張開仲，程遠(yuǎn)平，王 亮，胡 彪，李 偉

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦山互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008;2.中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008;3.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116;4.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯治理國家工程研究中心，江蘇 徐州 221116)

煤炭在新時代的能源體系下被賦予了維護(hù)國家宏觀經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運(yùn)行的“壓艙石”角色，煤炭資源在未來長時期內(nèi)依舊會以支配能源占據(jù)較強(qiáng)的競爭優(yōu)勢[1]。礦井瓦斯是一種與煤炭伴生的高效清潔煤炭能源，煤層瓦斯抽采對保障煤礦安全高效生產(chǎn)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)等具有重要意義[2]。我國深部煤層普遍存在“高儲低滲”特征，導(dǎo)致瓦斯抽采難度不斷增大，深刻理解煤儲層復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及瓦斯儲運(yùn)特性對實(shí)現(xiàn)瓦斯高效抽采利用具有重要意義[3]。煤的孔隙結(jié)構(gòu)對瓦斯氣體賦存運(yùn)移特性及其行為具有至關(guān)重要的控制作用，煤中復(fù)雜孔隙網(wǎng)絡(luò)特征是揭示煤層瓦斯賦存機(jī)理與運(yùn)移規(guī)律的基礎(chǔ)，其發(fā)育程度、孔隙率、展布形態(tài)及連通性能等影響礦井瓦斯異常富集和瓦斯災(zāi)害[4-5]。

煤儲層具有多尺度特征，煤巖具有孔隙類型多樣化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、各向異性、非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，儲層尺度的表征是評價瓦斯流動特性的關(guān)鍵因素，一直以來都作為一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)研究工作[6-7]。隨著現(xiàn)代分析測試技術(shù)的發(fā)展和高科技觀測手段的應(yīng)用，針對儲層孔隙結(jié)構(gòu)的研究體現(xiàn)出由宏觀尺度、介觀尺度向微觀尺度發(fā)展的趨勢。在宏觀尺度上，主要對宏觀割理和微裂隙長度、密度、分布和連通性等直觀統(tǒng)計(jì)描述與觀測，更清晰地描述裂隙發(fā)育程度、礦物質(zhì)填充情況及受構(gòu)造應(yīng)力而呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷等，表征手段包括肉眼觀測法和顯微觀察法等[8-9]。在介觀尺度上，主要對孔隙系統(tǒng)各向異性、微觀孔隙和裂縫分布、表觀形貌與粗糙程度、微米級孔裂隙結(jié)構(gòu)三維重建等進(jìn)行精細(xì)定量化研究，表征手段包括光電輻射法和數(shù)字巖心法等[10-12]。在微觀尺度上，主要對煤基質(zhì)微納米孔徑分布、納米晶格結(jié)構(gòu)排布以及微晶形態(tài)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行多角度多維度研究，表征手段包括氣體吸附法、化學(xué)測試手段和射線探測法等[7,13]。目前文獻(xiàn)對孔隙多尺度結(jié)構(gòu)表征上多局限于單一尺度和常規(guī)分析手段，其研究重點(diǎn)也多集中于表面特征及傳統(tǒng)參數(shù)等，缺少多尺度多維度的微觀結(jié)構(gòu)定性或定量分析方法的聯(lián)動性和系統(tǒng)性[14]。此外，針對煤的孔隙結(jié)構(gòu)模型表征的研究也多以不同孔隙類型有效性為主的形態(tài)化傳統(tǒng)模型或以簡單幾何形狀為主的幾何化理論模型，鮮有從孔隙多級性、網(wǎng)絡(luò)特性、拓?fù)溥B通性、自相似性等角度構(gòu)建的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型[15-16]。

煤的孔隙結(jié)構(gòu)精細(xì)定量表征的關(guān)鍵和前提是孔隙分類標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外眾多學(xué)者根據(jù)研究對象、分類依據(jù)、測試手段和應(yīng)用范圍等，分別從孔隙空間尺度特征、幾何形態(tài)、賦存及運(yùn)移機(jī)理進(jìn)行了劃分?？臻g尺度方面，蘇聯(lián)學(xué)者XОДОТ[17]根據(jù)固體孔的平均寬度范圍與固氣分子作用效應(yīng)提出了十進(jìn)制劃分方案；DUBININ[18]根據(jù)吸附質(zhì)的吸附機(jī)理和吸附劑的表面性質(zhì)區(qū)分出大孔、介孔、過渡孔和微孔；IUPAC總結(jié)了不同種類多孔介質(zhì)性質(zhì)及物理過程并劃分出微孔、介孔和大孔[19]。對于幾何形態(tài)方面，吳俊等[20]利用壓汞曲線或液氮吸附曲線形態(tài)特征間接推測出管狀、板狀、墨水瓶狀兼其他形貌等多種孔隙類型。對于賦存和運(yùn)移方面，傅雪海等[21]通過孔隙的分形特征研究，認(rèn)為滲流孔和吸附孔的孔徑界線為75 nm；桑樹勛等[22]提出基于儲層孔隙結(jié)構(gòu)固氣作用的分類系統(tǒng)。受限于理論方法和模型構(gòu)建，常常忽略瓦斯在多級孔隙內(nèi)的存在形式，針對考慮瓦斯賦存和運(yùn)移特性的孔隙分類少有涉及。

