摘要
构造煤摩擦面物理、化学结构变化记录了构造煤形成演化过程，现有研究较少涉及摩擦面分子结构演化的理论研究。为研究不同序列构造煤摩擦面发育特征以及分子结构的演化过程和机制，以宿县矿区祁南矿典型构造煤样品为研究对象，通过宏观观测构造煤摩擦面形貌特征，发现构造煤中主要发育条痕摩擦面和镜面摩擦面2种类型摩擦面，同时随着剪切摩擦作用增强，构造煤摩擦面逐步由条痕摩擦面向镜面摩擦面演化过渡。原位分子结构测试结果表明，构造煤摩擦面上分子结构演化遵循应力降解—应力松弛— 应力重排—应力缩聚的演化过程和模式。随剪切摩擦作用增强，摩擦面上稳定性较差的脂肪侧链及部分含氧官能团优先发生应力降解作用，使得芳香结构的取代基数量减少，同时导致芳香化程度增加，生烃潜能降低。应力降解作用下构造煤摩擦面分子结构活动性增强，促进分子结构的应力重排作用，加之剪切摩擦作用下，摩擦面煤分子结构发生应力缩聚作用，从而促使构造煤摩擦面上芳香度和缩聚程度升高。
Abstract
The physical and chemical structural changes of friction surfaces in TDCs record the formation and evolution process of TDCs, however, existing research rarely involves theoretical studies on the molecular structure evolution of friction surfaces. To investigate the development characteristics of friction surfaces and the evolution process and mechanism of molecular structures in TDC of different sequences, typical TDC samples from the Qinan Mine in the Suxian mining area were selected as the research object. Through macroscopic observation of the mor-phological characteristics of the friction surfaces in TDCs, it was found that the development of streaked friction surfaces and mirror-like friction surfaces two main types of friction surfaces. As the shear friction effect intensifies, the friction surfaces in TDCs gradually evolve from streaked friction surfaces to mirror-like friction surfaces. In-situ molecular structure testing results indicate that molecular structure evolution on the friction surfaces of TDCs follows the process and pattern of stress degradation, stress relaxation, stress rearrangement, and stress polycondensation. With increasing shear friction, the