邵龍義 李佳旭 王 帥 侯海海 李建安 朱明宇

1. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院 2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院

0 引言

煤是一種非均質(zhì)性和各向異性都極強的多孔介質(zhì)，煤孔隙結(jié)構(gòu)與煤層氣的吸附、解吸和滲流密切相關(guān)，采用分形維數(shù)計算方法可以對煤的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的定量描述[1-7]。目前，眾多學(xué)者在利用分形維數(shù)描述不同變質(zhì)程度煤的孔隙結(jié)構(gòu)方面都取得了較豐富的研究成果：李振等[8]對河南安鶴煤田和焦作煤田的研究結(jié)果表明，高階煤的微小孔發(fā)育，半封閉孔含量較高，孔隙連通性一般；姚艷斌等[9]對兩淮煤田中高階煤進(jìn)行研究后指出，兩淮地區(qū)煤儲層孔隙類型以微小孔為主，大孔次之，中孔很不發(fā)育；Fu等[10]研究了準(zhǔn)南中低階煤的孔隙結(jié)構(gòu)，認(rèn)為滲流孔主要為植物原生大孔，中孔發(fā)育很差；Chen等[11]研究了貴州西部盤關(guān)向斜中高階煤，指出研究區(qū)煤的孔隙類型主要為半開放型且連通性差的楔形孔、圓筒孔和一端封閉的狹縫孔。雖然利用分形理論定量表征煤儲層孔隙特征已經(jīng)取得了不少的成果，但所得出的結(jié)論是否具有普遍適用性尚有待于進(jìn)一步的研究。

煤的孔隙結(jié)構(gòu)會直接影響到煤層氣的開發(fā)利用效果。海拉爾盆地的煤層氣資源豐富，資源量約為1.079×1012m3[12]，但目前對于該盆地褐煤吸附孔孔隙結(jié)構(gòu)的研究卻很少。為此，筆者借助工業(yè)分析、液氮吸附實驗、掃描電鏡等手段，對該盆地研究區(qū)煤儲層的吸附孔孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并利用FHH（Frenkel-Halsey-Hill）模型[13]計算了褐煤吸附孔的分形維數(shù)；重點討論了最大鏡質(zhì)體反射率（Ro，max）及分形維數(shù)與煤質(zhì)、孔隙比表面積、總孔體積等之間的內(nèi)在關(guān)系。以期對該盆地的煤層氣開采能起到幫助和推動作用。

1 地質(zhì)概況

海拉爾盆地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)北部的呼倫貝爾盟境內(nèi)，是疊置于內(nèi)蒙古—大興安嶺古生代褶皺基底上的中生代、新生代陸相沉積盆地，面積為70 480 km2，其中中國境內(nèi)的面積為44 210 km2。海拉爾盆地可劃分為“三坳兩隆”5個一級構(gòu)造單元，由西向東依次為扎賚諾爾坳陷、嵯崗隆起、貝爾湖坳陷、巴彥山隆起和呼和湖坳陷[12,14]（圖1）。盆地內(nèi)各凹陷含煤地層數(shù)量較多，分布各不相同，相互間不影響。盆地內(nèi)煤層埋深一般小于2 000 m，主要含煤層位為下白堊統(tǒng)伊敏組和大磨拐河組，主要煤種為褐煤。伊敏組煤層主要分布在呼和湖坳陷東北部，西南部不發(fā)育，東北部煤層累計厚度超過10.0 m，局部厚度達(dá)27.5 m；大磨拐河組上段煤層全區(qū)發(fā)育，累計厚度最大逾80 m[14]。

2 樣品采集及實驗方法

2.1 樣品采集

圖1 海拉爾盆地構(gòu)造綱要圖及地層柱狀圖（據(jù)本文參考文獻(xiàn)[15]修改）

筆者本次研究的31個樣品采自海拉爾盆地東部的1個煤田和5個露天礦，其中紅花爾基煤田4個，伊敏露天礦11個，扎泥河露天礦4個，寶日希勒露天礦4個，東明露天礦5個，扎賚諾爾露天礦3個（圖1）。31個樣品均取自下白堊統(tǒng)主要含煤層位伊敏組和大磨拐河組。