因此，筆者基于煤中瓦斯賦存和運(yùn)移方式的本質(zhì)差異性，通過光電輻射技術(shù)、流體侵入法和數(shù)字巖心技術(shù)，分別從孔隙多級性、網(wǎng)絡(luò)特性、連通性、自相似性等角度開展對煤中孔隙結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)、拓?fù)鋵W(xué)、幾何學(xué)新表征，為揭示煤層瓦斯賦存運(yùn)移機(jī)理及高效抽采利用提供理論支撐。

1 研究方法

1.1 煤樣制備

實(shí)驗(yàn)煤樣所選的高階無煙煤采自寺家莊煤礦(原生煤SJZY和構(gòu)造煤SJZG)，低階長焰煤采自園子溝煤礦(原生煤YZG)。根據(jù)不同礦井軟硬煤層區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn)，從新鮮暴露的工作面煤壁上采集相應(yīng)的原生煤塊和構(gòu)造煤塊，立刻密封保存，快速送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行去矸、物理破碎。隨后，采用物理破碎法和鉆割取樣法根據(jù)本章實(shí)驗(yàn)需要來破碎、鉆割或篩分出合適塊體或粒徑范圍：場發(fā)射式掃描電鏡(1～3 cm)、壓汞法(1～3 mm)、物理吸附法(0.20～0.25 mm)、數(shù)字巖心(0.5～1.0 cm)。煤樣的工業(yè)分析、吸附常數(shù)、堅(jiān)固性系數(shù)f和瓦斯放散初速度Δp等基礎(chǔ)物性參數(shù)測定結(jié)果見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣的基礎(chǔ)物性參數(shù)Table 1 Basic parameters of coal samples

從表1可看出，YZG煤樣的水分和揮發(fā)分高于SJZY煤樣和SJZG煤樣，說明低變質(zhì)程度煤具有較強(qiáng)的持水能力。SJZG煤樣具有較大的極限吸附量和更快的吸附氣體平衡時間，同時較低的堅(jiān)固性系數(shù)和較高的瓦斯放散初速度也說明構(gòu)造煤質(zhì)地松軟易破碎，具有較強(qiáng)的氣體瞬間解吸能力。

1.2 煤的孔隙表征方法

筆者所用到的光電輻射和數(shù)字巖心技術(shù)主要是通過光輻射源、電磁波、光子、粒子等形式對煤樣結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部進(jìn)行多維成像、形態(tài)探測和空間識別等，包括場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、計(jì)算機(jī)斷層掃描(Micro-CT)、聚焦離子束掃描電鏡(FIB-SEM)等。流體侵入法主要是基于傳統(tǒng)宏觀熱力學(xué)、分子動力學(xué)、流體力學(xué)等理論，通過分子探針或流體侵入等手段間接地進(jìn)行綜合全方位的定量分析煤的全尺度孔隙形態(tài)結(jié)構(gòu)，包括物理吸附法(低溫N2吸附和CO2吸附)和壓汞法(MIP)。由于不同表征方法對應(yīng)著不同的孔隙結(jié)構(gòu)尺度，筆者基于孔隙表征方法之間聯(lián)動性來全方位研究煤的全尺度孔隙形態(tài)特征和拓?fù)涮卣鳎鐖D1所示。

圖1 煤樣準(zhǔn)備和孔隙表征方案Fig.1 Coal sample preparation and pore characterization

1.2.1 光電輻射和數(shù)字巖心技術(shù)

筆者采用德國蔡司(Carl Zeiss)公司Crossbeam 540型場發(fā)射式電子顯微鏡，利用高壓電場的場發(fā)射電子束獲得煤體表觀形態(tài)成像的高亮度、高分辨率和高清晰度?；跀?shù)字巖心的三維可視化多尺度表征是通過細(xì)觀尺度下的Micro-CT和微觀尺度下的聚焦離子束掃描電鏡(FIB-SEM)來共同聯(lián)動實(shí)現(xiàn)的。其中Micro-CT采用德國蔡司(Carl Zeiss)公司Xradia 510 Versa型高分辨三維X射線顯微成像系統(tǒng)(3D-XRM)，同時利用Crossbeam 540型FIB-SEM，搭配鎵離子束對煤樣指定位置進(jìn)行表面成像，獲得一系列微納米視域電鏡二維成像，并進(jìn)行批量堆疊、重組、偏移校準(zhǔn)，最終導(dǎo)入三維可視化軟件來獲得精細(xì)納米結(jié)構(gòu)的三維成像。

