与原生结构煤相比，构造煤孔裂隙系统发育，比表面积大，蕴含了大量的煤层气资源[1-2]。不同程度的构造破坏造成煤储层物性出现明显差异，改变了煤中甲烷(CH4)的吸附/解吸性能[3]。简阔等[4]进行了不同温度条件下构造煤的CH4吸附/解吸实验，认为构造煤煤层气解吸阶段相比原生结构煤受温度及构造变形作用的影响更大，具有明显向低压偏移特征;琚宜文等[5]发现平衡水状态下不同类型构造煤CH4吸附/解吸迟滞现象不一，并从孔隙结构和大分子结构方面解释了其差异性;张小东等[6]从原生结构煤和糜棱煤的岩石学组成、吸附性和孔隙性方面阐述了煤体结构差异的吸附响应及其控制机理;李云波等[7]发现构造煤比原生结构煤的CH4解吸初速度大，得出构造煤中大孔和过渡孔的发育程度决定了构造煤CH4解吸初期特征;富向等[8]通过构造煤放散速度的实验测定，认为采用Fick扩散定律能够更合理地描述构造煤中CH4运移规律;宋志敏等[9]对高温高压平衡水分条件下变形煤的吸附/解吸特性进行了研究，得出变形煤吸附/解吸不可逆。随煤的破坏程度增加，煤的吸附/解吸不可逆程度加大。PAN等[10]研究了不同压力、不同温度条件下低煤级构造煤吸附能力，认为温度和压力是不同类型构造煤吸附差异的主因。

以上文献均采用粉状煤样(0.1～0.5 mm)进行构造煤的CH4吸附/解吸实验。煤是一种强非均质性储层，其气体吸附/解吸能力与煤的显微结构密切相关[11-12]。当煤体被粉碎成粉末后破坏了各类构造煤显微结构上的差异，忽视了煤样不同破坏程度下的裂隙、小构造等储气空间及渗流通道对CH4吸附/解吸规律的影响。煤中气体的流动包含了“渗流—扩散—吸附/解吸”3个环节，块状煤体保留了煤中的显微构造和孔裂隙系统，能更为合理地评价变形作用下3个环节对气体流动特性的影响。因此笔者进行了块状同体积原生结构煤、碎裂煤和糜棱煤的CH4吸附/解吸实验，结合显微CT和扫描电镜(SEM)考察了煤体结构差异所造成的CH4吸附/解吸规律。

1 样品选取与实验介绍

1.1 实验样品

实验煤样均取自鄂尔多斯盆地东缘韩城矿区。依据GB/T 30050—2013煤体结构分类，煤样可分为原生结构煤、脆性变形碎裂煤和韧性变形糜棱煤3类(图1)。构造煤极易破碎，不能切割加工成标准试件。所以将3类煤样运抵实验室后小心加工成体积均为345 cm3的近似立方体试件。原生结构煤层理和割理发育，层状结构清晰(图1(a));碎裂煤原生结构、层状构造部分保留，颗粒呈棱角状且大小不一，裂隙交错发育(图1(b));糜棱煤原生结构消失，表面无明显裂隙，土状色泽，煤质松软，手捏即成粉末(图1(c))。

吸附/解吸实验前将煤样放入恒温干燥箱105 ℃烘干12 h以脱除煤样试件中的残余水分。烘干后样品质量:原生结构煤493 g、碎裂煤482.5 g、糜棱煤453.6 g。因此同体积煤样密度依次为:原生结构煤1.43 g/cm3、碎裂煤1.40 g/cm3、糜棱煤1.31 g/cm3。煤样密度变化结果表明煤样密度随构造变形增大逐渐降低，其中韧性变形作用导致煤质变得更加松软易碎，强度降低，造成糜棱煤密度相比原生结构煤降低了约8.0%。

1.2 块煤吸附/解吸实验

采用太原理工大学采矿工艺研究所自行研制的块煤吸附/解吸装置完成煤样等温吸附/解吸实验。图2为实验装置示意，吸附缸和参考缸放置在控温精度为0.1 ℃的恒温箱中，盛放煤样的吸附缸配备孔径2 μm的滤芯，避免固体颗粒进入阀门和压力传感器。参考缸和吸附缸配备测量精度0.1 psi的压力传感器。压力信号通过A/D转换器由电脑输出。实验温度设定25 ℃。