2.2 實驗方法

2.2.1 工業(yè)分析及最大鏡質(zhì)體反射率測定

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《煤的工業(yè)分析方法：GB/T 212—2002》對煤樣空氣干燥基水分含量、灰分產(chǎn)率、揮發(fā)分產(chǎn)率及固定碳含量進(jìn)行工業(yè)分析；采用Leica DM4P光度計顯微鏡觀察，在油浸反射光中進(jìn)行隨機最大鏡質(zhì)體反射率（Ro，max）測量50點，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測定方法：GB/T 6948—2008》。

2.2.2 液氮吸附實驗

通過液氮吸附實驗可確定吸附孔的比表面積、孔體積和孔結(jié)構(gòu)分布。實驗設(shè)備為美國康塔NOVA—2000e比表面積和孔徑分析儀，遵循中國石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《巖石比表面和孔徑分布測定靜態(tài)氮吸附容量法：SY/T 6154—1995》。該方法可檢測孔徑的理論范圍介于2～200 nm，比表面積的范圍介于0.1～3 500.0 m2/g。BET（Brunauer-Emmett-Teller） 模 型 和BJH（Barrett-Joyner-Halenda）模型分別用于計算比表面積和總孔體積[16-17]。

2.2.3 掃描電鏡

在研究區(qū)煤樣自然斷面上利用掃描電鏡觀察煤孔結(jié)構(gòu)，實驗設(shè)備為FESEM S4800掃描電子顯微鏡，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為中國石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法：SY/T 5162—1997》。

3 實驗結(jié)果

3.1 工業(yè)分析及最大鏡質(zhì)體反射率

海拉爾盆地煤樣工業(yè)分析及Ro，max測定結(jié)果（表1）顯示：研究區(qū)煤樣的Ro，max介于0.200%～0.457%，平均值為0.338%，屬于褐煤。空氣干燥基水分含量（Mad）介于10.04%～34.23%，平均值為19.52%，水分含量較高；空氣干燥基灰分產(chǎn)率（Aad）介于4.60%～33.45%，平均值為11.83%，灰分產(chǎn)率較低；空氣干燥基揮發(fā)分產(chǎn)率（Vad）介于25.37%～43.48%，平均值為33.47%，產(chǎn)率較高；空氣干燥基固定碳含量（FCad）介于22.40%～42.25%，平均值為35.18%，含量極低。綜上表明，海拉爾盆地褐煤的特點是“高水分含量、低灰分產(chǎn)率、高揮發(fā)分產(chǎn)率、特低固定碳含量”。這與王帥等[18]在二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷所采褐煤的實驗結(jié)果（中高水分含量、中低灰分產(chǎn)率、高揮發(fā)分產(chǎn)率）大致相同，但與Chen等[11]在貴州西部盤關(guān)向斜所采的中高階煤的實驗結(jié)果（特低水分含量、低灰分產(chǎn)率、低揮發(fā)分產(chǎn)率、中高固定碳含量）存在較大差異。

3.2 掃描電鏡觀察

通過掃描電鏡可觀察到伊敏露天礦煤樣的絲質(zhì)體局部發(fā)育組織孔和氣孔（圖2-a），寶日希勒露天礦、東明露天礦、扎賚諾爾露天礦煤樣的腐殖體細(xì)胞壁上發(fā)育紋孔（圖2-b～d），東明露天礦和扎賚諾爾露天礦煤樣的均質(zhì)凝膠體及胞腔孔內(nèi)充填有高嶺石、綠泥石等黏土礦物（圖2-e、f）。研究區(qū)的褐煤中普遍發(fā)育組織孔、紋孔、氣孔，偶見黏土礦物充填。組織孔和紋孔為植物原生孔隙，氣孔為煤化作用階段產(chǎn)生的次生孔隙。