由于構(gòu)造軟煤本身具有低強(qiáng)度、弱黏結(jié)特性，在樣品準(zhǔn)備過程中需要特別留意溫度和濕度等環(huán)境因素對樣品本身的影響，確保樣品在常溫常壓下狀態(tài)穩(wěn)定?？紤]小煤塊大小、形狀不規(guī)則，以及Micro-CT對于樣品外觀的要求，使用粗顆粒砂紙進(jìn)行形態(tài)打磨，再用細(xì)砂紙進(jìn)行精細(xì)打磨，最終獲得樣品邊長為0.5～1.0 cm的立方體小煤塊，用于粗略掃描(粗掃)和精細(xì)掃描(細(xì)掃)。對于用于測試FIB-SEM的煤樣，通過對樣品進(jìn)行大塊切割、機(jī)械打磨、粗細(xì)粒砂紙打磨、氬離子拋光、噴金或噴碳處理等一系列流程，獲取標(biāo)準(zhǔn)樣品用于微納米尺度精細(xì)表征。由于樣品制備的復(fù)雜性及設(shè)備使用的昂貴性，筆者僅選用SJZY煤樣進(jìn)行微納米尺度孔隙結(jié)構(gòu)的三維表征。

1.2.2 流體侵入法

采用美國康塔(Quantachrome)公司PoreMaster 33型全自動壓汞儀對煤中幾納米至幾百微米的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行形態(tài)學(xué)研究。汞侵入實(shí)驗(yàn)過程中，高壓力汞可能會對較小孔隙產(chǎn)生損傷破壞和壓縮效應(yīng)，但可以準(zhǔn)確有效地展現(xiàn)較大孔隙(50～1.05×104nm)信息[23]。對于孔徑范圍在50 nm以下的介孔和微孔形態(tài)學(xué)表征，以N2和CO2作為探針分子的物理吸附法是通過美國康塔(Quantachrome)公司Autosorb iQ2型氣體吸附分析儀來實(shí)現(xiàn)的。其中，N2(77 K)吸附分析介孔是基于傳統(tǒng)宏觀熱力學(xué)的Barrett-Joyner-Halenda(BJH)模型和基于分子動力學(xué)的驟冷固體密度泛函理論(QSDFT)來開展的，CO2(273 K)吸附分析微孔依靠較小的分子動力學(xué)直徑和較短的吸附時間有效地分析0.35～1.50 nm的微孔[24-25]。根據(jù)壓汞法對大孔階段的表征，物理吸附法對介孔和微孔階段的表征，綜合全方位的研究煤的全尺度孔隙形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)。

2 煤中孔隙結(jié)構(gòu)的多級性

2.1 煤的多級孔隙顯微形態(tài)特征

煤體是一種發(fā)達(dá)的孔隙介質(zhì)固體，煤的多級孔隙系統(tǒng)是由直徑范圍從超微孔(ultramicropore-scale)至毫米級(millimeter-scale)的不同數(shù)量級的孔隙結(jié)構(gòu)組成[7,26]。圖2(a)展示了基于FESEM的煤樣表面局部放大圖(倍數(shù)39×)，可明顯發(fā)現(xiàn)較多的微米級孔裂隙構(gòu)成了煤體內(nèi)重要的氣體運(yùn)移通道。

通過對該區(qū)域上部紅色虛線框進(jìn)一步放大(倍數(shù)342×)，可觀察到圖2(b)中凹面區(qū)域發(fā)育著數(shù)量眾多的外生孔群，以及無機(jī)礦物質(zhì)互相堆疊形成的扭曲性微裂隙及礦物填充孔隙；對該區(qū)域再進(jìn)行局部放大(倍數(shù)1 470×)，如圖2(c)所示，楔形孔內(nèi)充填著大量無機(jī)礦物質(zhì)，在礦物成分表面發(fā)育著微米溶蝕孔，多為蜂窩狀規(guī)則孔隙群，該類形態(tài)結(jié)構(gòu)的高分辨率局部放大結(jié)果(倍數(shù)4 940×)如圖2(d)所示。繼續(xù)將圖2(a)左部綠色虛線方框的區(qū)域進(jìn)行逐級放大，可得到圖2(e),(f)，可以看出以梨形和月牙形為主的氣孔發(fā)育在煤體表面。將圖2(a)下部藍(lán)色虛線方框的區(qū)域進(jìn)一步放大(倍數(shù)8 110×)，可得到圖2(g)，該區(qū)域表面部分有機(jī)物發(fā)生碎裂并堆疊在煤基質(zhì)孔壁周邊，在無機(jī)礦物顆粒的填充下，共同演化形成了三角形或狹縫狀的角礫孔，對該區(qū)域再進(jìn)行局部放大(倍數(shù)45 840×)，可得到圖2(h)。