less stable aliphatic side chains and some oxygen-containing functional groups on the friction surfaces undergo stress degradation preferentially, leading to a reduction in the number of substituents on the aromatic structures and a decrease in hydrocarbon generation potential. The stress degradation increases the molecular structure-activity on the friction surfaces of TDCs, promoting stress rearrangement of the molecular structures. Additionally, under shear friction, the molecular structures on the friction surfaces can also undergo stress polycondensation, thereby increasing the aromaticity and polycondensation degree on the friction surfaces of TDCs.
0 引言
煤炭是中国的主体能源，当前中国的经济发展状况决定了在未来相当长的时间内，煤炭将继续保持重要地位（孙璐伟和宋兰，2019）。然而煤与瓦斯突出事故严重影响煤矿安全生产工作，近年来中国煤与瓦斯突出事故发生的强度、规模和复杂程度不断升级，随着开采深度的增加，这种情况更加明显 （车飞翔等，2021）。强变形构造煤发育区往往是煤与瓦斯突出事故发生的高风险区域。煤在长期复杂的构造应力作用下，物理、化学结构均会发生演变，形成分子结构、孔隙特征、吸附特性、解吸和扩散能力及渗流特征等均异于原生结构煤的构造煤，使得煤与瓦斯突出风险大大增高，由此可见构造煤在煤矿安全开采中扮演着重要角色（Baysal et al.， 2016；潘结南等，2019）。
煤岩体在构造应力作用下，破碎块体之间往往发生强烈的剪切摩擦作用，近年来学者们对于煤矿动力灾害发生过程中煤岩摩擦作用的关注度不断增加。Jiang et al.（2013）采用煤摩擦电磁辐射监测的双剪摩擦试验方法，探究了煤岩在摩擦滑动过程中的位移演化规律和声发射特性。李利萍和潘一山（2020）认为块系岩体在周围荷载作用下易发生超低摩擦滑动失稳，从而诱发冲击地压动力灾害，并通过开展模拟实验揭示了深部煤岩体超低摩擦效应能量特征。李红平等（2023）对宽沟煤进行摩擦实验，得到煤在不同加载速率下声发射和电磁辐射的信号特征。由此可见，现有研究多集中于捕捉煤岩动力灾害发生过程中煤岩摩擦产生的声电信号，强调煤岩摩擦面在动力灾害防治中的应用研究，对煤岩摩擦面表面结构演化特征及机理方面的研究涉及较少。事实上，岩石剪切面上广泛发育剪切薄壳（膜），在剪切滑动作用下具有圆度和球度的纳米粒子可被变异并形成层状结构和各种构造型式，剪切摩擦的主导作用纳米粒子层可称为摩擦黏性薄层带（孙岩等，2008）。脆性剪切层属强摩擦黏滑滑移，是由动态摩擦黏滑滑移引起的，而韧性剪切属弱摩擦蠕滑（或平滑）滑移，则称静态摩擦 （孙岩等，2018）。类似于岩石的剪切摩擦，构造应力作用形成的破碎煤岩体内部易形成剪切摩擦面，在强烈的剪切摩擦作用下其表面化学结构、组成成分等均可能发生改变，研究掌握煤岩体摩擦面表面化学结构演化对应用研究的发展大有裨益。构造煤是煤与瓦斯突出的必要条件之一，内部也往往发育大量摩擦面，其表面的物理、化学结构特征能够为煤与瓦斯突出预测提供指标，同时这些变化记录着构造煤形成演化的重要信息，有助于揭示构造煤的形成过程和机理，从而进一步丰富煤与瓦斯突出机理。