3.3 液氮吸附實驗

不同學(xué)者根據(jù)不同的研究目的或研究角度對煤的孔隙、裂隙系統(tǒng)進(jìn)行了分類。最具代表性的是由國際應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）于1972年制定的孔徑分類方案：微孔（小于2 nm）、中孔（2～50 nm）和大孔（大于50 nm），該分類方案在國外文獻(xiàn)中使用較多?；舳嗵豙19]于1966年制定的孔徑分類方案：微孔（小于10 nm）、過渡孔（即小孔：10～100 nm）和中孔（100～1 000 nm），該方案為眾多國內(nèi)研究者所采用。除此之外，國內(nèi)學(xué)者也提出了各自的方案，如桑樹勛等[20]于2005年根據(jù)固—氣作用機理，將孔隙分為吸收孔隙（小于2 nm）、吸附孔隙（2～10 nm）、凝聚孔隙（10～100 nm）和滲流孔隙（大于100 nm）。筆者本次研究中采用霍多特孔徑分類方案。

液氮吸附實驗結(jié)果（表1）表明：研究區(qū)煤樣的比表面積介于0.421～15.945 m2/g，平均值為3.749 m2/g；總孔體積介于1.438×10-3～43.520×10-3cm3/g，平均值為14.506×10-3cm3/g；平均孔徑介于8.273～24.918 nm，平均值為16.490 nm。研究區(qū)褐煤具有較小的比表面積、較大的總孔體積和較大的平均孔徑。這與王博洋等[21]在二連盆地所采褐煤的實驗結(jié)果（比表面積、總孔體積、平均孔徑分別為3.80 m2/g、9.04×10-3cm3/g、16.030 nm）大致相同，與Guo等[22]在河南所采高階煤的實驗結(jié)果（比表面積、總孔體積、平均孔徑分別為0.71 m2/g、8.34×10-3cm3/g、17.576 nm）存在一定差異。海拉爾盆地褐煤微孔、過渡孔、中孔平均占比分別為19.72%、72.62%、7.66%，過渡孔發(fā)育較好，微孔發(fā)育一般，而中孔發(fā)育很差，這與王博洋等[21]對二連盆地褐煤的研究結(jié)果（微孔、過渡孔平均占比分別為10.85%、89.15%）基本相同，與高迪等[23]對沁水盆地東南部高階煤的研究結(jié)果（微孔、過渡孔、中孔平均占比分別為11.43%、52.96%、35.63%）存在較大差異。

表1 海拉爾盆地煤樣測試分析結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖2 掃描電鏡下海拉爾盆地煤樣孔隙特征照片

3.4 分形維數(shù)計算

煤是一種非均質(zhì)性和各向異性極強的多孔介質(zhì)，利用分形維數(shù)可以精確定量描述其孔隙結(jié)構(gòu)。分形維數(shù)概念由Mandelbrot[24]于1975年提出，可用于定量表征煤的孔隙結(jié)構(gòu)?；谝旱綄嶒灲Y(jié)果計算吸附孔分形維數(shù)的方法較多，如分形BET模型、熱力學(xué)模型和FHH模型等方法，其中FHH模型是國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用較多的一種計算模型。根據(jù)FHH模型原理，利用相對壓力和吸附量數(shù)據(jù)，可根據(jù)式（1）計算煤中吸附孔分形維數(shù)。

公式中V表示平衡壓力p下吸附的氣體分子體積，cm3/g；C表示常數(shù)；A表示煤的微小孔分形維數(shù)（D）與煤的吸附機制的一個冪指常數(shù)；p0表示氣體吸附的飽和蒸氣壓，MPa。

煤吸附孔的分形維數(shù)（D）可以通過A值來計算。在通過A計算D時，不同學(xué)者基于不同的吸附理論提出了兩種不同的計算方法，且至今尚未達(dá)成共識[25-27]。一種觀點認(rèn)為，煤對氮氣的吸附為單分子層吸附，受吸附劑與吸附質(zhì)，即氣—固兩相界面之間的范德華力所控制，此時通過A計算D的表達(dá)式為：

另一種觀點認(rèn)為，氣—固兩相界面之間的范德華力相對于氣—液兩相界面之間的表面張力可以忽略不計，煤對氮氣的吸附主要受毛細(xì)管凝聚效應(yīng)控制，此時通過A計算D的表達(dá)式為：

