扫描电子显微镜和原子力显微镜--表面观察的互补技术

对于高分辨率表面观察,人们通常利用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM),特别是当分辨率在纳米和原子范围时,SEM和AFM是我们今天可以获得的最有效的两种显微技术。然而,任何一种仪器都不是万能的。本文就材料的表面结构、成分和环境对两种技术进行比较,并描述它们各自独立的特点和互补性。     

基于原子力显微镜观测的煤中显微组分微观形貌与孔隙结构

煤炭既是重要的能源资源,也是潜在的材料原料。作为能源时,煤的物理结构在其综合利用及转化中有不可忽视的作用,如煤中孔隙结构对煤层气的储存、吸附、运移、解吸等有关键性作用。作为材料原料时,能为高精尖产业提供优质原料来源,如煤基石墨、煤基石墨烯等。显微组分是煤的主要成分,对煤的属性及其应用贡献巨大。以榆横矿区小纪汗煤矿2号煤层样品（XJH）为研究对象,对煤中显微组分开展原子力显微镜（AFM）观测,分析镜质组、半丝质体和丝质体的微观形貌和孔隙结构特征,为该区煤的清洁高效利用夯实基础。结果显示,XJH煤显微组分的微观形貌以粒状结构为主,表面颗粒呈不同规则程度圆形或椭圆形随机分布;镜质组表面颗粒的功率谱密度分形维数Ds最大,颗粒空间充填能力和高低起伏程度大,随机性强,微观结构较复杂。半丝质体次之。丝质体Ds最小,颗粒分布较疏散,起伏程度较缓,微观结构较镜质组和半丝质体简单。孔隙结构方面,镜质组孔隙平均孔径和面积最小,但孔隙数量最多,且贡献主要来自孔径<2 nm的微孔,镜质组孔隙结构更利于煤层气的吸附和储存;惰质组平均孔径和面积大于镜质组,但孔隙数量更少,这是惰质组中孔径2～50 nm的介孔数...     

原子力显微镜在矿物加工领域中的应用现状

介绍了原子力显微镜的工作原理,综述了原子力显微镜在矿物加工领域中的应用现状。基于原子力显微镜的原理和特点,认为原子力显微镜将成为未来矿物加工研究的有力工具,为研究矿物表面的结构,理解矿物与溶液之间以及矿物之间的作用过程,探讨矿物作用机理提供了新的途径。     

原子力显微镜技术在矿物浮选中的应用现状

矿物的浮选体系是一个复杂的过程,现有的测试技术对于浮选机理的解释已经很难再有什么新的突破,引进新的测试技术是认识矿物浮选机理的一个重要途径。近年来,原子力显微镜(AFM)测试技术在矿物浮选中获得了重要应用,取得了重要研究成果。对AFM扫描成像和力学测量在矿物浮选中取得的研究进展进行了详细的论述,并对AFM在矿物浮选中的应用前景进行了展望。     

二氧化氯作用下不同煤阶煤的表面改性研究

采用不同煤阶煤与二氧化氯作用,通过光学显微实验及亲水性实验共同研究了煤表面性质变化的特征。研究结果表明:煤样经二氧化氯作用后,煤表面不再平滑,出现了刻蚀孔洞,并伴随着新的微裂隙和粗糙度增加,连通性增强;测定了二氧化氯溶液的表面张力小于水的(同等条件下),处理后煤的接触角均有不同程度的降低,特别是沙曲矿焦煤由疏水性转变为亲水性。2个实验具有一定的相关性,共同表明二氧化氯作用下煤样表面改性后具有促使瓦斯渗透、运移及为采煤工作面起到降温、降尘的作用。     

不同变质程度煤岩微表面电性特征

为进一步研究煤岩电磁辐射产生机理,通过原子力显微镜研究了不同变质程度煤岩微表面电势及电荷密度等电性参数的变化规律,将煤岩表面微观电性特征研究推进到微纳米尺度。结果表明:煤体表面在细观或宏观统计层面上显弱电性或电中性,但在纳米尺度下对外显示一定的电性特征;计算得到了煤体表面电荷密度,不同煤样的表面电荷密度差异明显,在79. 95～312. 97μC/m2变化;煤的变质程度对表面电性参数存在重要影响:随变质程度的升高,煤表面负电势经历了先缓慢下降又快速升高的变化趋势,表面电荷密度呈现出先减小后增大的"V"型曲线变化。研究煤岩微结构的电性特征,对从微观层面进一步揭示煤岩电磁辐射机理、瓦斯吸附和解吸过程,乃至煤岩物质特性等具有重要意义。     