傅里叶变换红外光谱（FTIR）主要通过材料吸收的红外辐射波长差异来确定官能团的存在、种类和信息，目前被广泛应用于构造煤分子结构分析。琚宜文等（2005）通过红外光谱法测试，计算获得构造煤结构成分变化特征，并基于构造煤形成的变质变形环境分析揭示了结构成分应力的效应。郭德勇等（2016）利用FTIR等技术分析了平顶山矿区构造煤与原生结构煤的分子结构差异性特征，阐明了构造煤在生烃潜能、脂肪链长及支链化程度、芳脂比和芳碳率等方面的变化规律。Zhang et al.（2021） 使用FTIR技术测试分析了中级构造煤和原生结构煤的化学结构与参数特征，研究了中煤级构造煤的纳米级结构跳跃机理。李宗翔等（2023）借助FTIR 等分析方法测定了断层构造煤化学结构参数，发现断层构造作用促进了煤中非芳香化合物向芳香化合物的转化，提高了煤的芳香度和成熟度，并降低了其燃烧反应性。Wang et al.（2023）运用FTIR技术测试分析了构造煤的化学结构，揭示了构造作用对瓦斯吸附能力的影响机理。
由于构造煤摩擦面表面煤样制取困难，普通的红外光谱测试技术难以满足需求，因此需要将衰减全反射（ATR）技术与傅里叶变换（FTIR）技术结合开展煤摩擦面表面化学结构原位测试。ATR-FTIR 主要用于分析物质表面的化学结构，适用于煤化学结构测试，分析过程快速简便，无需复杂的样品制备步骤。目前ATR-FTIR已广泛运用在煤原位分子结构的表征研究。Orrego et al.（2010）利用ATR-FTIR光谱获得了煤的结构参数，并根据光谱数据和煤中的元素分析对芳香度因子、脂肪-芳香度等进行了评估。Li et al.（2010）利用ATR-FTIR技术对不同有机硫含量的烟煤显微组分进行了研究，发现高有机硫含量的煤样伴随着较大比例的脂肪族官能团。余晓露等（2012）利用ATR-FTIR技术对华北石炭系煤的有机镜质组和惰质组显微组分进行原位测试，发现随着煤岩有机显微组分的演化，生油潜力逐渐降低，生气潜力增加，脂肪烃含量减少，含氧基团减少，芳香烃含量和芳构化程度增加。Hazrin-Chong et al.（2014）通过ATR-FTIR测量煤定植表面萤光假单胞菌存在所产生的独特氧化峰，对光谱高斯峰拟合分析，结果表明过氧化物相关酶与煤的氧化有关。Cui et al.（2019）使用ATR-FTIR等方法测试计算了无烟煤的碳骨架结构和煤结构的12个特征参数，根据光谱确定了碳骨架的振动模式、氧的几种缔合形式以及不同类型的官能团，构建了芳香族碳的17个基本结构单元。由此可见，ART-FTIR 在煤表面分子结构研究中应用广泛，方法成熟可靠，可以用于表征构造煤摩擦面分子结构演化特征。
鉴于此，本研究以祁南矿72煤为研究对象，通过运用ATR-FTIR原位分析测试方法来表征原生结构煤裂隙面和构造煤摩擦面分子结构演化特征，并基于构造煤形成的应力-应变环境及摩擦面形貌演化特征分析，深刻揭示构造煤摩擦面形成机制及其表面化学结构演化机理。
1 样品和实验
1.1 样品
实验所用煤样均采自宿县矿区祁南矿72煤（图1），为矿区主采煤层。矿井是宿南向斜转折端一处由NS转至EW、向SW突出的弧形单斜构造，地层走向受宿南箱状向斜的控制。中部及东部地层倾角北部略陡，矿井的中部及东部发育次一级褶曲，轴向与地层走向一致，地层倾角较小为7°~15°，应力相对集中，以NNE和NWW向断层构造发育为主，褶皱发育相对较弱（沈士成和刘伟，2005；李明，2014； 刘和武，2020；侯晨亮，2023）。选择相似地质背景的样本，减少因成煤条件不同而引入的差异。通过工业分析测定煤的挥发分等含量，控制煤岩样本的变质程度和热演化程度相近。设计对比实验，将原生结构煤样作为对照组，构造煤作为实验组。规避其他因素的影响，探究构造应力影响下摩擦面分子结构的差异。