謝和平[28]認(rèn)為孔表面及孔結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)一般介于2～3，而通過式（2）計算的結(jié)果已經(jīng)脫離了分形的意義。因此，筆者采用式（3）計算分形維數(shù)，計算結(jié)果多介于2～3（表2）。如表2所示，研究區(qū)褐煤分形維數(shù)D1介于2.000～2.417，平均值為2.241；D2介于2.464～2.712，平均值為2.576，分形維數(shù)的結(jié)果所在范圍與其他學(xué)者的研究大致相同，屬正常取值。

4 討論

4.1 基于液氮吸附實驗的吸附孔特征

嚴(yán)繼民等[29]提出煤的液氮吸附實驗原理符合孔隙材料吸附和凝聚的理論，為通過煤的吸附、脫附曲線特征判斷其孔隙結(jié)構(gòu)提供了理論基礎(chǔ)。海拉爾盆地褐煤的吸附、脫附曲線可以劃分為A、B、C共3種類型（圖3）。

表2 分形維數(shù)計算結(jié)果表

4.1.1 A型吸附、脫附曲線

以扎賚諾爾露天礦ZL3號樣品為典型代表。該類型吸附曲線隨著相對壓力的增大逐漸上升，脫附曲線在相對壓力約為0.5時急劇下降，吸附、脫附曲線之間存在明顯的遲滯環(huán)（圖3-a）。A型曲線的煤樣比表面積和總孔體積較大，平均值分別為5.79 m2/g、17.75×10-3cm3/g；平均孔徑較小，為12.80 nm；孔隙類型以過渡孔（61.85%）為主，微孔（28.35%）次之（圖3-d、g，表1）；孔隙形態(tài)為開放型的平板孔及圓筒孔（圖3-a）。該類型孔隙較大的比表面積有利于煤層氣的吸附及儲集，同時開放型的孔隙使得煤層氣的解吸和擴散相對容易。

4.1.2 B型吸附、脫附曲線

以東明露天礦D4號樣品為典型代表。該類型吸附曲線在相對壓力小于0.8時幾乎不上升，并始終與脫附曲線平行，吸附、脫附曲線之間存在明顯的遲滯環(huán)（圖3-b）。B型曲線的煤樣比表面積和總孔體積較小，平均值分別為3.29 m2/g、12.77×10-3cm3/g；平均孔徑較大，為16.20 nm；孔隙類型以過渡孔（72.60%）為主，微孔（19.60%）次之（圖3-e、g，表1）；孔隙形態(tài)為開放型的平行板狀孔及楔形孔（圖3-b）。該類型孔隙較小的比表面積和總孔體積不利于煤層氣的吸附和儲集，但由于該類型孔隙的孔隙透氣性較好，有利于煤層氣的解吸和擴散。

4.1.3 C型吸附、脫附曲線

以伊敏露天礦Y3號樣品為典型代表。該類型吸附、脫附曲線的特征與B型吸附、脫附曲線特征類似，但吸附、脫附曲線之間無遲滯環(huán)（圖3-c）。C型曲線的煤樣比表面積較小，平均值為3.26 m2/g、孔體積及平均孔徑較大，分別為16.57×10-3cm3/g和17.93 nm；孔隙類型以過渡孔（80.91%）為主，微孔（14.39%）次之（圖3-f、g，表1）；孔隙形態(tài)為一端封閉的平板孔及楔形孔（圖3-c）。該類型孔隙的比表面積較小，不利于煤層氣的吸附，但其較大的孔體積使得其儲集能力較強；該類型孔隙一端開放的孔隙結(jié)構(gòu)有利于煤層氣的解吸和擴散。

綜上所述表明，海拉爾盆地褐煤的孔隙均為開放型孔隙，對煤層氣的解吸和擴散較為有利，但B型孔隙不利于煤層氣的吸附和儲集，C型孔隙不利于煤層氣的吸附；比表面積：A型＞B型＞C型；孔體積：A型＞C型＞B型；微孔占比：A型＞B型＞C型；過渡孔占比：C型＞B型＞A型。