实验过程分为4个步骤进行:① 气密性检测。吸附实验前，将干燥的块状煤样放置于吸附缸。采用3 MPa高纯氦气(He，99.99%)检查整套装置的气密性;② 脱气抽真空。对装置抽真空，直至真空计显示10 Pa真空度为止;③ CH4吸附。接通CH4储气罐，向参考缸注入5 MPa的气体压力。待参考缸压力平衡后，打开连接参考缸和吸附缸的中间阀门，向吸附缸注入2.4 MPa气体后关闭中间阀门。待吸附平衡后停止CH4吸附实验。吸附时间维持20 h，且最终压力波动范围在±0.1 psi变化视为平衡标准;④ CH4解吸实验。调整各类块煤的吸附平衡压力维持在1.50 MPa。随后放掉参考缸的气体待其压力降至大气压立即关闭放气阀。打开参考缸和吸附缸之间的中间阀门，进行CH4解吸实验。解吸平衡标准与吸附一致。

1.3 显微CT和扫描电镜实验

吸附/解吸实验后对代表性的3组样品进行CT扫描和扫描电镜实验。基于太原理工大学的μCT225kVFCB型高精度显微CT平台对样品进行扫描，其实验方法及技术指标等详见文献[13]。扫描试件高度7～9 cm、宽度约5 cm，放大倍数为4.3倍，扫描单元分辨率46 μm，即可分辨宽度大于46 μm的孔裂隙。通过CT技术构建煤样三维CAD模型展示了煤样不同级别孔裂隙在三维空间内的组合形态、大小及连通性等特征。采用中国石油大学Quanta-200F型场发射扫描电镜观测不同结构煤的孔裂隙类型和显微构造。鉴于样品的非均质性，每种样品均挑选3个区域、大小约1 cm3的立方体进行镜下观测。

2 实验结果分析

2.1 CH4吸附/解吸实验

根据理想气体状态方程，通过式(1)由恒温(25 ℃)条件下气体压力变化值计算出煤样标准状况下CH4吸附量或解吸量:

(1)

式中，Q为平衡状态下煤样CH4吸附量或解吸量，mL;ΔP为煤样吸附/解吸前后的气压差，MPa;Vs为刨除煤样后自由空间体积，mL;T0为标准状态下温度，K;Pm为标准大气压，MPa;T1为室温，K。

图3(a)为煤样CH4等温吸附曲线。结果显示注入煤样的初始CH4压力(2.40 MPa)均随时间延长而降低，说明CH4在煤样中发生吸附。吸附平衡后，原生结构煤、碎裂煤和糜棱煤的CH4吸附平衡压力分别为1.94,1.38,1.50 MPa(表1)。气体压降结果显示CH4吸附量排序为碎裂煤、糜棱煤、原生结构煤，其中碎裂煤和糜棱煤CH4吸附量分别是原生结构煤的2.27倍和2.13倍(表1)。煤样吸附动力学曲线(图3(b))显示糜棱煤的CH4初始吸附率迅速增加，30 min内就达到平衡吸附量的90%。碎裂煤对CH4的吸附呈现先快后缓的变化特征，前150 min吸附相对较快，完成了平衡吸附量的73%左右，之后增速逐渐变缓，直到1 600 min左右达到吸附平衡。原生结构煤对CH4的吸附效率最差，吸附过程最缓慢，吸附率随时间呈相对稳定上升状态，到3 000 min左右才达到吸附平衡。

