張 昆，孟召平，金 毅，王保玉

（1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,河南 焦作 454003；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083)）

0 引言

原生結(jié)構(gòu)煤受構(gòu)造應(yīng)力破壞后，形成不同破壞程度的煤體結(jié)構(gòu)，不同煤體結(jié)構(gòu)煤的孔隙結(jié)構(gòu)有明顯差異性?？紫秲?nèi)表面是吸附氣存在的主要空間，研究不同煤體結(jié)構(gòu)煤的孔隙結(jié)構(gòu)、形態(tài)和連通性特征，有助于了解煤破壞變形后儲層氣體的吸附/解吸、擴散等運移規(guī)律的差異機理。目前對于多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究方法主要有射線法和流體注入數(shù)據(jù)分析法。其中射線法包含光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、核磁共振、CT 掃描和小角X 射線法；流體注入分析法目前常用的有壓汞法、低溫液氮吸附分析、低壓二氧化碳吸附分析等[1-2]。流體注入法中常用的是低溫液氮和低壓二氧化碳分析，利用高壓和低壓下氣體在不同孔徑內(nèi)充填和吸附方式的差異而表現(xiàn)出來的不同形態(tài)的吸附-脫附曲線，從而推測煤中孔隙分布特征，并根據(jù)壓力和吸附數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值模型計算出多孔介質(zhì)孔徑、比表面積和孔隙容積等特征[3-4]。低溫液氮吸附分析測試孔徑變化范圍為1.7～300 nm[5]，而由于CO2分子直徑相對較小，常用來表征小于2 nm孔隙的孔徑分布、比表面積和孔隙容積特性[6]。圖像觀測法和流體注入分析法常被用來研究煤中孔隙結(jié)構(gòu)特征，與原生結(jié)構(gòu)煤相比，經(jīng)過破壞變形后的煤孔隙結(jié)構(gòu)各向異性增強，構(gòu)造變形會促進煤中大孔隙向小孔隙的尺度轉(zhuǎn)化。例如，王佑安等[7]通過壓汞法對比了不同井田不同演化程度的構(gòu)造變形煤樣，發(fā)現(xiàn)煤破壞變形過程中微孔并未受到改變，中孔和過渡孔顯著增加；但是JU 等[8]認為構(gòu)造應(yīng)力會破壞直徑小于2 nm 的微孔。隨著煤破壞變形的增強，2～10 nm 和10～20 nm 孔徑所占的比例隨著破壞強度的增加而增加[9]。王濤等[10]研究液氮吸附分析對構(gòu)造煤孔結(jié)構(gòu)影響時發(fā)現(xiàn)5 nm 以下的孔受影響較弱，5～10 nm 孔隙顯著增加。孟召平等[11]研究發(fā)現(xiàn)隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞程度的增高，孔容和比表面積也相應(yīng)增大，孔容主要由中孔貢獻，比表面積主要由微孔貢獻。分形維數(shù)可精細化定量表征煤孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性行為[12]，部分學(xué)者通過建立煤孔隙分形維數(shù)與變質(zhì)程度、煤巖煤質(zhì)和吸附能力等之間的定量關(guān)系以解釋不同煤儲層的物性特征及其演化機理[13-15]。降文萍等[16]研究發(fā)現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)隨著煤破碎程度的增強而增大，解釋了煤中孔隙系統(tǒng)非均質(zhì)性強、連通性差的原因。金毅等[17]基于壓汞法對比了煤樣受壓前后基質(zhì)孔隙的非均質(zhì)性變化及分形特征。