实验煤样工业分析与元素分析结果表明（表1），不同类型构造煤样品挥发分含量为33.85%~38.38%，属于中高挥发分煤；硫含量相对较低，在 0.22%~0.42%，属于低硫煤；固定碳含量为83.75%~85.63%，属于烟煤，因此本次实验煤样为中高挥发分的低硫烟煤。
通过宏观观测构造煤变形特征，依据结构-成因分类方案将本次采集的构造煤划分为脆性、脆韧性以及韧性3个变形序列6种类型（琚宜文等， 2004）。不同类型构造煤典型变形特征如下：（1）原生结构煤受构造应力作用影响较弱，煤岩组分清晰可见，内生裂隙较少发育，手试强度较高（图2a）； （2）碎裂煤煤岩组分清晰可辨认，裂隙发育稀疏，裂隙面平直且延伸稳定，煤体被破碎成碎块状，手试强度高难以捏碎（图2b）；（3）碎斑煤局部发育多组细小、紊乱裂隙，将煤体切割破碎为大小不等的碎块和碎粒，手试强度较低，易捏成碎粉碎粒，煤岩组分不可见（图2c）；（4）片状煤多呈扁平板状块体，煤体发育一组平直稳定的优势裂隙，手试强度相对较高，可捏碎为棱角状碎片或碎粒，层理和内生裂隙清晰可见（图2d）；（5）碎粒煤的煤体被完全破碎为松散的碎粒和碎粉，裂隙发育密集，煤体手试强度低，易被捏成碎粉，煤岩组分不可见（图2e）；（6）鳞片煤由于受强烈剪切作用，以一组优势发育的裂隙为主，被破碎成细长鳞片状或柳叶状碎片，煤体多被摩擦面包裹，手捻易碎成鳞片状或细粒状，煤岩组分不可见（图2f）；（7）揉皱煤的煤岩组分发生揉皱弯曲变形，发育典型的揉皱结构，易捏成碎粒或碎粉（图2g）。
表1煤样煤质分析（%）
图2构造煤宏观变形特征图
a—原生煤；b—碎裂煤；c—碎斑煤；d—原生煤；e—碎裂煤；f—碎斑煤；g—碎裂煤
1.2 ATR-FTIR
制样：选择具有代表性的典型样品，沿构造煤发育的节理方向，剥离出含典型摩擦面的合适大小薄片样品（图3），薄片尺寸约0.5 cm×0.5 cm。制备过程中需佩戴一次性灭菌手套，以避免样品受到二次污染。
图3样品制取示意图
实验步骤：采用美国赛默飞公司生产的Nicolet is50 红外光谱仪对构造煤摩擦面分子结构进行测试，测试范围为525~4000 cm-1，测试分辨率为4.0 cm-1，累加扫描次数为32次。测试前需测定背景红外光谱，得到空气背景值，再将薄片样品固定在样品台上测试。为了确保测试结果的可靠性，随机选取摩擦面上2个测点进行测试。
数据处理：基于摩擦面样品2个测点的实验数据，利用Origin2022分别绘制测点红外光谱谱图，并采用PEAK fit（v4.12）软件对2组红外光谱分段进行分峰拟合，取二者平均值作为摩擦面分子结构最终测试结果，以便消除偶然误差，提高测试的可靠性。
2 结果分析
2.1 构造煤摩擦面发育特征
构造应力作用下破碎煤体内部发生相对位移，导致摩擦面广泛发育于构造煤中，因此摩擦面的发育与构造煤形成的应力-应变环境密切相关（图4）。不同变形强度构造煤发育的滑动摩擦面形貌特征具有差异性，基于摩擦面宏观形貌特征，将摩擦面划分为条痕摩擦面与镜面摩擦面两大类，其中镜面摩擦面又可细分为3个亚类，即波状镜面摩擦面、条痕镜面摩擦面以及平直镜面摩擦面（刘和武， 2020）。通过宏观观察样品摩擦面，总结分类各摩擦面所发育的主要煤体类型和变形序列，发现原生结构煤受构造应力作用影响较小，摩擦面基本不发育（图4a），条痕摩擦面形成于相对较低的应力强度和较快的应变速率条件下，表现为脆性变形特征； 而镜面摩擦面则形成于相对较高的应力强度和较慢的应变速率条件下，表现为塑性变形特征。这两种摩擦面的相互转化也是由应力-应变环境的持续作用所导致的。随着构造煤变形作用增强，剪切摩擦作用亦不断增强，使得构造煤中摩擦面广泛发育，并呈现从条痕摩擦面向镜面摩擦面演化过渡的趋势。
