【摘要】 为了进一步探索煤层气的赋存和运移特征，研究利用原子力显微镜(AFM)对五种变质煤的微表面形貌、粘附性和弹性模数进行了测量。

长期以来，煤层气给煤矿安全生产带来了种种问题[1]。此外，天然气和煤层气的开采也引起了人们的关注[2]。

 

煤层气的赋存和运移与煤的微观表面性质密切相关[3]。为了进一步探索煤层气的赋存和运移特征，研究利用原子力显微镜(AFM)对五种变质煤的微表面形貌、粘附性和弹性模数进行了测量。结果表明，煤的微观形貌在40 nm左右波动，最大可达66.5 nm，表面粗糙度随变质程度的增加而减小。煤微表面弹性模数变化范围为95.4~9626.41 Mpa，附着力变化范围为15.08nN~436.22 nN，均随变质程度的增加呈“M”字形变化。此外，附着力与微地形起伏之间存在很高的相关性。在大多数情况下，粘附力在凹面区域较大，在凸面区域较小。

 

研究成果为揭示煤层气的赋存和运移提供了一种新的方法，保证了煤层气的高效安全开发。用原子力显微镜(AFM)测量了5种变质煤(Ro为0.90%~2.47%)的微观表面形貌、附着力和弹性模量。分析了变质作用对这些参数的影响机理，讨论了表面形貌与附着力的关系及其原因煤的微表面形貌在40 nm左右波动，表面粗糙度受变质作用的影响较大：随着变质程度的增加，表面粗糙度减小。这是因为煤化作用使煤体更加均匀，内部缺陷程度降低。此外，在煤的微观表面，表面凹凸度的变化较小。

 

煤的微表面弹性模数变化范围为95.4~9626.41 Mpa，附着力变化范围为15.08nN~436.22 nN，均随变质程度的增加呈“M”形变化。初步分析认为，变质作用通过影响煤的官能团类型、数量和孔隙结构来影响微表面的粘附性，且这种影响是非线性的。煤的微观表面附着力与表面形貌起伏有较高的相关性。在大多数情况下，微表面凹陷区的附着力较大，凹凸区的附着力较小。分析表明，一方面，表面凹陷导致煤粒增多，从而使探头尖端受到作用力；另一方面，凹陷区域容易积聚电荷，导致库仑力增大。以上两个因素共同导致了粘附力的增加。

 

原子力显微镜可以作为研究煤体微观表面力学特性的有效手段，也为煤层气吸附解吸和煤与瓦斯突出的研究提供了新的思路。为了进一步分析，需要对突出煤和非突出煤的微观表面力学性质进行对比研究。

 

[1] C. Wang, B.B. Li, Q.M. Liang, and J.C. Wang, Has China’s coal consumption already peaked? A demand-side analysis based on hybrid prediction models, Energy, 162(2018), p. 272.

[2] Y. Hao, Z.Y. Zhang, H. Liao, and Y.M. Wei, China’s farewell to coal: A forecast of coal consumption through 2020, Energy Policy, 86(2015), p. 444.

[3] P. Cienfuegos and J. Loredo, Coalbed methane resources assessment in Asturias (Spain), Int. J. Coal Geol., 83(2010), No. 4, p. 366.

 

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