目前對孔徑分類方法有2 種：一種是基于IUPAC提出的分類方法，它將孔隙分為微孔（＜2 nm）、中孔（2～50 nm）和大孔（＞50 nm）[18]。HODOT 在1966 年提出了另一種廣泛使用的方法，將孔徑分為微孔（＜10 nm）、過渡孔（10～100 nm）、中孔（100～1 000 nm）和大孔（＞1 000 nm）[19]。對于HODOT 分類，一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)煤中小于10 nm 的微孔的孔徑分布差異性較大，研究表明，小于2 nm 的孔隙對于比表面積和孔容的貢獻是2～50 nm 的數(shù)百倍[20]，說明煤中大量微孔分布于小于2 nm 范圍，將小于2 nm 的孔隙劃分到小于10 nm 的微孔范圍是不合理的，需要單獨分類。小于2 nm 的孔隙是煤層氣主要的吸附孔，決定著甲烷的吸附量。IUPAC 雖然將小于2 nm 的孔隙單獨劃分為微孔，但是與原生結(jié)構(gòu)煤相比，對構(gòu)造煤的中孔（IUPAC）孔容貢獻主要是來自于2～10 nm的孔隙，構(gòu)造變形會將更多的10～50 nm 的孔隙變形破壞到10 nm 以下[9]。因此，研究煤巖變形過程中孔隙在2 nm 以下和2～10 nm 的變化就顯得非常重要。由于構(gòu)造煤小于2 nm 孔隙結(jié)構(gòu)測量困難，現(xiàn)有可靠的測量數(shù)據(jù)極少。對于不同煤體結(jié)構(gòu)煤孔隙結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律及分形特征的研究也相對較少。因此，基于低壓二氧化碳和低溫液氮吸附數(shù)據(jù)，分析不同煤體結(jié)構(gòu)煤孔隙結(jié)構(gòu)的演化及其分形特征，揭示了煤破壞變形后孔隙結(jié)構(gòu)的分形規(guī)律，進一步探討了分形維數(shù)與煤中甲烷吸附-擴散的關(guān)系，為構(gòu)造煤區(qū)瓦斯防治和煤層氣高效開發(fā)提供理論支撐。

1 試驗方法和計算模型

1.1 樣品及預(yù)處理

不同煤體結(jié)構(gòu)煤樣品來自于沁水盆地趙莊井田，目標煤層為二疊系下統(tǒng)山西組3 號煤層。煤巖類型以半亮煤、光亮煤為主，不同煤體結(jié)構(gòu)樣品斷口明顯，斷裂面較為平整且無拉伸或壓扭現(xiàn)象，樣品仍保持了相當?shù)挠捕龋瑸榇嘈宰冃蚊?。煤體結(jié)構(gòu)包含原生結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、碎粒結(jié)構(gòu)和糜棱結(jié)構(gòu)。隨著煤破壞程度增強，煤中層理結(jié)構(gòu)消失，破碎煤巖顆粒和變形孔-裂隙增多（圖1）。煤樣的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1，不同煤體結(jié)構(gòu)之間煤巖煤質(zhì)及變質(zhì)程度的差異性較小。在對不同煤體結(jié)構(gòu)樣品進行宏觀和微觀觀察后，將樣品粉碎并研磨至40～60 目（0.250～0.425 mm），測試樣品質(zhì)量在2～3 g。在液氮沸點溫度（101.3 kPa，77.35 K）下，以低溫液氮為吸附質(zhì)，用ASAP 2020 孔隙率分析儀測定大于2 nm 的孔隙結(jié)構(gòu)特征，如比表面積、孔容和孔徑分布。進行吸附分析前，將樣品在110 ℃真空下脫氣24 h，以除去樣品中吸附的揮發(fā)性物質(zhì)。隨后將樣品放入分析儀并設(shè)定測試壓力，儀器軟件將根據(jù)多個壓力點下的吸附-解吸量，通過經(jīng)典的計算模型，如BET 和BJH 計算比表面積和孔隙容積。由于N2的動力學(xué)直徑較大，以及與孔壁的四極矩作用，N2很難進入小于2 nm 的微孔[21]，氮氣的測試孔徑通常分布在1.7～300 nm。而CO2具有較小的分子動力學(xué)直徑（0.33 nm）和較高的飽和蒸氣壓（237 K 時為3.5 MPa），可用于計算小于2 nm 的超微孔孔徑。低壓二氧化碳測試試驗樣品和制備過程與氮氣吸附試驗相似，但孔徑分布和孔隙體積的計算參數(shù)模型是通過DFT 理論模型計算，該模型考慮了表面粗糙度和各向異性對超微孔的影響。另取樣品研磨至60～80 目（0.178～0.250 mm），質(zhì)量100 g左右，通過容積法進行甲烷的等溫吸附試驗，試驗溫度為35 ℃，壓力范圍為1～8 MPa。

