矿物填充、芳香缩合与孔隙竞争对煤纳米力学性能的多尺度微结构调控机制及协同效应研究

本研究综合运用纳米压痕（DSI）、X射线衍射（XRD）等技术，揭示了煤体多尺度微结构（矿物组分、微晶结构与孔隙）通过"填充-缩合-竞争"协同机制调控纳米力学性能（弹性模量E与硬度H）的规律，为煤层气高效开采和地下储氢选址提供关键理论支撑。

　　

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Sample preparation

为解析非均质微结构对煤纳米力学性能的影响机制，研究选取宝德（BD）、漳村（ZC）和辛景（XJ）煤矿的原煤样本，采样后立即密封送至实验室。通过纳米压痕（DSI）、扫描电镜-能谱联用（SEM-EDS）和最大镜质组反射率测试，系统表征样本的力学性能与微观结构特征。

Nanomechanical properties

基于前期研究，将峰值载荷（p_max）设定为5 mN和10 mN，以规避高载荷导致的裂纹干扰，同时确保压痕深度足以获取有效力学参数。纳米压痕的加载/卸载速率设为0.5 mN/s，保载时间10秒。通过网格化测试策略（20×20阵列）避免相邻压痕间的相互影响，最终获取弹性模量（E）和硬度（H）的统计学分布。

Discussion

采用普通最小二乘法（OLS）回归分析，探究矿物含量、微晶结构参数与多尺度孔隙参数对力学参数（H和E）的线性关系。通过置信区间、p值与相对均方根误差等多指标验证模型可靠性，揭示多相耦合作用下煤纳米力学性能的主控因素。

Conclusions

研究通过纳米压痕技术（DSI）结合多种微观表征手段，阐明矿物组分（作为"填充相"）、芳香层微晶结构（主导本征力学性能）与多尺度孔隙（以微孔为核心调控因子）的协同调控机制，为深层资源开发与地下储氢选址提供了多尺度分析框架与理论基础。