4.2 變質(zhì)程度對煤質(zhì)及吸附孔孔隙結(jié)構(gòu)的影響

4.2.1 變質(zhì)程度對煤質(zhì)的影響

圖3 海拉爾盆地褐煤吸附、脫附曲線類型特征圖

圖4 變質(zhì)程度與煤質(zhì)的關(guān)系圖

如圖4-a所示，隨著Ro，max的不斷增加，煤中水分含量迅速下降，當(dāng)跨過第一次煤化躍遷后，又保持平穩(wěn)。海拉爾盆地褐煤的水分含量較高，處在迅速下降階段，而其他盆地的高階煤及中階煤中水分含量較低，處在平穩(wěn)階段（圖4-a），這與Zhao等[30]、Tao等[31]、Jian等[32]的研究結(jié)果相似。煤中灰分產(chǎn)率與Ro，max呈現(xiàn)出較弱的負(fù)相關(guān)，與Hou等[33]的研究結(jié)果相同，海拉爾盆地褐煤中灰分產(chǎn)率與其他盆地的高階煤及中階煤大致相同（圖4-b）。隨Ro，max的增加，煤中揮發(fā)分產(chǎn)率逐漸下降，而后趨于穩(wěn)定，海拉爾盆地褐煤中揮發(fā)分產(chǎn)率較高，位于下降階段初期，其他盆地的高階煤及中階煤中揮發(fā)分產(chǎn)率較低，位于下降階段后期及穩(wěn)定階段（圖4-c），這與Chen等[11]的研究結(jié)果相同。固定碳含量隨著Ro，max的增加不斷增大，在第三次煤化躍遷后趨于穩(wěn)定，海拉爾盆地褐煤的固定碳含量較低，位于增長初期，其他盆地的高階煤及中階煤固定碳含量較高，位于增長中后期及穩(wěn)定階段，高階煤的固定碳含量較高，且隨著Ro，max的增加變化不大（圖4-d）。

4.2.2 變質(zhì)程度對比表面積、平均孔徑、微孔占比、過渡孔占比的影響

隨著Ro，max的不斷增加，煤樣比表面積先迅速下降，在第一次煤化躍遷后趨于穩(wěn)定。海拉爾盆地褐煤的比表面積與其他盆地的中階煤及高階煤類似，主要分布在10.00 m2/g以下。煤巖變質(zhì)程度對低階煤的比表面積影響較大，對中高階煤影響較?。▓D4-e）。煤樣平均孔徑與Ro，max無明顯關(guān)系，海拉爾盆地褐煤的平均孔徑較其他盆地中階煤及高階煤大（圖4-f）。隨著Ro，max的增加，微孔占比呈現(xiàn)出倒“U”字形變化，在第三次煤化躍遷附近，微孔占比開始減?。▓D4-g）。過渡孔占比隨Ro，max的變化趨勢與微孔占比相反，即“U”字形變化，在第三次煤化躍遷后，過渡孔占比開始增加。海拉爾盆地褐煤的微孔占比較其他盆地中階煤及高階煤低，過渡孔占比較高（圖4-h）。比表面積隨Ro，max的變化規(guī)律和微孔及過渡孔的變化規(guī)律與Zhou等[38]對于中低階煤的研究相似，但與李振等[8]對于高階煤的結(jié)論不同。

4.3 分形維數(shù)特征

4.3.1 分形維數(shù)與比表面積、平均孔徑、微孔占比、過渡孔占比之間的關(guān)系

海拉爾盆地褐煤D1與比表面積為線性正相關(guān)，擬合優(yōu)度R2= 0.246 5，而D2與比表面積無明顯關(guān)系（圖5-a、b）。D1與平均孔徑無明顯關(guān)系，D2與平均孔徑均為線性負(fù)相關(guān)，擬合優(yōu)度R2= 0.963 5（圖5-c、d）。這說明D1是表征煤孔表面積的分形維數(shù)，而D2表征了煤孔結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)，該結(jié)果與眾多研究者的結(jié)論相同?？妆砻娣e分形維數(shù)表征了煤孔隙表面的非均質(zhì)性強弱，越接近2說明煤孔隙表面越光滑，越接近3表明煤孔隙表面越粗糙；孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)則表征了煤孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性強弱，越接近2表明煤孔隙結(jié)構(gòu)越均一，越接近3表示煤孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜[34]。與其他盆地的中低階煤相比，海拉爾盆地褐煤的D1普遍較小（平均值為2.241），D2與中低階煤相差不多（平均值為2.576），這表明海拉爾盆地褐煤的孔隙表面較為光滑，孔隙結(jié)構(gòu)較復(fù)雜（表2）。