表1 樣品工業(yè)分析及顯微組分Table 1 Proximate analysis of samples and macerals of coal structures

圖1 不同煤體結(jié)構(gòu)宏觀和微觀煤巖Fig.1 Macroscopic and microscopic coal petrography of different coal structures

1.2 分形模型

分形行為可定量表征多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，它的實質(zhì)是吸附劑通過吸附不同分子直徑的氣體，再結(jié)合數(shù)值模型測量不同尺度下多孔介質(zhì)吸附量，然后依據(jù)吸附量與壓力之間的擬合關(guān)系求取分形參數(shù)以定量表征孔隙結(jié)構(gòu)的不規(guī)則度。CO2和N2由于分子直徑的差異，可以進入不同孔隙空間，通常依據(jù)CO2吸附行為表征小于2 nm 的孔隙結(jié)構(gòu)分形特征，N2則表征大于2 nm 的孔隙分形特征。WANG 等[22]通過分析CO2吸附量和相對壓力（μ=P/P0）之間的關(guān)系，提出超微孔的表面分形規(guī)律可通過下式表征：

式中：Dm為超微孔表面分形維數(shù)；C為常數(shù)項；其中Nmax為最大相對壓力下吸附量，cm3/g；N(μ)為相對壓力μ時的吸附量，cm3/g；不同壓力階段CO2覆蓋的孔隙空間不同，測得的平均孔徑r與相對壓力μ之間函數(shù)關(guān)系可用開爾文公式表征：

式中：σ為表面張力；v為摩爾體積，22.4 L/mol；R為理想氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為絕對溫度，K。

依據(jù)低溫液氮吸附數(shù)據(jù)計算的分形維數(shù)被證明是表征多孔介質(zhì)中孔隙幾何結(jié)構(gòu)的有效方法，通過定量定義分形維數(shù)D1和D2來表征孔隙表面粗糙度和孔隙結(jié)構(gòu)各向異性特征[14]。根據(jù)Frenkel-Halsey-Hill（FHH）模型，基于液氮吸附數(shù)據(jù)，可通過以下方法計算分形維數(shù)D：

式中：V/V0為平衡壓力P下的相對吸附量；C為lnV/V0隨ln（ln（P0/P））函數(shù)變化關(guān)系投影圖中y的截距；A為用于計算分形維數(shù)D的冪律指數(shù)；P0為飽和壓力，MPa。通過擬合數(shù)據(jù)的斜率，通常有2 種方法用于測量煤中孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)D：

由于式（5）計算的分形維數(shù)D值一般小于2，這偏離了煤孔隙結(jié)構(gòu)的定義[23]。本次采用方程（4）來表征大于2 nm 的孔隙的分形維數(shù)，該值通常介于2～3。

1.3 擴散模型

通過不同煤體結(jié)構(gòu)煤樣等溫吸附試驗數(shù)據(jù)中甲烷解吸動力學(xué)數(shù)據(jù)隨時間和空間變化關(guān)系，結(jié)合非穩(wěn)態(tài)菲克第二擴散定律（式（6）），從而定性和定量表征不同煤體結(jié)構(gòu)的擴散性能：

式中：r為擴散半徑，mm；C為吸附質(zhì)濃度，g/cm3；D為擴散系數(shù)，m2/s；t為時間，s。理想條件下數(shù)值模型式（6）的解析解可表示為