图4(a)为煤样等温解吸曲线，煤样的CH4压力均随时间延长而升高直至解吸平衡。原生结构煤、碎裂煤和糜棱煤的解吸平衡压力分别为0.11,0.42,0.35 MPa(表1)。表1显示构造煤的CH4解吸量明显高于原生结构煤。CH4解吸量从高到低依次为碎裂煤、糜棱煤、原生结构煤，其中碎裂煤和糜棱煤CH4解吸量分别是原生结构煤的3.88倍和3.45倍。煤样解吸动力学曲线(图4(b))表明糜棱煤的CH4初始解吸速率最快，10 min内便完成了平衡解吸量的80%。碎裂煤对CH4的解吸呈现先快后缓的变化特征，前40 min解吸相对较快，完成了平衡解吸量的60%左右，之后增速逐渐变缓，直到900 min左右达到解吸平衡。原生结构煤对CH4的解吸效率最差，40 min时仅仅完成了平衡解吸量的35%，直到1 200 min才达到解吸平衡。

注:P0为吸附/解吸开始前压力;P1为吸附/解吸平衡压力;M为块煤质量;Qa和Qd为单位质量煤样甲烷吸附量和解吸量;Qcap为吸附量;Qde为解析量。

综上所述，低压下块状构造煤的吸附量/解吸量是原生结构煤的2～4倍;吸附/解吸效率显著高于原生结构煤;吸附量/解吸量大小依次为碎裂煤>糜棱煤>原生结构煤。该结论与前人部分研究成果有所差异。文献[6,10,14]基于粉状的不同结构煤CH4吸附实验发现低压段(<3 MPa)各类煤样的吸附线基本重合，高压段才有显著差异，且吸附量大小为糜棱煤>碎裂煤>原生结构煤。煤储层孔裂隙的发育特征和连通性直接控制着煤的吸附/解吸性，孔裂隙的特性很大程度上取决于煤体结构，煤体结构取决于裂隙、角砾、碎粒等显微构造的分布和数量。块煤中保留了构造变形作用所产生的显微构造，粉煤中上述显微构造多被破坏，成为低压下块煤和粉煤吸附/解吸性差异的根本所在。

3 块状煤体结构对CH4吸附/解吸的影响及开发启示

CH4在煤中的运移包含“渗流—扩散—吸附/解吸”3个阶段[15-17]，3个环节紧密相连，是一个连续过程。该过程中，渗流是CH4发生扩散和吸附/解吸的前提。渗流保证了CH4在孔裂隙系统中的降压(图5(a))，降压造成通道中CH4分子的浓度差，进而在煤基质中发生由浓度差形成的扩散(图5(b))，造成基质孔隙表面的CH4发生解吸(图5(c))。笔者结合显微CT和SEM技术，从宏观和微观尺度展示了不同尺度下3类煤样的显微构造(图6～8)，分析了显微构造对CH4吸附/解吸特性的影响。

显微CT图片显示原生结构煤层理与内生裂隙明显，面割理与端割理之间夹角介于60°～90°(图6(c),(d))。裂隙宽约0.10～0.25 mm，宽度较小。与X-Y平面几乎平行的面割理延伸较长(图6(c))，三维模型显示该方向裂隙为煤样的优势渗流通道。其余方向的割理延伸短，断续分布;不同微米级尺度SEM图像揭示出连接宏观裂隙的显微层面和微裂隙多被后生矿物充填(图6(e))。孔隙类型为原生植物组织孔、气孔和矿物质孔，原生孔多被矿物充填(图6(f))。各类型孔隙孤立分布而不相连通。上述特征表明原生结构煤结构致密，孔裂隙各向异性明显，连通性较差，限制了气体产出的扩散-渗流能力，成为煤样吸附/解吸实验中“吸附量低、解吸率差”的主要原因。该类煤体中孔裂隙发育方位和矿物充填程度是制约气体解吸—扩散—渗流的主要因素，因此通过合理储层改造，改善煤体渗流通道，以期提高煤层气的开采效率。