D1與微孔及過渡孔占比無明顯關(guān)系，D2與微孔占比呈正相關(guān)，擬合優(yōu)度R2= 0.605 1，隨著微孔占比增加，孔隙結(jié)構(gòu)逐漸變得復(fù)雜；D2與過渡孔占比呈負(fù)相關(guān)，擬合優(yōu)度R2＝0.671 0，過渡孔占比越高，孔隙的結(jié)構(gòu)越均一（圖5-e～h）。分形維數(shù)與微孔及過渡孔占比的關(guān)系與姚銘檑等[34]、Zhou等[38]對中低階煤的研究結(jié)果類似。

4.3.2 分形維數(shù)與煤質(zhì)及最大鏡質(zhì)體反射率的關(guān)系

圖5 分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系圖

D1與海拉爾盆地褐煤的水分含量的關(guān)系并不明顯，這可能是由于煤樣水分含量較高，使得氣—液表面張力基本消失，導(dǎo)致孔隙被水分子充填而使孔隙表面變得光滑。對于其他盆地含水較少的中低階煤，隨著水分含量的增加，D1呈現(xiàn)出先增大后保持穩(wěn)定的趨勢，但這種趨勢不太明顯（圖6-a）。其中一個原因是當(dāng)水分含量較低時，氣—液兩相的水分子會在煤孔隙表面形成張力，從而對分形維數(shù)產(chǎn)生較大的影響。另一個原因是D1表征的是煤孔隙表面分形維數(shù)，與煤中水分含量變化的關(guān)系不明顯[39]。D2與煤中水分含量呈負(fù)相關(guān)，隨著水分含量的增加，煤孔隙結(jié)構(gòu)變得均一（圖6-b）。這是因為D2表征的是煤孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)，當(dāng)煤中水分含量較高時，大量水分子充填了煤中的孔隙，使得煤中的孔隙趨向均一化。

D1與海拉爾盆地褐煤的灰分產(chǎn)率呈現(xiàn)出較弱的正相關(guān)，隨著灰分產(chǎn)率的增加，煤孔隙表面變得光滑，但在其他盆地的中低階煤中，D1與灰分產(chǎn)率呈負(fù)相關(guān)（圖6-c）。D2與灰分產(chǎn)率呈正相關(guān)，隨著灰分產(chǎn)率的增加，煤孔隙結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，這一規(guī)律在海拉爾盆地的褐煤和其他盆地的中低階煤中均適用（圖6-d）。不同學(xué)者在分形維數(shù)與灰分產(chǎn)率的關(guān)系方面持有不同觀點：①姚艷斌等[39]認(rèn)為，D1表征的是煤孔隙表面積分形維數(shù)，因此對灰分產(chǎn)率的變化不敏感，D1與灰分產(chǎn)率無明顯關(guān)系；D2表征的是煤孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)，因此對煤中灰分產(chǎn)率變化較為敏感，煤中的灰分產(chǎn)率會充填孔隙，造成煤孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性增強，分形維數(shù)增大，D2與灰分產(chǎn)率呈正相關(guān)。②李增學(xué)[40]認(rèn)為灰分產(chǎn)率是煤中礦物含量的間接反映，灰分產(chǎn)率越高則礦物含量越高。③姚銘檑等[34]認(rèn)為，礦物會改變孔隙表面的粗糙程度，同時還會堵塞孔隙，使得孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性增強，因此，D1、D2與灰分產(chǎn)率呈正相關(guān)。④Fu等[10]認(rèn)為礦物會充填部分納米級孔隙，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)更加簡單，使低階煤的分形維數(shù)更小，D2與灰分產(chǎn)率呈負(fù)相關(guān)。