式中：Mt為在時間t內(nèi)擴散氣體的總量，cm3；M∞為無限時間內(nèi)的總解吸氣體量，cm3；r為擴散路徑長度，mm；D為擴散系數(shù)，m2/s。其中，擴散路徑（r）通常表征煤粒半徑，但是根據(jù)等溫吸附試驗規(guī)范，煤樣經(jīng)過破碎后，其半徑難以估算，通常取其等效半徑r=0.107 5 mm。但是不同煤體結(jié)構(gòu)的煤粒半徑分布不均，用等效半徑計算存在誤差。因此，此次論文中用有效擴散系數(shù)表征煤體結(jié)構(gòu)擴散性能，即De=D/r2,s-1，忽略等效半徑的計算影響，提高表征準確性。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 液氮和二氧化碳測試結(jié)果

通過N2和CO2吸附分析可測量煤中不同尺度孔隙結(jié)構(gòu)分布特征。不同煤體結(jié)構(gòu)的液氮吸附-脫附曲線顯示出相似的形態(tài)（圖2a），對應(yīng)于IUPAC 多孔固體分類的IV 型等溫線和H3型滯后環(huán)[24]。圖中明顯的滯后回線說明在低壓區(qū)（P/P0＜0.2）、中壓區(qū)（P/P0=0.2～0.9）和高壓區(qū)（P/P0＞0.9），孔隙中對于N2的吸附與脫附過程是不同的。圖2 顯示N2的吸附量隨煤破壞程度的增強而增大，糜棱結(jié)構(gòu)煤對N2的吸附量最大（1.93 cm3/g），其次是碎粒結(jié)構(gòu)（1.76 cm3/g）、碎裂結(jié)構(gòu)（1.53 cm3/g）和原生結(jié)構(gòu)（0.85 cm3/g）。煤中氣體主要吸附于孔隙內(nèi)表面，經(jīng)過破壞變形后的煤體結(jié)構(gòu)比表面積增大（表2），吸附能力增強。

表2 液氮、二氧化碳及等溫吸附實驗測試結(jié)果Table 2 Results of low temperature nitrogen,pressure carbon dioxide and isothermal adsorption experiment

圖2 不同煤體結(jié)構(gòu)N2 和CO2 吸附-脫附曲線Fig.2 Adsorption-desorption curves of N2 and CO2 analysis

由于N2和CO2吸附試驗在測試溫度、分子動能、分子直徑和測試機理等方面存在差異性，因此CO2可以比N2進入更小的孔隙（＜2 nm）空間。圖2b 顯示4 種煤體結(jié)構(gòu)CO2吸附等溫線屬于IUPAC 分類的Ⅰ型[24]。吸附等溫線均隨相對壓力的增大而增大，且對于CO2的吸附量整體上隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞程度的增強而增大。不同煤體結(jié)構(gòu)的超微孔比表面積和孔容均隨著煤破壞程度的增強而逐漸增大，變化范圍58.086～105.808 m2/g 和為0.019 6～0.034 0 cm3/g（表2）。超微孔在構(gòu)造煤中的分布差異性較大，特別是糜棱結(jié)構(gòu)煤超微孔貢獻的容積和比表面積幾乎是原生結(jié)構(gòu)的2 倍。表2 中糜棱結(jié)構(gòu)煤的測試超微孔孔徑范圍在0.489～1.083 nm，大于原生結(jié)構(gòu)煤0.524～1.083 nm 的范圍，破壞變形越強烈的煤超微孔孔徑分布要相對較小。