碎裂煤CT图像显示原生裂隙多被矿物填充，但脆性破裂将煤基质切割成棱角状，形成较多的外生裂隙优势通道(图7(a)～(d))。外生裂隙多为张裂隙，呈启开状，宽度介于0.15～3.20 mm。张裂隙形态各异，延伸长，沟通了局部发育的孔裂隙，改造和发展了煤中原生裂隙。三维模型显示不同方位的张裂隙相互搭接，连成不同级别、不同组态的裂隙网络;SEM图像说明碎裂结构煤储层发育不同尺度的微裂隙，各级别微裂隙网状交错(图7(e),(f))。微裂隙将基质分割成大小不一的角砾，角砾间相互叠置，形成连通性较好的角砾孔(图7(g))。上述现象说明碎裂煤储层内部各级别裂隙广泛发育，张开度和连通性较好，形成了相互沟通的裂隙网络，为气体在关键“渗流环节”的顺畅流动创造了先决条件。微裂隙和角砾孔的产生则增强了基质与宏观裂隙的联系，缩短了基质孔隙扩散至渗流通道的距离，为气体产出过程的“扩散—解吸”环节形成有效的压力传导，造成块状碎裂煤CH4吸附/解吸速率增大，平衡时间变短。前期研究表明脆性变形增加了中孔和微小孔等吸附孔体积，导致煤中CH4吸附/解吸量的增加[18]。由于碎裂煤储层发育的孔裂隙系统，采动影响下能够形成较高的压力梯度和气体浓度梯度，促使更大范围内气体的解吸，能够保持气体产出的持续性，更容易形成较高的产能，成为煤层气开发的有利区域。

块状碎裂煤中CH4吸附/解吸动力学曲线呈现先快后缓的原因归结如下:块状煤中影响CH4运移的主要因素是裂隙系统。原生结构煤裂隙系统不发育，基质孔隙扩散为主，因此煤样吸附/解吸率变化平缓;碎裂煤中角砾和裂隙通道的增加提升了渗流环节，促使CH4分子在压力梯度作用下快速流动到各级别连通的裂隙系统内，降低了CH4在孔隙中的扩散阻力，致使煤样CH4吸附/解吸的初期效率增大。随时间增长，孔隙性成为气体吸附/解吸的主要控制因素，吸附/解吸速率变缓。

糜棱煤CT图像显示韧性变形下煤岩发生塑性流变，褶皱明显，原生结构构造大多消失，裂隙通道多已不存在，少量稀散分布的裂隙宽度多小于0.30 mm(图8(a)～(d))。SEM镜下显示煤样呈现细粒镶嵌结构(图8(e))，颗粒间可见许多微裂隙，但微裂隙间紧密压实，断续不相连通，孔裂隙连通性差，导致糜棱煤渗透性很低。放大数倍后，煤体表面分布许多大小不一的碎粒，碎粒间形成大量孤立分布的孔隙和微裂隙(图8(f))。强烈剪切变形可将碎粒物质进一步研磨成泥状/粉末状的糜棱质，堵塞孔裂隙通道(图8(g))。上述特征说明韧性变形造成煤岩物质重新排列，煤体压实，宏观裂隙通道闭合，严重削弱了气体的扩散—渗流能力，使气体处于封闭状态，形成高压“瓦斯包”。加之糜棱煤质地松软，强度很低，采动影响下成为煤与瓦斯突出的潜在危险区域。

糜棱煤CH4吸附/解吸实验表明CH4气体分子在较短时间内便达到吸附/解吸平衡。结合煤样显微构造可知裂隙通道的消失直接削弱了气体在关键“渗流环节”的流动，进而使气体失去了进一步“扩散、吸附/解吸”的驱动力。这种现象说明气体大多附着在了块煤外表面一定范围内构造变形作用下形成的粒间孔隙和粒级小的颗粒表面，发生粒表吸附，很少一部分气体发生微孔吸附。对于粉状煤样，微小孔含量主要控制了气体的吸附性能。由于韧性变形促进了微小孔的增加，导致糜棱煤吸附能力高于碎裂煤。然而，块状糜棱煤样渗流通道的消失导致低压下气体难以进入微孔发生吸附，由此造成碎裂煤吸附量高于糜棱煤。SEM实验发现(图8(e)～(g))由碎粒和糜棱质组成的糜棱煤，粒级小，表面粗糙度和内表面积大。压汞实验表明相比原生结构煤，糜棱煤中由碎粒组成的外生孔(0.5～5 μm)导致孔体积增长了4～7倍[19]，从而发生吸附量较高的粒表吸附，导致吸附量高于原生结构煤。现有资料表明[1,6,18]实际地下糜棱煤储层的气体含量很高，但由于裂隙通道的消失，渗透性极低，失去持续性的产气能力，加之开发过程中煤粉产出的制约性使其成为煤层气开发的不利储层。