由此可見，高分辨率電鏡圖像可清晰判斷煤中不同成因類型的孔隙，低倍數(shù)下的煤中孔隙結(jié)構(gòu)電鏡成像主要是由受到外應(yīng)力破壞而形成的角礫孔或碎粒孔等外生孔隙，而高倍數(shù)電鏡成像多以填充碎屑礦物受到溶蝕而形成的礦物質(zhì)孔為主，整體多級孔隙成像由大尺度不規(guī)則外生孔往小尺度規(guī)則圓形孔或橢圓形礦物質(zhì)孔或晶間氣孔轉(zhuǎn)變。

2.2 煤的多級孔徑分布特征

煤儲層瓦斯運(yùn)移經(jīng)歷煤中“微孔系統(tǒng)-擴(kuò)散系統(tǒng)-滲流系統(tǒng)”跨尺度過程，而決定流體運(yùn)移路徑的重點(diǎn)在于分布范圍廣泛的多級孔徑分布特征[27]。

通過基于壓汞法和物理吸附法的流體侵入法聯(lián)合表征可以間接獲取煤的全尺度孔隙形態(tài)特征，如圖3所示(dV(d)為以直經(jīng)為d為自變量的體積分布函數(shù))。從圖3可以看出，SJZG煤樣大孔階段孔容相比SJZY具有明顯增大趨勢，且YZG煤樣在大孔階段同樣占主導(dǎo)地位，主要是由于低壓段汞液侵入煤中粒間孔導(dǎo)致的，其中構(gòu)造煤粒間孔更加發(fā)育。若排除粒間孔因素，壓汞法測定的階段孔容特征大致表現(xiàn)出隨孔徑分布增加而下降的趨勢。基于N2(77 K)和CO2(273 K)的物理吸附法主要測定孔徑小于300 nm的孔隙分布情況，如圖3所示。

圖3 基于流體侵入法的原生煤和構(gòu)造煤多級孔徑分布特征Fig.3 Multiscale pore size distribution of original and tectoniccoals based on fluid intrusion method

其中，BJH-N2對應(yīng)的介孔范圍主要在3～5 nm，DFT-CO2對應(yīng)的微孔范圍集中在0.35～0.65 nm和0.7～0.9 nm，經(jīng)過構(gòu)造變形作用后，DFT-N2對應(yīng)的超微孔(0.7～2.0 nm)階段和介孔(2～50 nm)階段的孔徑范圍在一定程度上有所提升，表明構(gòu)造因素能夠促進(jìn)超微孔和介孔的發(fā)育，而對小于0.7 nm極微孔改造作用不太明顯。整體來看，3種煤樣的微孔階段擁有最發(fā)育孔徑分布，其次是介孔和大孔階段，大致呈現(xiàn)出遞減的趨勢。

為了定量表征不同階段孔隙發(fā)育情況，進(jìn)一步獲得不同煤樣的孔容(PV)和比表面積(SSA)，通過壓汞法測定大于50 nm大孔結(jié)構(gòu)，利用N2(77 K)吸附實(shí)驗(yàn)BJH方法分析2～50 nm范圍的介孔結(jié)構(gòu)，利用CO2(273 K)吸附實(shí)驗(yàn)DFT方法分析0.33～1.50 nm的微孔結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 煤中不同孔隙結(jié)構(gòu)的孔容和比表面積

整體來看，3種煤樣的微孔階段擁有最發(fā)育孔容(0.037～0.096 mL/g)和比表面積(109.489～323.198 m2/g)，占比分別為56%～85%和92%～98%，遠(yuǎn)高于介孔和大孔階段，不同階段孔隙的孔容和比表面積大小呈現(xiàn)依次減小的趨勢。

2.3 煤的多級孔隙空間分布特征

通過軟件內(nèi)置算法模塊對煤樣的Micro-CT圖像進(jìn)行去噪、閾值分割、連通單元分析、Multi-ROI、輪廓網(wǎng)格化以及三維模型重構(gòu)等，獲得煤的微觀結(jié)構(gòu)三維重構(gòu)，具體過程詳見文獻(xiàn)[28]。為了更好呈現(xiàn)可視化表征結(jié)果，展示孔裂隙網(wǎng)絡(luò)與有機(jī)質(zhì)的空間配置關(guān)系，分別提取基于三維體渲染模型和蒙皮模型的粗掃和細(xì)掃多級可視化重構(gòu)結(jié)果進(jìn)行深入分析，如圖4所示。

圖4 基于Micro-CT的煤體微觀結(jié)構(gòu)三維可視化重構(gòu)Fig.4 3D visualization reconstruction of coal microstructure based on Micro-CT