2.1.1 条痕摩擦面
在脆性变形构造煤中，主要发育条痕摩擦面 （图4b、c、e），尤其是碎裂煤和碎斑煤。相对于其他类型的构造煤，脆性变形构造煤在较高的应变速率作用下发生快速变形，变形强度低，煤体破碎颗粒磨圆度低，多呈棱角状，粒径大，且破碎煤体硬度相对较高，因此在发生相对位移时，容易在剪切摩擦面上形成一系列平行排列的凹槽或沟壑。这种在一对煤“摩擦副”中，破碎块体之间相互接触，并发生相对位移时，硬质颗粒的棱角峰嵌入煤体中，在剪切滑动中犁出一条沟槽的现象，在摩擦学中被称为“犁沟效应”（卢方杰，2018）。条痕摩擦面的产状通常平直稳定，偶见阶步陡坎，条痕的方向指示着摩擦面两侧煤体的相对运动方向。
2.1.2 镜面摩擦面
镜面摩擦面主要发育在碎粒煤、鳞片煤以及揉皱煤中（图4f~k）。镜面摩擦面往往光滑、有镜面光泽，多呈波状起伏，偶见条痕发育。煤体在强烈的构造应力作用下，经受强烈的破碎和研磨，发生细粒化作用，破碎颗粒的磨圆度高，粒径小。当煤体发生相对位移时，细小的颗粒弥散分布在摩擦表面，同时由于摩擦热等原因，摩擦面表面形成光滑、具有光泽的“涂层”，发生类似摩擦学中的“摩擦釉化”作用（孙岩等，2018）。镜面摩擦面又可细分为3 个亚类：（1）平直镜面摩擦面，多发育于韧性变形序列的揉皱煤，由于构造应力作用下煤体韧性变形发育程度低，因此多表现为平直、平滑、光亮的镜面摩擦面（图4k）；（2）条痕镜面摩擦面，多发育于碎粒煤，在剪切摩擦过程中，由于碎粒煤破碎颗粒的磨圆度中等，粒度相对较大，因此可在摩擦面上刻划形成具有细微条痕和条纹的弱条痕结构，摩擦面表面仍具有镜面光泽，整体较光滑，兼具摩擦条痕和摩擦镜面两种形态特征（图4j）；（3）波状镜面摩擦面，由于受到强烈构造应力作用，煤体发生强烈的韧性变形，使得镜面摩擦面呈波浪状，摩擦面通常伴随有碎屑化、脆裂等特征（图4d、i）。
图4构造煤摩擦面发育特征图
a—原生煤；b—碎裂煤；c—碎裂煤；d—碎斑煤；e—碎粒煤；f—碎斑煤；g—片状煤；h—鳞片煤；i—揉皱煤；j—揉皱煤；k—揉皱煤
2.2 红外测试结果分析
煤红外谱图（525~4000 cm−1）通常划分成4个部分（图5a）：芳香结构区域（700~900 cm−1）（图5b）；含氧官能团区域（1000~1800 cm−1）（图5d）；脂肪侧链吸收区域（2800~3000 cm−1）（图5c）；羟基区域 （3000~3600 cm−1）（图5e）（琚宜文等，2005；刘琬玥等，2018）。利用PEAK fit（v4.12）软件对4个范围内光谱反卷积，再根据光谱的二阶导数确定拟合峰的大致位置和数目，调整吸收峰的半峰宽和高度，以原煤光谱曲线和拟合光谱曲线之间的残差平方和为最小目标函数进行拟合，并基于拟合结果计算摩擦面上煤分子结构参数，主要包括脂肪侧链、含氧官能团以及芳香结构的相关结构参数（表2）。
表2红外光谱结构参数
2.2.1 脂肪结构演化特征
2800~3000 cm-1（脂肪结构）范围内的谱峰可解叠4个拟合峰（图5f），分别为：CH2 对称伸缩振动 （vsCH2，2859 cm-1）、CH伸缩振动（CH，2892 cm-1）、 CH2 不对称伸缩振动（vasCH2，2919 cm-1）、CH3 不对称伸缩振动（vasCH3，2954 cm-1）。其中，CH3 为脂环、脂肪烃及芳烃侧链的支链部分，CH2 是脂肪链及芳烃侧链的直链部分（张莉等，2013）