2.2 不同煤體結(jié)構(gòu)孔隙結(jié)構(gòu)分布

2.2.1 微孔、中孔和大孔分布

微孔（2～10 nm）、中孔（10～100 nm）和大孔（＞100 nm）對于孔容和比表面積的貢獻率在不同煤體結(jié)構(gòu)之間存在著顯著差異，如圖3a 和圖3b 所示。隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞程度增強，大孔貢獻的孔容和比表面積比例降低，微孔和中孔（10～50 nm）比例增加，說明大孔和部分中孔（50～100 nm）被破壞成中孔（10～50 nm）和微孔。不同煤體結(jié)構(gòu)的總BET 比表面積主要由微孔（2～10 nm）和中孔（10～100 nm）貢獻，平均百分比為88.96%，尤其糜棱結(jié)構(gòu)煤在2～10 nm 范圍內(nèi)增長率最大，說明構(gòu)造變形嚴重影響了2～10 nm 的孔隙分布。圖4 為階段比表面積隨孔徑變化，在10～300 nm 范圍內(nèi)，四種煤體結(jié)構(gòu)階段比表面積與煤的破碎程度呈正相關(guān)性，在2～10 nm范圍內(nèi)，碎粒結(jié)構(gòu)和糜棱結(jié)構(gòu)孔隙復(fù)雜性增強，對比表面積貢獻率提升。綜合分析隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞程度增加，孔容和比表面積均增加，以50 nm 為分界點，對于孔容的貢獻主要是分布于50～300 nm 的孔，而對于比表面積則是分布于2～50 nm 的孔。構(gòu)造應(yīng)力破壞了煤中大孔，形成了相對較多的小孔，導(dǎo)致大孔貢獻率逐漸降低，而微孔和中孔（10～50 nm）的貢獻比例逐漸增加。

圖3 不同煤體結(jié)構(gòu)階段孔徑貢獻孔容和比表面積百分比Fig.3 Differential pore volume and specific surface area contribution versus pore sizes

圖4 不同煤體結(jié)構(gòu)階段比表面積隨孔徑分布Fig.4 Specific surface area of coal structures versus pore sizes

2.2.2 超微孔分布

圖5 為不同煤體結(jié)構(gòu)的超微孔孔徑分布與階段比表面積的關(guān)系，可將超微孔孔徑分布劃分為R1（0.45～0.65 nm）、R2（0.65～0.8 nm）和R3（0.8～1.0 nm）3 個孔徑分布區(qū)間（表3），其中對不同煤體結(jié)構(gòu)超微孔比表面積貢獻較大的孔徑峰值（P1，P2 和P3）分布均位于這3 個區(qū)間內(nèi)，峰值1 和2 分布在R1，峰值3位于R3，不同煤體結(jié)構(gòu)中的超微孔主要分布在0.45～0.65 nm 和0.80～1.0 nm。但是CO2測試結(jié)果顯示不同煤體結(jié)構(gòu)煤的超微孔孔徑分布區(qū)間的范圍以及各分布區(qū)間對應(yīng)的累積比表面積值有顯著差異。首先，隨著煤破壞強度的增加，超微孔孔徑變化范圍越來越大，如碎裂結(jié)構(gòu)煤的測試超微孔孔徑介于0.54～0.93 nm 之間，而在糜棱結(jié)構(gòu)煤中，探測孔徑甚至小于0.5 nm，變化范圍為0.49～0.93 nm。此外，R1和R3區(qū)間對應(yīng)的累計比表面積值隨煤破碎程度的增加而增加，這些都表明原生結(jié)構(gòu)煤在破壞過程中新形成的超微孔增多，特別是分布在0.65 nm 以下的超微孔所占比例較高，貢獻的比表面積值較大，例如，R1區(qū)間內(nèi)糜棱結(jié)構(gòu)煤的累積比表面積為72.12 m2/g，是其它煤體結(jié)構(gòu)的2 倍左右。

表3 不同煤體結(jié)構(gòu)超微孔分布區(qū)間及對應(yīng)的累積比表面積值Table 3 Distribution of ultra-micropore and cumulative SSAs in different intervals

圖5 不同煤體結(jié)構(gòu)超微孔階段比表面積隨孔徑分布變化Fig.5 Differential ultra-micropore specific surface area versus pore size of coal structures