從SJZY煤樣的重構(gòu)結(jié)果來看，樣品內(nèi)部以毫米級至微米級裂隙發(fā)育為主，個別區(qū)域伴有少量微米級孤立孔隙均勻分布。通過局部放大發(fā)現(xiàn)，裂隙網(wǎng)絡(luò)展示出近似垂直分布的面割理和端割理，規(guī)則地將煤基質(zhì)劃分成立方體塊；局部展示出集中分布的微米級片狀孔隙群，是儲層游離氣體運(yùn)移的關(guān)鍵。從SJZG煤樣的重構(gòu)結(jié)果來看，微米級的割理系統(tǒng)消失，取而代之的是均勻分散分布的微小尺度裂隙及次生孔隙連通基團(tuán)，受構(gòu)造影響后其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)育整體較松散，眾多微裂隙和孔隙網(wǎng)絡(luò)也在一定程度上增加空間連通性，使更多氣體聚集在運(yùn)移空間中，增強(qiáng)了其內(nèi)部區(qū)域與外界的接觸通道，導(dǎo)致孔隙度大幅增加。從YZG煤樣的重構(gòu)結(jié)果來看，該尺度空間內(nèi)具有一定量的微小孔隙分布，局部區(qū)域伴有一些微米級片狀孔隙群，說明低階長焰煤的微裂隙空間最不發(fā)育，以均勻分布的微裂隙及零星分布的微米孔隙連通基團(tuán)為主。

為了進(jìn)一步論證孔隙結(jié)構(gòu)多級性，采用基于Micro-CT和FIB-SEM的數(shù)字巖心聯(lián)合表征煤體多尺度空間結(jié)構(gòu)特征，如圖5所示。其中，基于Micro-CT的煤樣毫米尺度空間內(nèi)存在交叉分布的毫米級割理結(jié)構(gòu)，局部有少量微米級孤立孔隙均勻分布；通過局部放大興趣區(qū)域發(fā)現(xiàn)，煤樣的微米尺度空間內(nèi)同樣存在互相垂直的割理分布，并伴有局部集中的片狀孔隙，這表明煤體微觀結(jié)構(gòu)從毫米尺度向微米尺度的過渡存在一定的自相似性，它們共同構(gòu)成了煤體內(nèi)部氣體滲流空間?；贔IB-SEM的煤樣微納米尺度孔隙三維重構(gòu)結(jié)果如圖5所示，從圖5可看出，隨著進(jìn)一步減小表征尺度及興趣區(qū)域，微納米尺度下的煤樣微觀結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)出具有一定規(guī)模大小的骨架結(jié)構(gòu)，伴有零星分布的納米孔隙群，不同尺度間同樣具備形態(tài)結(jié)構(gòu)的自相似特性，共同構(gòu)成了儲層氣體擴(kuò)散和滲流的微尺度通道。

圖5 基于數(shù)字巖心聯(lián)動技術(shù)的煤體多尺度空間結(jié)構(gòu)特征Fig.5 Multiscale spatial microstructure characteristics based on digital core linkage technology

3 煤中孔隙結(jié)構(gòu)的連通相似性

3.1 煤的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連通特征

煤作為含有大量孔隙和裂隙的復(fù)雜多孔介質(zhì)，需考慮微觀結(jié)構(gòu)在受到復(fù)雜多變因素影響后的連通特性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變性[29]。結(jié)合上述流體侵入法和數(shù)字巖心技術(shù)的表征結(jié)果，分別從形態(tài)學(xué)和拓?fù)鋵W(xué)角度開展孔隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連通特性的深入探討。

從孔隙連通性角度出發(fā)，按照孔隙形態(tài)可以將煤中孔隙劃分為容易將汞排出且無孔喉限制的有效孔(開放孔和半開放孔)和能夠滯留汞且有孔喉限制的無效孔(限制型孔)，如圖6所示。這里，與外界連通的孔隙總孔容對應(yīng)著進(jìn)汞曲線的總進(jìn)汞量，而有效孔的孔容對應(yīng)著退汞曲線的總退汞量，因而無效孔的孔容可視為進(jìn)退汞的滯后環(huán)大小。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，相比SJZY煤樣，SJZG煤樣的總孔容從0.046 5 mL/g增加到0.078 6 mL/g，且有效孔的孔容從0.041 2 mL/g增加到0.053 8 mL/g，但有效孔占總孔容的比例從88.62%降至68.56%，說明構(gòu)造作用導(dǎo)致無效孔數(shù)量的增多，這在一定程度上會容易導(dǎo)致瓦斯在高階煤中的積聚。對于YZG煤樣來說，有效孔占比僅為50.66%，遠(yuǎn)低于高階煤的有效孔占比，這也表明YZG煤樣內(nèi)存在大量不利于瓦斯正常運(yùn)移的無效通道，可能促進(jìn)儲層瓦斯集聚。綜合來看，構(gòu)造作用和低變質(zhì)因素均會產(chǎn)生更多抑制瓦斯有效運(yùn)移的限制型孔隙空間，這更會導(dǎo)致進(jìn)退汞曲線間產(chǎn)生不同步性，即滯后環(huán)現(xiàn)象[30]。因而，壓汞曲線滯后環(huán)現(xiàn)象能夠在一定程度上反映孔隙網(wǎng)絡(luò)的連通性[31]。此外，如圖6所示，通過壓汞法還可以獲得煤中孔隙的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)(孔喉比和曲折度)[32]。通過計(jì)算可知，3種煤樣的孔喉比依次增加而曲折度依次減小，說明構(gòu)造作用導(dǎo)致流體運(yùn)移難度減小且運(yùn)移路徑縮短，構(gòu)造煤孔隙復(fù)雜程度降低并促使汞液排出，YZG煤樣的具有最小的曲折度和最大孔喉比，該形態(tài)結(jié)構(gòu)配置關(guān)系促使氣體更易產(chǎn)生游離態(tài)，并且因限制型結(jié)構(gòu)存在而導(dǎo)致氣體更容易在孔隙內(nèi)積聚。