构造煤中不同类型摩擦面上脂肪侧链含量分布呈规律性变化，原生结构煤裂隙面上CH2 /CH3 比值高于构造煤摩擦面，同时随剪切摩擦作用增强摩擦面上CH2 /CH3 比值逐渐降低（图6a）。脂肪侧链中 vasCH3 的含量在原生结构煤裂隙面为0.42~0.44，平均为0.43，在鳞片煤发育的镜面摩擦面上达到最高值0.94。由此可见，随着剪切摩擦作用增强，摩擦面上脂肪侧链不断发生断裂脱落，支链化程度不断升高。此外，由于受到更为强烈的剪切摩擦作用影响，鳞片煤摩擦面上脂肪侧链的断裂程度要高于其他类型构造煤，因此摩擦面上脂肪侧链的vasCH3 含量达到顶峰。同时随着剪切摩擦作用增强，构造煤摩擦面的生烃潜能'A'值逐渐降低，生烃潜能主要与脂肪侧链发育程度有密切关系，剪切摩擦作用下摩擦面煤分子结构的支链化程度升高，脂肪侧链发生断裂脱落，从而致使生烃潜能降低。
图5构造煤摩擦面红外光谱拟合示意图
a—构造煤红外光谱总图；b—700~900 cm-1区域分峰拟合；c—2800~3000 cm-1区域分峰拟合；d—1000~1800 cm-1区域分峰拟合；e—3000~3600 cm-1区域分峰拟合；f—脂肪侧链区域峰归属
2.2.2 含氧官能团演化特征
（1）3000~3600 cm-1羟基区域
3000~3600 cm-1（羟基区域）范围内的谱峰可解叠5个拟合峰（图5e），分别是：羟基和N原子形成的氢键（OH-N，约3170 cm-1）；环羰基（OH-Cyclic，约 3220 cm-1）；醚氧羟基（OH-ether，约3300 cm-1）；自缔合羟基（OH-OH，约3410 cm-1）；π键缔合的羰基 （OH-π，约3520 cm-1）。构造煤摩擦面煤分子结构中的羟基主要包括OH-ether和OH-OH，其次为 OH-N和OH-Cyclic。随着剪切摩擦作用增强，OH-ether含量呈现先降低再升高的趋势，表明弱脆性变形阶段剪切摩擦作用使醚键断裂，导致OH-ether含量降低；由碎粒煤至揉皱煤随着剪切摩擦作用进一步增强，可能是由于摩擦面上脂肪侧链断裂生成羟基自由基，导致OH-ether含量又逐渐升高。构造煤摩擦面上OH-Cyclic含量均低于原生结构煤裂隙面，表明剪切摩擦作用能够促使OH-Cyclic断裂。此外，随着构造煤剪切摩擦作用增强，OH-OH相对含量不断升高，这主要也是由于剪切摩擦作用下脂肪链断裂产生的大量羟基自由基，使得OH-OH更容易形成（张兴贵等，2024）。
（2）1000~1800 cm-1含氧官能团区域
含氧官能团区域（1000~1800 cm-1）可解叠16个拟合峰（表3；图5d）。构造煤摩擦面上含氧官能团主要由II类和IV类氧构成，即Ar-O-C，Ar-O-Ar中 C-O-C伸缩振动和芳基醚中的C-O振动；其次为III 类氧和I类氧，即叔醇，醚的C-O振动和Ar-O-C中 C-O-C伸缩振动。相较于原生结构煤裂隙面，摩擦面上II类氧含量呈现降低趋势，表明剪切摩擦作用会导致醚键断裂脱落（图6c）；随着剪切摩擦作用增强，构造煤摩擦面上IV类氧含量下降，表明摩擦面芳基醚中的C-O振动变弱，这是由于芳基醚的C-O键在剪切摩擦作用下发生断裂，尤其是在强变形的鳞片煤与揉皱煤摩擦面上（图6c）；同样地，III类氧和I类氧含量也随剪切摩擦作用增强呈现下降趋势 （图6d），即叔醇、醚的C-O振动和Ar-O-C中C-O-C 伸缩振动减弱，表明剪切作用会促进摩擦面上C-O 断裂。由于受到强烈的剪切摩擦作用，片状煤摩擦面上与I类氧、II类氧和III类氧相关的C-O键断裂程度最高，含量达到了最低值。由此可见，随着剪切摩擦作用增强，摩擦面上不同类型的含氧官能团含量整体均呈现降低趋势，主要是由于剪切作用导致这些含氧官能团发生断裂。
'C'代表含氧管能团的C=O对于C=C伸缩官能团的变化，反映了煤的成熟度。随着剪切摩擦作用增强，'C'先减小再逐渐增大（图6a），在碎斑煤摩擦面上达到最低值。由碎裂煤至碎斑煤阶段，剪切摩擦作用使得C=O键快速断裂脱落使'C'值减小，构造煤成熟度降低；由片状煤至揉皱煤阶段，摩擦面上 'C'值的升高是由于剪切摩擦导致侧链结构断裂，使得C=C双键数量减少（李焕同等，2023），饱和化合物的相对含量增加，'C'值逐渐增大。