D1、D2與煤樣固定碳含量均呈現(xiàn)出“U”字形關(guān)系，所有數(shù)據(jù)點均位于“U”字形右側(cè)，即上升階段（圖6-e、f）。隨著煤中固定碳含量的增加，煤孔隙表面變得更加粗糙，孔隙結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜。這是因為伴隨著不斷增加的固定碳含量，脫揮發(fā)分作用逐漸喪失主導(dǎo)地位，取而代之的是煤中過渡孔占比和體積逐漸降低，而微孔占比和體積逐漸增高。較高的微孔占比導(dǎo)致了固定碳含量較高的煤具有較高的分形維數(shù)[39]。

D1與海拉爾盆地褐煤Ro，max呈倒“U”字形關(guān)系，且樣品點均位于倒“U”字形右側(cè)，即下降階段（圖6-g），隨著Ro，max的增加，煤孔隙表面變得光滑。其他盆地的中低階煤D1與Ro，max無明顯關(guān)系。這一關(guān)系與姚銘檑等[34]、姚艷斌等[39]的研究結(jié)果相同，與李振等[8]對于高階煤的認(rèn)識明顯不同，倒“U”字形關(guān)系只適用于海拉爾盆地褐煤，其他盆地的中低階煤，Ro，max與D1并不服從這一規(guī)律。Ro，max與煤中水分含量、灰分產(chǎn)率等關(guān)系密切，而這些因素又與D1呈現(xiàn)出不同的關(guān)系，導(dǎo)致D1與Ro，max的關(guān)系不明顯。D2與海拉爾盆地褐煤Ro，max無明顯關(guān)系，但與其他盆地中低階煤樣呈倒“U”字形關(guān)系，所有樣品點均位于倒“U”字形左側(cè)，即上升階段（圖6-h），隨著Ro，max的增加，煤孔隙結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。

圖6 分形維數(shù)與煤質(zhì)及最大鏡質(zhì)體反射率的關(guān)系圖

5 結(jié)論

1）海拉爾盆地大磨拐河組及伊敏組的煤樣為“高水分、低灰分、高揮發(fā)分、特低固定碳”的褐煤，具有較小的比表面積、較大的總孔體積和較大的平均孔徑，液氮吸附微孔、過渡孔、中孔平均占比分別為19.72%、72.62%、7.66%。

2）海拉爾盆地褐煤的吸附、脫附曲線類型可以分為3種類型：A型孔隙形態(tài)為開放型的平板孔及圓筒孔，煤樣具有較大的比表面積、總孔體積和較小的平均孔徑；B型孔隙形態(tài)為開放型的平板孔及楔形孔，煤樣具有較小的比表面積、總孔體積和較大的平均孔徑；C型孔隙形態(tài)為一端封閉的平行板狀孔及楔形孔，煤樣具有較小的比表面積和較大的總孔體積、平均孔徑。

3）隨著Ro，max增加，海拉爾盆地褐煤比表面積先迅速減小而后趨于穩(wěn)定，煤中水分含量、灰分產(chǎn)率及揮發(fā)分產(chǎn)率均呈現(xiàn)出先減小而后保持穩(wěn)定的趨勢，固定碳含量隨Ro，max的增大先增大，而后保持穩(wěn)定。Ro，max與平均孔徑關(guān)系不明顯，與微孔及過渡孔占比分別呈倒“U”字形及“U”字形關(guān)系。

4）海拉爾盆地褐煤分形維數(shù)D1、D2分別表征了煤孔隙表面和結(jié)構(gòu)分形維數(shù)。微孔占比與D1無關(guān)，與D2呈正相關(guān)；過渡孔占比與D1無關(guān)，與D2呈負(fù)相關(guān)；水分含量與D1無關(guān)，與D2呈負(fù)相關(guān)；D1、D2與煤樣灰分產(chǎn)率均呈正相關(guān)；D1、D2與煤樣固定碳含量均呈現(xiàn)出“U”字形關(guān)系；Ro，max與D1呈倒“U”字形關(guān)系，與D2無關(guān)。