圖6 煤樣的壓汞進(jìn)退汞曲線及連通性分析Fig.6 Mercury injection and ejection with connectivity analysis

由于煤體內(nèi)部含有非常復(fù)雜且不規(guī)則的微觀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，不利于孔隙拓?fù)鋵W(xué)連通性表征及定量分析，需要基于上述三維可視化重構(gòu)結(jié)果，在維持基本孔隙形態(tài)結(jié)構(gòu)不變的前提下，最大程度保留微觀結(jié)構(gòu)的空間連通性和拓?fù)鋷缀翁卣鱗33]?；谥休S線算法和最大球算法，建立拓?fù)湫再|(zhì)等價性的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型(PNM)，如圖7所示。整體來說，3種煤樣的等效PNM基本與圖4展示的三維可視化重構(gòu)結(jié)果類似，而微觀結(jié)構(gòu)三維連接關(guān)系及排列方式變成以球體簡化的孔腔及以球桿簡化的喉道組成的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[34]。通過對等效PNM進(jìn)行定量表征獲得孔隙配位數(shù)，配位數(shù)越高，孔腔連接喉道數(shù)量越多，煤體內(nèi)部氣體運(yùn)移能力也就相應(yīng)增強(qiáng)。如圖7所示，SJZG煤樣配位數(shù)相比SJZY明顯增大，尤其在2～5，且存在大于10的超高配位數(shù)情況，這說明構(gòu)造因素促使孔腔和喉道之間連通性大幅增強(qiáng)；相比之下，YZG煤樣內(nèi)部連通性較差，煤體內(nèi)以孤立孔隙為主，這不利于流體在其內(nèi)部運(yùn)移。

3.2 煤中多級孔隙結(jié)構(gòu)的分形相似性

根據(jù)前述可知，無論是多級孔徑分布特征或孔隙空間展布特征還是從孔隙網(wǎng)絡(luò)連通特征，煤體微觀多尺度結(jié)構(gòu)均展現(xiàn)出形態(tài)或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自相似性，部分學(xué)者利用分形多孔介質(zhì)理論證實(shí)煤中復(fù)雜無序的孔隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在一定尺度范圍內(nèi)同樣存在分形特征[35]。為了厘清自相似分形煤體在復(fù)雜無序特性中的數(shù)學(xué)有序性，基于壓汞曲線和液氮數(shù)據(jù)分別獲得大孔和小孔結(jié)構(gòu)的分形特征。

對于壓汞法，進(jìn)汞壓力與孔半徑i之間遵循Washburn方程[36]：

dVPi/dPi=cPi(Ds-4)

(1)

式中，VPi為當(dāng)壓力為Pi時孔隙內(nèi)侵入汞的體積，cm3/g；c為比例常數(shù)；Ds為表面分形維數(shù)。

對式(1)兩邊取對數(shù)可得

lg(dVPi/dPi)=lgc+(Ds-4)lgPi

(2)

前人通過壓汞法計(jì)算煤中孔隙分形特征證實(shí)，壓汞分形曲線通常隨汞壓力增大而呈現(xiàn)出3個線性特性[37]。參照上述認(rèn)識，除去高壓段(31.6～205.0 MPa)對煤體壓縮性的影響，將3個煤樣壓汞數(shù)據(jù)代入式(2)，以lg(dVPi/dPi)對lgPi作圖后得到圖8，同時劃分成低壓段(0.01～0.10 MPa)和中壓段(0.1～31.6 MPa)，并根據(jù)擬合線斜率獲得對應(yīng)階段的表面分形維數(shù)。在低壓段，3個煤樣表面分形維數(shù)為1.228 0，1.767 24，1.966 74，都介于1～2，通過研究發(fā)現(xiàn)低壓段分形維數(shù)以煤顆粒間孔隙為主。在中壓段，3個煤樣表面分形維數(shù)為2.837 2，2.244 1，3.015 8，除了YZG煤樣外，SJZG煤樣分形維數(shù)相比SJZY煤樣發(fā)生減小。無論是高壓段還是中壓段，表面分形維數(shù)相關(guān)性系數(shù)大多高于0.95，說明壓汞分形曲線呈現(xiàn)出較顯著的分段特性，即煤體內(nèi)顆粒內(nèi)和顆粒間孔隙均具有較好的分形規(guī)律。