表3含氧官能团归属
注：表中数据据宋昱（2019）。
图6构造煤摩擦面分子结构特征参数变化趋势图
a—部分红外光谱结构参数图；b—羟基官能团分布特征图；c—I、II类氧分布图；d—III、IV类氧分布图；e—苯环取代类型占比图
2.2.3 芳香结构演化特征
芳香结构（700~900 cm-1）范围内的谱峰可解叠 3个拟合峰（图5b）。构造煤摩擦面上煤分子结构的芳香环主要有3种取代方式：苯环五取代（850~900 cm-1）、苯环三取代（800~850 cm-1）和苯环二取代 （730~780 cm-1）。随剪切摩擦作用增强，摩擦面上苯环二取代含量升高，表明构造煤摩擦面上苯环取代方式发生改变，这是由于剪切摩擦作用下脂肪侧链断裂脱落，导致苯环上取代基数量的减少，二取代结构含量增加并逐渐占据主导地位（图6e）。
芳香度I1 反映芳香氢相对含量的变化，摩擦面上I1 的含量高于原生结构煤裂隙面，与剪切作用下的脂肪侧链发生环化缩合有关（宋昱等，2022）。随着剪切摩擦作用增强，构造煤摩擦面上芳香度I2 逐渐增大（图6a），表明摩擦面芳香化程度增加，芳环数量增多，推测可能与脂肪结构脱落以及芳香结构苯环取代基团减少引起的假象有关（李霞等， 2015），或是由于芳环的拼叠缩合导致I2 增加。 DOC1 是芳环CH面外变形振动与1600 cm-1处芳香烃C=C双键振动的比值，DOC2 是苯环取代含量与C =C双键振动的比值。DOC1 和DOC2 共同表征芳环的缩聚程度，随剪切摩擦作用增强二者整体均逐渐升高（图6a），表明剪切摩擦作用增强能够促进小型多环芳香分子拼接叠合、旋转定向为大尺度芳香结构 （束振宇等，2023）。
3 摩擦面煤分子结构演化模式及机理
3.1 演化模式
如图7所示，剪切摩擦作用下，构造煤摩擦面上煤分子结构中稳定性较差的含氧官能团，如C-O和 C-O-C伸缩振动等优先发生断裂脱落，甚至可形成 COx 气体发生逸散（李小诗等，2012）；同时剪切摩擦作用能够抑制OH-Cyclic和OH-π缔合，使其相对含量降低。此外，随着剪切作用增强，构造煤摩擦面上脂肪侧链也不断发生应力降解并脱落，支链化程度CH2 /CH3 不断增强，甚至能够形成烃类气体等逸散（杜昆，2016），导致生烃潜能‘A'逐渐降低。这种构造应力作用于煤有机大分子，使煤芳环结构上的侧链、官能团等分解能较低的化学键断裂过程称为应力降解作用（Yang et al.，2021）。
其次，含氧官能团、脂肪侧链结构等作为构造煤摩擦面大分子中的重要连接结构，在剪切摩擦作用下的断裂会促使煤大分子结构转化为低分子量结构，同时煤分子结构间的束缚作用力减弱，大大增加了煤分子结构的活动性，提高了碳分子的有效碰撞效率（Yang et al.，2021），有利于构造煤摩擦面分子结构发生应力松弛作用（刘和武，2020），为应力缩聚、重排提供必要条件。
再次，构造煤摩擦面煤分子结构在应力降解与应力松弛作用下活动性增强，在剪切摩擦作用下摩擦面分子结构能够进一步发生应力重排作用，使得层状芳香结构发生移动调整，芳环叠片可通过旋转、位移等方式，形成趋于平行定向排列的构型 （Pan et al.，2017），使得摩擦面分子结构有序化程度增加。
图7构造煤摩擦面分子结构演化模式图
最后，随剪切摩擦作用增强，摩擦面煤分子结构发生应力缩聚作用，一方面，脂肪侧链在剪切摩擦作用下发生环化缩合作用，使得构造煤摩擦面分子上I1 和I2 含量逐渐增大，芳香度高于原生结构煤裂隙面，且芳香氢相对含量的升高，芳环数量增多； 另一方面，小型多环芳香分子拼接叠合、旋转定向为大尺度芳香结构，使得摩擦面煤分子芳环缩聚程度DOC1 和DOC2 不断增强。
