面微观力学性质分布的离散程度越高;③煤的煤阶越高,变质程度越高,外部孔隙越发育,导致断裂韧度提高;④对压痕试验结果进行拟合,发现弹性模量与坚固性系数、弹性模量与断裂韧度均具有明显的线性关系,并且弹性模量与断裂韧度的线性关系受峰值载荷的影响.