圖7 基于Micro-CT的煤體微觀結(jié)構(gòu)孔隙網(wǎng)絡(luò)模型及配位數(shù)Fig.7 Microstructural pore network model and coordination number of coals based on Micro-CT

對于N2(77 K)吸附法，采用FHH模型描述吸附壓力、孔容和分形維數(shù)之間的關(guān)系，通過兩端同時取對數(shù)獲得式(3)[38]：

ln(V/Vm)=c+(DF-3)ln[ln(P0/P)]

(3)

式中，V為氣體吸附量，cm3/g；Vm為單分子層吸附量，cm3/g；DF為FHH分形維數(shù)；P0/P為氣體相對吸附壓力的倒數(shù)。

將3個煤樣的液氮吸附數(shù)據(jù)代入式(3)，以ln[ln(P0/P)]對ln(V/Vm)作圖，根據(jù)擬合線斜率獲得表面分形維數(shù)，如圖8所示。前人采用FHH模型對液氮數(shù)據(jù)擬合獲得中低壓段的表面分形維數(shù)和高壓段的空間分形維數(shù)[39]。3個煤樣表面分形維數(shù)分別為2.676 2，2.697 1，2.828 1，且相關(guān)性系數(shù)0.99以上；空間分形維數(shù)分別為2.130 9，2.212 8，2.410 6，且相關(guān)性系數(shù)0.98以上，說明液氮分形曲線呈現(xiàn)出較顯著的分段特性。通常來說，表面和空間分形維數(shù)越大，孔隙表面越粗糙、孔隙空間越復(fù)雜。整體上，SZJG煤樣空間復(fù)雜程度高于SJZY煤樣，而YZG煤樣具有最粗糙和復(fù)雜的孔隙系統(tǒng)。

綜上所述，通過壓汞曲線和液氮吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分形分析可知，3個煤樣均具有顯著的分段特性，說明煤體內(nèi)部孔隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有很好的分形相似性。無論是煤體宏觀尺度上的復(fù)雜割理網(wǎng)絡(luò)還是微觀尺度上多級孔隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，都可以從幾何學(xué)角度轉(zhuǎn)化為具備自相似分形延展網(wǎng)絡(luò)下的類樹狀分支分形結(jié)構(gòu)，即基于泰勒多邊形的煤體微觀分形結(jié)構(gòu)[40]。從圖9可明確看出，多級孔隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有高度自相似性，不同尺度孔隙之間以串聯(lián)為主，少數(shù)孔隙存在并聯(lián)配置關(guān)系。另外，不論是原生煤還是構(gòu)造煤，從空間幾何角度來說，圖中的分形結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為由若干束管狀粒間通道形成的毛細(xì)管束狀結(jié)構(gòu)，下面從分形多孔介質(zhì)理論出發(fā)進(jìn)一步論證煤體作為分形幾何體的可靠性[41]。

事實(shí)上，煤體作為典型的復(fù)雜多孔介質(zhì)，其內(nèi)部孔隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)符合幾何學(xué)自相似性和分形標(biāo)度定律，也就是參與瓦斯輸運(yùn)的通道在最大直徑χmax和最小直徑χmin之間，與孔隙網(wǎng)絡(luò)通道總數(shù)量Ntotal服從如下數(shù)學(xué)表達(dá)式：

(4)

圖8 基于壓汞法和氣體吸附法的煤樣分形特征Fig.8 Fractal feature of coals based on MIP and physisorption

式中，Df為多孔介質(zhì)空洞大小分形維數(shù)。

在十分龐大的多孔介質(zhì)尺度下，可將孔隙網(wǎng)絡(luò)輸運(yùn)通道看作連續(xù)且可微分的函數(shù)。在這種情況下，對式(4)進(jìn)行通道直徑χ微分：

(5)

對于處在χ和χ+dχ范圍內(nèi)的多級孔隙網(wǎng)絡(luò)通道數(shù)量N在總通道數(shù)量百分比，也可表示輸運(yùn)通道為χ時通道數(shù)量百分比函數(shù)，使用下列表達(dá)式：

(6)

(7)

由式(7)看出該式為煤中多級孔隙網(wǎng)絡(luò)通道分布的概率密度函數(shù)形式，利用概率學(xué)理論歸一化條件的表述，對式(7)進(jìn)行從最小直徑χmin到最大直徑χmax范圍內(nèi)的積分應(yīng)該恒等于1，曲線與坐標(biāo)軸圍成的封閉圖形面積積分也應(yīng)該始終為1，即

(8)

圖9 等效煤體孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分形幾何特征Fig.9 Fractal geometrical characteristic of equivalent pore network structure of coal