对于致密煤储层，煤储层改造技术(水平井分段压裂、气体压裂、泡沫压裂等)均取得了良好的现场应用效果。冯增朝等[20]提出一种“加热煤层抽采煤层气的方法”，其技术原理是:首先在地面布置、施工群井，通过注入井向煤层中注入150～300 ℃的高温高压水蒸汽，煤层被加热后，大量吸附的气体解吸为游离态后从开采井中产出。其技术核心是煤体被加热后会产生大量热破裂裂缝[21]，可增大煤层的渗透性。因此，煤层注热应是储层改造及增产的一种行之有效的方法。对于致密原生结构煤和糜棱煤储层可尝试通过多尺度压裂、注热强化抽采等全新技术手段实施储层改造，以增加煤体裂隙通道，为气体产出过程中关键“渗流环节”的顺畅流动创造条件，使气井达到增产增效的目的。

4 结 论

(1)构造变形导致块状煤体结构煤的CH4吸附/解吸特性差异显著，吸附量/解吸量由高到低依次为碎裂煤、糜棱煤和原生结构煤。原生结构煤吸附/解吸衰减速度平缓，吸附/解吸时间长，解吸率低;碎裂煤吸附/解吸率先快后慢，气体扩散时间变短，解吸率增大;糜棱煤吸附/解吸平衡时间最短，解吸速度最快。

(2)构造变形使得煤体显微构造、孔裂隙发育程度和连通性发生差异性变化，成为低压下块状煤样吸附/解吸性差异的主因。碎裂煤储层开放连续的孔裂隙网络使其成为煤层气开发的有利区域;块状糜棱煤裂隙通道的破坏造成“渗流”环节的缺失，严重制约了气体扩散的发生，致使气体大多形成粒表吸附，导致吸附/解吸快速完成。

(3)致密原生结构煤储层和糜棱煤储层可尝试通过多尺度压裂、注热强化抽采等技术手段实施储层改造，以增加煤体渗流通道，为气体在关键“渗流环节”的顺畅流动创造条件，达到增产增效的目的。

参考文献(References):

[1] 琚宜文,姜波,王桂梁,等.构造煤结构及储层物性[M].徐州:中国矿业大学出版社,2005.

[2] 朱炎铭,赵洪,闫庆磊,等.贵州五轮山井田构造演化与煤层气成藏[J].中国煤炭地质,2008,20(10):38-41.

ZHU Yanming,ZHAO Hong,YAN Qinglei,et al.Tectonic evolution and CBM reservoir formation in Wulunshan minefield,Guizhou[J].Coal Geology of China,2008,20(10):38-41.

[3] 张文静,琚宜文,卫明明,等.不同变质变形煤储层吸附/解吸特征及机理研究进展[J].地学前缘,2015,22(2):232-242.

ZHANG Wenjing,JU Yiwen,WEI Mingming,et al.Study on characteristics and mechanism of adsorption/desorption on different metamorphic-deformed coal reservoirs[J].Earth Science Frontiers,2015,22(2):232-242.

[4] 简阔,傅雪海,张玉贵.构造煤煤层气解吸阶段分析及最大瞬时解吸量计算[J].煤炭科学技术,2015,43(4):57-62.

JIAN Kuo,FU Xuehai,ZHANG Yugui.Analysis on coalbed methane desorption stage and calculation on max instant desorption value of tectonic coal[J].Coal Science and Technology,2015,43(4):57-62.

[5] JU Y W,JIANG B,HOU Q L,et al.Behavior and mechanism of the adsorption/desorption of technically deformed coals[J].Chinese Science Bulletin,2009,54(1):88-94.

[6] 张小东,刘浩,刘炎昊,等.煤体结构差异的吸附响应及其控制机理[J].地球科学-中国地质大学学报,2009,34(5):848-854.

ZHANG Xiaodong,LIU Hao,LIU Yanhao,et al.Adsorption respondence of different coal body structures and its influence mechanism[J].Earth Science-Journal of China University of Geosciences,2009,34(5):848-854.