不同煤级煤纳米力学性能的Micro-Raman结构响应北大核心

煤的力学性质具有非均质性及多尺度效应,从纳米尺度认识煤力学性质及与其组成结构之间的关系,是理解煤储层的压裂改造机制及裂纹扩展机理的关键。利用原子力显微镜和显微拉曼对不同煤级煤的镜质组进行测试,获得煤样的力学和结构参数。结果表明:镜质组的弹性模量E在0.66~7.58 GPa之间,且弹性模量随镜质组最大反射率Ro的增加而增加;同时随着Ro的增大,拉曼结构参数呈现有规律的变化;将弹性模量E与拉曼结构参数建立关系,发现(G-D)峰位差、多环芳烃的相对含量与致弹性模量均呈现明显的正相关关系,FWHM-G与E呈现负相关关系,反映了结构有序度的增加会导致弹性模量增大,表明随着成熟度的增加,促使大分子结构排列紧密且分子间作用力增大,导致弹性模量也随之增大。     

表面化学在煤的选择性絮凝中的应用

通过对疏水性絮凝剂ＰＳ－５在煤和高岭土表面吸附量的测定和对高岭土在分散剂存在下动电位的测定，提出了选择分散剂和絮凝剂的新方法，研究了不同性质的絮凝剂对煤和高岭土混合样的选择性絮凝效率的影响。     

原子力显微镜及其在矿物加工中的应用

对原子力显微镜的基本原理、成像模式、实验装置及其在矿物加工中的新应用进行了评述和介绍。原子力显微镜将用于矿物表面原子级的显微在线分析, 可测量浮选体系中矿物的范氏力、水化力和疏水力。     

节理表面形貌的室内和现场量测及其应用

本文介绍了室内和现场岩石表面形貌量测的仪器和方法。为满足大范围现场原位节理表面形貌的量测需要,提出了表面形貌的分段测量理论.评述了表面形貌特征参数在节理闭合和剪切模型中的应用及节理表面形貌特征参数的尺寸效应。     

煤体结构与甲烷吸附/解吸规律相关性实验研究及启示

甲烷(CH_4)在煤体中的流动包含"渗流—扩散—吸附/解吸"3个环节,相比粉状煤,采用块状煤体进行CH_4吸附/解吸实验能够更有效地表征煤层中气体的流动状态。为此,依托渭北煤田韩城矿区煤样,利用自行设计的块煤吸附/解吸实验装置,研究了低压下块状同体积原生结构煤、碎裂煤和糜棱煤的CH_4等温吸附/解吸特性;采用显微CT和扫描电镜分析了3种煤样的孔裂隙结构和显微构造,探讨了煤体结构对CH_4吸附/解吸的影响。结果表明:不同煤体结构煤的CH_4吸附/解吸特性有显著差异。结构致密的原生结构煤,孔隙度较低,导致CH_4吸附/解吸平衡时间长,吸附量低,解吸率低;相比原生结构煤,脆性变形碎裂煤张裂隙发育且相互贯通,孔隙度变大,连通性好,导致CH_4吸附/解吸平衡时间变短,吸附量升高,解吸率增大;韧性变形糜棱煤孔隙数量虽增多,但裂隙被揉皱闭合,形成孤立分布的孔隙结构,渗透性变差,导致CH_4吸附/解吸平衡时间最短,解吸速率最快,说明大多数CH_4仅吸附在块煤内构造变形作用下形成的粒间孔隙中。可知,碎裂煤储层是煤层气开发的有利区域;而致密原生结构煤和糜棱煤储层可尝试通过多尺度压裂、注热等技术手段实施储层改造以增加煤体裂隙通道,达到气井增产增效的目的。     

煤中常见矿物形态特征参数初步研究

借助岩石图像分析软件,对所选煤样的常见矿物形态特征参数进行系统的测试,将以往定性鉴别特征的指标定量化,旨在为开发新型煤岩组分自动识别系统提供可靠的基本技术参数.     

煤超细粉碎过程中的影响因素及形态分析

通过大量试验 ,对行星球磨法制备超细煤粉过程中的球磨转速、球煤质量比、球磨时间、助磨剂等主要因素对煤粉碎效果的影响进行研究 ,确定最佳工艺条件 ,并对煤粉碎过程中的形态变化进行分析     

武汉“青山层”成因与时代讨论

以青山剖面研究资料为基础,探讨“青山层”的成因与时代。结果表明,“青山层”中砂土层粒度组成与青山组中砂土层相同,粘土层粒度特征与现代长江边滩粘土层基本相同,青山组中粉砂土粒度特征与现代长江边滩粉砂土基本相同;粒度频率分布曲线呈多峰形态,累积曲线呈三段式,应是不同水动力环境下的河流边滩沉积。砂粒电镜扫描显示“青山层”与青...     

