纳米压痕技术揭示腐殖煤与腐泥煤的断裂特性与蠕变行为：对煤层气高效开采的微观机制启示

针对煤层气开采中煤岩微观力学特性不明的问题，研究人员通过X射线衍射、拉曼光谱和纳米压痕技术，首次系统研究了腐殖煤与腐泥煤及其显微组分（镜质体、惰质体、藻类体）的断裂韧性（Kc）、脆性指数（B）及蠕变参数（E1、η2、n等），发现惰质体力学性能最优且抗蠕变能力最强，藻类体则易发生蠕变。该研究为优化煤层压裂设计和深部煤岩稳定性评估提供了理论依据。

　　

研究背景与意义
煤层气作为低碳清洁能源，其高效开发对实现碳中和目标至关重要。然而，煤岩的微观力学特性——尤其是断裂与蠕变行为——直接影响水力压裂效果和深部井筒稳定性。现有研究多聚焦煤岩整体弹性模量（E）和硬度（H），但对显微组分（如藻类体）如何影响断裂韧性（K_c）和蠕变参数（如应力指数n）仍缺乏系统认知。这一问题制约了压裂工艺优化与地质灾害防控。

研究方法
中国的研究团队选取新疆塔里奇克组腐殖煤（BC）和山西组腐泥煤（DH）为样本，通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱解析其化学结构差异，结合纳米压痕技术测定显微组分的断裂参数（K_c、B）和蠕变参数（E₁、η₂、接触蠕变模量C等）。

研究结果

1. 显微组分力学性能排序
   惰质体>镜质体>藻类体，其中惰质体的K_c（0.93 MPa·m^0.5）和B值最高，藻类体最低。腐殖煤整体力学性能优于腐泥煤。

2. 蠕变行为差异
   藻类体的蠕变位移（h_creep）最大，惰质体最小；蠕变应力指数n与芳香层间距呈负相关，表明化学结构是主导因素。

3. 化学结构影响机制
   XRD显示腐殖煤的芳香层堆叠度（L_c）更高，拉曼光谱证实其缺陷密度更低，共同导致其更强的抗断裂与抗蠕变能力。

结论与意义
该研究首次建立了煤岩显微组分-化学结构-力学性能的关联模型，揭示藻类体的低脆性易引发蠕变变形，而惰质体的高刚性利于维持裂缝稳定性。成果发表于《Geomechanics for Energy and the Environment》，为深部煤层气压裂参数优化和井筒设计提供了微观尺度理论支撑，同时拓展了地质材料蠕变机制的认知边界。