[7] 李云波,张玉贵,张子敏,等.构造煤瓦斯解吸初期特征实验研究[J].煤炭学报,2013,38(1):15-20.

LI Yunbo,ZHANG Yugui,ZHANG Zimin,et al.Experimental study on gas desorption of tectonic coal at initial stage[J].Journal of China Coal Society,2013,38(1):15-20.

[8] 富向,王魁军,杨天鸿.构造煤的瓦斯放散特征[J].煤炭学报,2008,33(7):775-779.

FU Xiang,WANG Kuijun,YANG Tianhong.Gas irradiation feature of tectonic coal[J].Journal of China Coal Society,2008,33(7):775-779.

[9] 宋志敏,刘高峰,杨晓娜,等.高温高压平衡水分条件下变形煤的吸附-解吸特性[J].采矿与安全工程学报,2012,29(4):591-595.

SONG Zhimin,LIU Gaofeng,YANG Xiaona,et al.Adsorption-desorption characteristic on deformed coal under the conditions of high temperature and pressure and equilibrium water[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2012,29(4):591-595.

[10] PAN J N,HOU Q L,JU Y W,et al.Coalbed methane sorption related to coal deformation structures at different temperatures and pressures[J].Fuel,2012,102:760-765.

[11] 张慧,王晓刚.煤的显微构造及其储集性能[J].煤田地质与勘探,1998,26(6):33-36.

ZHANG Hui,WANG Xiaogang.Microstructures of coal and their reservoir properties[J].Coal Geology & Exploration,1998,26(6):33-36.

[12] KARACAN C O,OKANDAN E.Adsorption and gas transport in coal microstructure:Investigation and evaluation by quantitative X-ray CT imaging[J].Fuel,2001,80:509-520.

[13] KANG Z Q,YANG D,ZHAO Y S,et al.Thermal cracking and corresponding permeability of Fushun oil shale[J].Oil shale,2011,28(2):273-283.

[14] 孟召平,刘珊珊,王保玉,等.不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征[J].煤炭学报,2015,40(8):1865-1870.

MENG Zhaoping,LIU Shanshan,WANG Baoyu,et al.Adsorption capacity and its pore structure of coals with different coal body structure[J].Journal of Coal Society,2015,40(8):1865-1870.

[15] 李前贵,康毅力,罗亚平.煤层甲烷解吸-扩散-渗流过程的影响因素分析[J].煤田地质与勘探,2003,31(4):26-29.

LI Qiangui,KANG Yili,LUO Yaping.Analysis of the factors affecting processes of CBM desorption,diffusion and percolation[J].Coal Geology & Exploration,2003,31(4):26-29.

[16] 温志辉.构造煤瓦斯解吸规律的实验研究[D].焦作:河南理工大学,2008:6-8.

WEN Zhihui.Experimental study on gas desorption laws of tectonically coal[D].Jiaozuo:Henan Polytechnic University,2008:6-8.

[17] 陈富强,琚宜文,李小诗,等.构造煤中煤层气扩散-渗流特征及其机理[J].地学前缘,2010,17(1):195-201.

CHEN Fuyong,JU Yiwen,LI Xiaoshi,et al.Diffusion-osmosis characteristics of coalbed methane in tectonically deformed coals and their mechanism[J].Earth Science Frontiers,2010,17(1):195-201.

[18] HOU Quanlin,LI Huijun,FAN Junjia,et al.Structure and coalbed methane occurrence in tectonically deformed coals[J].Science China Earth Sciences,2012,55(11):1755-1763.

[19] LI W,LIU H F,SONG X X.Multifractal analysis of Hg pore size distributions of tectonically deformed coals[J].International Journal of Coal Geology,2015,144-145,138-152.

[20] 冯增朝,赵阳升,吕兆兴,等.加热煤层抽采煤层气的方法[P].中国专利:101418679，2009-04-29.

[21] 孟巧荣.热解条件下煤孔隙裂隙演化的显微CT实验研究[D].太原:太原理工大学,2011:75-95.

MENG Qiaorong.The micro-ct experimental research on the evolvement of pores and cracks of coal in pyrolysi[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2011:75-95.