AFM是一種用于分析表面形貌的儀器。其基本工作原理如圖１所示，將一個(gè)對(duì)弱力極其敏感的微懸臂固定在一端，另一端裝載一個(gè)微型探針。探針的原子與樣品表面的原子之間存在相互作用力。 當(dāng)探針接近樣品表面時(shí)，受力使探針和微懸臂發(fā)生波動(dòng)，通過(guò)對(duì)這些變化進(jìn)行檢測(cè)與轉(zhuǎn)換，從而呈現(xiàn)出樣品表面測(cè)量點(diǎn)的高度值。 基于此原理以一定間隔掃描區(qū)域內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)，從而獲得樣品表面形貌圖。

圖1.原子力顯微鏡基本原理與儀器

實(shí)驗(yàn)樣品選自山西大同忻州窯侏羅系煤（弱黏煤、編號(hào)a）、山西古交原相礦區(qū)山西組２號(hào)煤（焦煤、編號(hào)b）與太原組８號(hào)煤（瘦煤、編號(hào)c）、山西翼城上河礦區(qū)山西組２號(hào)煤（貧煤、編號(hào)d），利用原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)定量表征不同地區(qū)煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)及微觀力學(xué)性質(zhì)。

原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)樣品尺寸為5mm×5mm×4mm，待測(cè)表面經(jīng)過(guò)氬離子拋光處理。所用儀器為德國(guó)布魯克公司的Dimension Icon AFM，工作模式為峰值力輕敲模式，探針的彈性系數(shù)為200N/m，適用樣品范圍1～50GPa。實(shí)驗(yàn)單次視域掃描范圍（X方向×Y方向）為10μm×10μm。實(shí)驗(yàn)步驟如下：（１）將樣品置于載物臺(tái)上，并使樣品表面保持水平；（２）利用AFM儀器上配備的光學(xué)顯微鏡選擇掃描區(qū)域；（３）掃描測(cè)試區(qū)域并獲得表面信息圖像。

基于AFM實(shí)驗(yàn)，獲取了不同樣品的表面形貌（圖2），其中二維圖中的色度代表樣品表面的高度（圖2a-d）。AFM圖像顏色越亮、表明樣品表面高度值越大，顏色越暗、表明樣品表面高度值越小，表現(xiàn)出亮峰暗谷的特點(diǎn)；越復(fù)雜，反映孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。另外，通過(guò)觀測(cè)某一方向剖面的高度變化，能夠直觀顯示樣品的表面起伏狀況；其中，波谷代表了孔隙的分布情況（圖2e-h）。

基于AFM表面形貌圖，利用閾值分水嶺結(jié)合法，對(duì)不同樣品的表面孔隙進(jìn)行了標(biāo)定。如圖3所示，圖中藍(lán)色充填部分為標(biāo)定的樣品表面孔隙，可直觀地觀測(cè)到不同地區(qū)樣品之間孔隙發(fā)育程度與孔隙結(jié)構(gòu)存在一定差異，編號(hào)c樣品中大孔數(shù)量較多，而編號(hào)d樣品中大孔發(fā)育較少，以小孔和中孔為主。

圖3.基于閾值分水嶺結(jié)合法的ＡＦＭ圖孔隙表征結(jié)果

不同地區(qū)煤巖的表面粗糙度與分形維數(shù)較小、面孔率較低、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜性較弱。 孔隙主要分布于10～100nm之間，孔容與比表面積主要由10～100nm 的孔隙貢獻(xiàn)。 微觀楊氏模量主要分布于2.24～3.10GPa之間，平均2.77GPa，高于單軸及三軸實(shí)驗(yàn)得到的宏觀楊氏模量，主要因?yàn)槲⒂^尺度下AFM未考慮煤中割理對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響。

煤的微觀力學(xué)性質(zhì)受到物質(zhì)組成、孔隙結(jié)構(gòu)與熱演化程度等因素控制，隨著水分減少、揮發(fā)分增加及礦物含量增加，楊氏模量呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；隨著表面粗糙度、面孔率、比表面積及總孔容的增大，楊氏模量表現(xiàn)出減小趨勢(shì)；熱演化程度越高，楊氏模量越小。

原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)基于探針與樣品表面之間的相互作用力獲取樣品的表面形貌與力—位移曲線，利用圖像分割法與ＤＭＴ模型，實(shí)現(xiàn)了樣品微觀孔隙結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)的聯(lián)合定量表征，該方法所需樣品尺寸要求不高，具有不損傷樣品、經(jīng)濟(jì)成本低及操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于非常規(guī)儲(chǔ)層與常規(guī)儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)研究，尤其針對(duì)深部頁(yè)巖、煤儲(chǔ)層等柱塞取樣困難的儲(chǔ)層，顯示出巨大優(yōu)勢(shì)，可為深部?jī)?chǔ)層的儲(chǔ)集性與力學(xué)研究提供新的方法和思路。