综上所述，构造煤摩擦面上煤分子结构演化总趋势表现为富碳、去羟基、脱氧，化学成分单一化、分子结构有序化等特征（曹代勇等，2002）。在剪切摩擦作用下，构造煤摩擦面分子结构演化过程主要包含4类作用模式：首先应力降解作用下稳定性较差的化学键发生断裂；其次在下应力讲解作用下构造煤摩擦表面分子结构的移动性增加，并产生低分子量结构，促使摩擦面分子结构发生应力松弛作用；最后，发生应力松弛后的分子结构在应力重排和应力缩聚作用下，摩擦面上煤分子结构拼接叠合、旋转定向以及重新排列，形成新的更稳定的分子构型。
3.2 演化机理
构造煤摩擦面煤分子结构的应力演化机理与构造煤所处应力-应变环境息息相关，因此不同变形序列构造煤中摩擦面分子结构的演化机理有所差异。
脆性变形构造煤往往形成于高应变速率环境，煤体变形强度低，破碎煤体颗粒多呈棱角状，摩擦面表面易形成“犁沟效应”。因此，在高速刻划摩擦作用下，脆性变形构造煤摩擦面表面快速升温，机械能转化为热能，这种热效应释放出的热量大于化学键的解离能（Han et al.，2017），为摩擦面分子结构演化提供能量基础。由此可见，脆性变形构造煤摩擦面上分子结构演化的主要受摩擦热效应控制。
与其他类型构造煤不同，脆韧性变形构造煤多形成于较强烈的剪切应力环境，煤体发育一组优势裂隙，多被切割呈薄片状或鳞片状。由于剪切应力可以直接作用于有机质分子结构，使低结合能的化学键发生断裂，从而诱发更为强烈的应力降解作用 （郭德勇等，2019），使得脆韧性变形构造煤摩擦面上分子结构中脂肪侧链、醚键的断裂程度要高于其他类型构造煤摩擦面。因此，脆韧性变形构造煤摩擦面分子结构演化的力直接作用效果要高于其他两个变形序列。
韧性变形构造煤多形成于低应变速率环境，构造应力作用下煤体被粉碎成低磨圆度的碎粒，剪切应力使之弥散在摩擦表面发生“釉化”，形成一层薄应变膜（Han et al.，2017）。剪切摩擦作用过程中机械能转化为应变能并通过分子的内部结构调整释放，促使煤分子结构发生环缩合与拼叠作用，摩擦面上芳香层发生应力重排与缩聚作用增强，这种机械能转化为应变能作用于分子结构的形式效率较高。
4 结论
（1）构造煤摩擦面的发育与其所处的应力-应变环境紧密相关，可划分为条痕摩擦面和镜面摩擦面2种类型。条痕摩擦面常见于脆性变形构造煤中，受高应变速率的脆性变形作用影响，煤体发生脆性破裂，摩擦面上易形成“犁沟效应”，发育摩擦条痕；镜面摩擦面则多发育于碎粒煤、鳞片煤以及揉皱煤中，在低应变速率及细粒化作用影响下，煤摩擦面上易发生“摩擦釉化”作用，形成附有“涂层” 的高光泽表面。
（2）随着剪切摩擦作用增强，构造煤摩擦面上脂肪侧链断裂脱落，支链长度减短，支链化程度增加，同时部分含氧官能团也发生断裂脱落，导致芳香结构的三取代类型减少，二取代比例升高并逐渐占据主导地位。随着脂肪侧链的应力降解，摩擦面煤分子结构发生超前演化，使得生烃潜能‘A'不断降低。另一方面，剪切摩擦作用下摩擦面上脂肪侧链能够发生环缩合作用，且芳香层片能够拼叠缩合、重新排列，使得芳香结构逐渐增多，芳香度I及缩聚度DOC均不断升高。
（3）剪切摩擦作用下，构造煤摩擦面上煤分子结构演化主要遵循应力降解—应力松弛—应力重排—应力缩聚的作用模式和路径，首先在剪切摩擦作用下稳定性较差的侧链发生应力降解，产生小分子量结构，且分子结构活动性大大增强，促使摩擦面煤分子结构发生应力松弛作用，最后在应力重排和应力缩聚共同作用下，摩擦面煤分子结构重新排列组合形成更稳定的新构型。摩擦面煤分子结构演化机理方面，脆性变形序列构造煤应变速率高，刻划摩擦作用下，机械能转化为热能摩擦面分子结构演化主要受摩擦热效应影响；脆韧性变形序列中剪切应力更为强烈，促进应力降解的发生，使得化学键断裂程度更高；韧性变形序列则主要通过低应变速率将机械能转化为应变能，作用于煤分子结构，发生应力重排和缩聚。