井工煤矿开采对坡面形态及侵蚀的影响研究

井工煤矿开采会引起围岩移动、地表形态改变,间接造成坡面侵蚀。基于大佛寺煤矿采采矿条件和土壤侵蚀特点,研究了黄土层厚度对采煤沉陷区不同坡形坡面形态及侵蚀的影响。利用FLAC3D 数值模拟软件对采煤引起的地表变形进行仿真模拟计算,结果表明井下采煤必然会引起坡面坡度增加、坡长减小,坡面侵蚀模数及径流模数增大,大于100m的黄土层厚度能有效控制坡面坡度增加、坡长的减小、坡面侵蚀模数和径流模数的增大。增大黄土层厚度,坡面侵蚀增大量由大到小对应的自然坡型排序为：直线坡、凸坡、凹坡、混合坡,且增大黄土层厚度,对于控制直线坡坡面形态和坡面侵蚀的影响更为有效。     

动力配煤技术在开滦煤炭销售中的应用

通过对开滦集团动力配煤煤质指标的影响规律及预测方法的研究,探索了如何制定切实可行的优化配煤方案,为企业提高市场占有率和获得更大的经济效益提供技术保证。     

温度冲击作用下煤的渗透率变化规律与增透机制

为了研究温度冲击条件下的煤体渗透性变化规律及增透机制,利用恒温箱和液氮对原煤煤样进行了两种条件下的温度冲击试验,分析了煤样在温度冲击前后的渗透率变化情况和微观裂隙发育情况,探讨了温度冲击过程中的声发射信号分布规律。试验结果表明:在经过冷冲击处理和热-冷冲击处理后,煤体的渗透率平均增幅分别为48.68%和469.24%,热-冷冲击处理过程中煤样的声发射能量峰值是冷冲击处理过程中煤样的声发射能量峰值的3.6倍,相比冷冲击处理,热-冷处理所产生的微裂纹数量更多,裂隙呈树枝状发育,增透效果更好;煤体性质的各向异性和温度冲击所产生的超过煤体抗拉强度的热应力是主要的增透机制。     

达摩沟废弃矿井煤矸石特性试验研究

 随着北京地区煤矿的陆续关停,门头沟区清水镇达摩沟废弃煤矿遗留下大量煤矸石,不仅造成安全隐患,而且对矿区生态环境带来种种负面影响。采用电镜扫描、X射线衍射分析、颗粒分析、物理力学性质测试等方法,对达摩沟废弃煤矿煤矸石宏观结构、微观结构、矿物成分、物理力学性质等进行了研究,提出了煤矸石综合利用与开发的建议,也为该地区废弃矿山地质环境保护与治理恢复提供了基础数据和设计依据。     

淮北矿区岩浆岩侵入对煤储层微孔隙特征的影响

以淮北矿区卧龙湖和海孜煤矿与岩床不同距离的23个煤样为研究对象,采用镜质组反射率(Ro)测定、低温液氮吸附试验、CO2吸附法测微孔(<2 nm)和扫描电镜的方法,对比分析了煤样的微孔(D-A微孔孔容、D-R微孔比表面积和微孔直径)、BET比表面积和与岩浆岩距离的关系。结果表明：靠近岩床,卧龙湖煤样Ro由2.74%增加到5.03%,海孜煤样Ro由2.30%增大到2.78%。卧龙湖岩床的接触变质作用使距离岩床0～5 m煤的微孔和BET比表面积变小,热演化作用增加了距离岩床5～60 m煤的微孔和BET比表面积。海孜巨厚岩床的热演化作用增加了距离岩床60～160 m煤的微孔和BET比表面积。扫描电镜发现热演化区煤样出现大量和岩浆活动有关的热解气孔。     

新元矿3号煤微孔裂隙特征研究

煤孔裂隙是控制煤层气吸附、解吸、扩散、渗流等的关键因素,其研究对井上下煤层气抽采具有重要指导意义。为了揭示新元矿3号煤微孔裂隙特征,采用扫描电镜对该矿3号煤微孔裂隙进行了观测研究。结果表明:新元矿3号煤中发育有气孔、角砾孔和摩擦孔等3种不同成因类型孔隙,孔隙的形态多样,孔隙大小一般为几百纳米至几十微米,孔隙基本不连通且被少量碎屑物充填,角砾孔连通性好但结构不稳定。煤中发育张裂隙和剪裂隙,裂口宽度一般为数百纳米至20μm,呈张开状且裂口中有少量煤屑所充填;张裂隙产状不稳定,延伸短且多呈弯曲状;剪裂隙产状稳定,定向延伸长;裂隙面粗糙程度不一,张裂隙面粗糙,剪裂隙面光滑平直。