2.3 不同煤體結(jié)構(gòu)孔隙的分形規(guī)律

圖6 為不同煤體結(jié)構(gòu)基于液氮和FHH 模型的分形曲線，圖中顯示在ln（ln（P0/P））=-0.5 處有2 個明顯的線性分界段。通過曲線擬合得到了在相對壓力區(qū)間0～0.5 和0.5～1 內(nèi)的分形維數(shù)D1和D2，由于吸附機理和測試方法的不同，它們分別代表了煤中大于2 nm 的孔表面粗糙度和孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征。研究發(fā)現(xiàn)，在較低壓力下，D1表征了微孔中氣體分子與孔表面之間范德華力的作用，但隨著壓力增大，孔隙表面吸附多層氣體分子，由于大量吸附質(zhì)多層覆蓋，表面光滑性增大，此外由于中孔和大孔的毛細凝聚作用，D1不能反映孔結(jié)構(gòu)特性，而與表面粗糙度有關(guān)，而分形維數(shù)D2與孔結(jié)構(gòu)均質(zhì)性相關(guān)[25]。D1值越大，煤的表面越粗糙，D2值越小，煤的孔隙結(jié)構(gòu)分布越均勻，復(fù)雜程度越低。不同煤體結(jié)構(gòu)計算的D1和D2見表4，D1和D2的值都介于2～3。D1的變化范圍為2.729 1～2.921，隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞強度的增大而增大，說明構(gòu)造煤孔隙表面在破壞過程中變的比原生結(jié)構(gòu)煤更不規(guī)則、更粗糙。D2由2.633 6下降到2.407 7，整體上D2值隨煤體結(jié)構(gòu)破壞程度的增加呈降低趨勢，但D2最低的是碎粒結(jié)構(gòu)煤，這可能與數(shù)據(jù)擬合度較低有關(guān)（R2=0.250）。D2值越大表明原生結(jié)構(gòu)煤的孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，而經(jīng)歷構(gòu)造變形后的煤孔隙結(jié)構(gòu)將被簡單化，孔徑分布變窄。上述分析表明，構(gòu)造破壞嚴重的煤表面粗糙度加劇，但孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性逐漸減小。

表4 基于液氮和二氧化碳吸附數(shù)據(jù)計算的分形維數(shù)Table 4 Fractal dimension (D1, D2 and Dm) based adsorption analysis calculation

圖6 不同煤體結(jié)構(gòu)大于2 nm 孔隙分形曲線Fig.6 Fractal analysis of coal structures based on N2 isotherms

依據(jù)CO2吸附量和相對壓力的數(shù)據(jù)擬合關(guān)系，圖7 得到了不同煤體結(jié)構(gòu)超微孔表面分形維數(shù)Dm，從原生結(jié)構(gòu)煤到糜棱結(jié)構(gòu)煤，超微孔分形維數(shù)Dm變化從2.403 3～2.424 9（表4），呈現(xiàn)上升的趨勢，隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞程度的增加，超微孔界面幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜性增強，這一定程度上影響了不同煤體結(jié)構(gòu)煤的吸附性。

圖7 不同煤體結(jié)構(gòu)小于2 nm 孔隙分形曲線Fig.7 Fractal curves of pores with different coal structures less than 2 nm

2.4 孔隙分形特征對煤中甲烷吸附、擴散影響

甲烷主要吸附在煤基質(zhì)孔隙的內(nèi)表面，尤其是超微孔、微孔和中孔為煤中甲烷提供了主要吸附空間。不同的煤體結(jié)構(gòu)之間，不同孔徑貢獻的吸附比表面積分布會有明顯的變化，一定程度上會影響不同煤體結(jié)構(gòu)儲層吸附能力。超微孔貢獻的比表面積值要遠大于微孔、中孔和大孔，為煤中的主要的吸附孔。超微孔分形維數(shù)Dm與LangmuirVL呈正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.822 5（圖8a），即Dm越大，吸附性越強。超微孔分形維數(shù)Dm與孔隙表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞程度增強，超微孔分形維數(shù)Dm增大，構(gòu)造煤孔隙表面粗糙性增強，煤中可提供的吸附點位增加，吸附能力提升。超微孔分形維數(shù)Dm也與小于2 nm 的孔隙貢獻的比表面積值呈正相關(guān)性（圖8a），相關(guān)系數(shù)為0.956 3，進一步說明超微孔分形維數(shù)Dm可定量表征煤中內(nèi)表面積的幾何特征。

圖8 分形維數(shù)與Langmuir VL、擴散系數(shù)、比表面積和孔容關(guān)系Fig.8 Relationships between fractal dimensions and Langmuir VL,diffusion coefficient,specific surface area and pore volume

煤儲層壓力降低至臨界解吸壓力之下，煤中氣體發(fā)生解吸，并立即進入擴散階段。微孔和中孔作為擴散過程的主要空間，影響著煤中氣體的擴散行為[26]。不同煤體結(jié)構(gòu)孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)與有效擴散系數(shù)關(guān)系如圖8b、圖8c，圖中顯示分形維數(shù)D1與有效擴散系數(shù)呈正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.623 3，而分形維數(shù)D2與有效擴散系數(shù)呈負相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.763 4。分形維數(shù)D1增大，表征煤中微孔和超微孔貢獻的吸附比表面積增加，破壞較嚴重的煤體結(jié)構(gòu)中可吸附的氣體量增加，一旦發(fā)生解吸，煤中氣體解吸量較高，擴散空間內(nèi)氣體濃度差相對較高，擴散速率較快。此外，分形維數(shù)D1與孔容呈正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.916 6。由于煤中氣體總是選擇從阻力最小的空間發(fā)生運移，構(gòu)造煤破壞變形后，不同尺度孔隙空間的孔容均增大，擴散阻力降低，擴散系數(shù)增大。分形維數(shù)D2與孔容呈負相關(guān)性，即分形維數(shù)D2增大，煤中孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜性增強，連通性變差，降低了氣體進出孔隙的效率。隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞強度的增大，分形維數(shù)D2降低，煤中孔隙將被簡單化且連互相通，孔隙容積增大，氣體擴散效率增高，有效擴散系數(shù)增大。

3 結(jié)論

1）N2和CO2的吸附試驗分析可以相對較完整地表征不同煤體結(jié)構(gòu)不同尺度下的孔隙結(jié)構(gòu)特征。煤的孔隙容積主要由中孔（50～100 nm）和大孔（＞100 nm）貢獻，對比表面積的貢獻則主要是超微孔（＜2 nm）、微孔（2～10 nm）和中孔（10～50 nm）。

2）隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞強度的增加，50～300 nm的孔隙所占比例逐漸減小，2～50 nm 的微孔、中孔和小于2 nm 的超微孔增加，超微孔主要分布在0.45～0.65 nm 和0.80～1.0 nm。

3）N2和CO2的吸附量隨煤體結(jié)構(gòu)破壞程度的增大而增加，吸附由大到小順序為：糜棱結(jié)構(gòu)煤＞碎粒結(jié)構(gòu)煤＞碎裂結(jié)構(gòu)煤＞原生結(jié)構(gòu)煤。

4）D1和D2分別表征大于2 nm 孔隙表面和結(jié)構(gòu)分形維數(shù)，Dm表征小于2 nm 孔隙界面分形維數(shù)；隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞程度的增加，D1增大，D2降低，Dm增大，原生結(jié)構(gòu)煤經(jīng)歷構(gòu)造變形后的孔隙結(jié)構(gòu)將被簡單化，孔隙表面粗糙度增強。Dm與LangmuirVL和對應(yīng)的表面積程正相關(guān)性，煤中吸附孔主要由超微孔貢獻；有效擴散系數(shù)、孔容與分形維數(shù)D1呈正相關(guān)性，與D2成負相關(guān)性，表明經(jīng)歷構(gòu)造破壞后煤孔隙結(jié)構(gòu)連通性好，孔隙容積大，氣體進出效率高，擴散效率增大。