基于前述獲得的孔徑分布、孔形、孔喉比、曲折度、配位數(shù)等孔隙特征參數(shù)，分別從孔隙形態(tài)、連通拓?fù)?、分形幾何角度研究煤中微納米尺度的孔隙網(wǎng)絡(luò)連通特征，如圖10所示，微米尺度孔隙聯(lián)通團(tuán)可能“嵌套”若干納米尺度孔隙網(wǎng)絡(luò)基團(tuán)[42]。具體來說，通過流體侵入法和數(shù)字巖心技術(shù)證明構(gòu)造煤孔喉比和曲折度相比原生煤發(fā)生減小而變得更加簡單化，空間展布呈現(xiàn)高連通性、高通達(dá)性的特征，微孔比表面積增大。整體來說，原生煤和構(gòu)造煤的多級孔隙微納米尺度幾何結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)高度的連通相似性。

圖10 煤體多級孔隙等效神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連通相似性示意Fig.10 Schematic diagram of equivalent neural network connectivity and self-similarity of coal pores

4 孔隙內(nèi)瓦斯賦存和運(yùn)移差異性

4.1 瓦斯主要賦存方式的新認(rèn)識

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為煤層中約90%瓦斯是以吸附態(tài)附著在巨大的孔隙內(nèi)表面吸附位上，通過上述研究發(fā)現(xiàn)，煤中孔徑分布是以小于2 nm的微孔為主。通常來說，煤表面對氣體分子的吸附作用主要是通過孔壁吸附勢對氣體分子施加引力進(jìn)行的，不同尺寸孔隙內(nèi)甲烷吸附形式存在差異，其中微孔內(nèi)部吸附力場的相互疊加勢能導(dǎo)致微孔內(nèi)以填充形式富集，而較大孔表面主要以氣體表面覆蓋為主[43]。前人研究不同尺寸碳材料孔隙結(jié)構(gòu)在30 ℃下對甲烷分子吸附模擬發(fā)現(xiàn)，煤中小于1.5 nm微孔內(nèi)甲烷分子所受到范德華力呈現(xiàn)顯著增強(qiáng)，如圖11所示，而較大孔中甲烷分子與孔壁之間產(chǎn)生的作用力影響范圍相對有限，主要由于大于1.5 nm孔徑段的甲烷吸附屬于超臨界吸附，以單分子層吸附為主，并不會發(fā)生多層吸附或毛細(xì)凝聚行為[44]?；诩淄榉肿釉诓煌叽缈紫吨惺艿椒兜氯A力的差異，將小于1.5 nm微孔結(jié)構(gòu)劃分為強(qiáng)吸附勢區(qū)和弱吸附勢區(qū)，將介孔和大孔結(jié)構(gòu)劃分為單分子層吸附區(qū)和游離區(qū)[43]。為了定量表征煤中瓦斯主要賦存方式，采用甲烷極限吸附能力的數(shù)學(xué)計(jì)算模型來估算微孔填充和單層吸附量等吸附形式占比情況[43]。根據(jù)煤中不同吸附區(qū)域甲烷極限吸附能力，繪制出3個煤樣強(qiáng)吸附勢區(qū)、弱吸附勢區(qū)和単分子層吸附區(qū)的吸附能力百分比，如圖11所示。在極限條件下，3種煤樣的微孔強(qiáng)吸附區(qū)吸附能力占比分別為95.00%，94.17%，84.63%，弱吸附區(qū)吸附能力占比分別為2.46%，2.38%，1.79%，因而SJZY煤樣和SZJG煤樣以微孔填充形式吸附的甲烷分子占比總吸附能力分別為97.46%，96.55%，YZG煤樣的外表面積較大，可提供甲烷吸附能力高達(dá)2.801 mL/g(13.58%)，由于低階煤含有較多內(nèi)在水導(dǎo)致微孔填充形式儲存甲烷分子占比86.42%。整體來說，微孔填充形式是煤中瓦斯主要賦存方式。

4.2 瓦斯在煤的多級孔隙內(nèi)賦存和流動形式

煤體是具有復(fù)雜孔裂隙網(wǎng)絡(luò)的“雙重介質(zhì)系統(tǒng)”可燃有機(jī)巖，煤中瓦斯的運(yùn)移產(chǎn)出一般經(jīng)歷解吸、擴(kuò)散和滲流3個階段[5]。由上述可知，煤中甲烷主要以微孔填充形式賦存于小于1.5 nm的微孔結(jié)構(gòu)中，而大于1.5 nm孔隙主要以單層形式吸附于表面單分子層吸附空間內(nèi)，因此可以將小于1.5 nm微孔稱為填充空間或填充孔，如圖12所示?？紫毒W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中儲存大量瓦斯分子作為氣體流動的源頭，如同巨量賦存氣源分子的“儲藏罐”，微孔吸附態(tài)分子的傳質(zhì)過程直接地影響著瓦斯前中期運(yùn)移規(guī)律，并間接控制著瓦斯后期解吸動力學(xué)特征。

由前述可知，煤中分布著多級孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，不同尺寸孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)瓦斯分子運(yùn)移形式不同，大于1.5 nm的孔隙結(jié)構(gòu)存在擴(kuò)散孔和滲流孔2類，即煤中瓦斯的擴(kuò)散和滲流存在尺度邊界。對于煤中擴(kuò)散行為來說，如圖12所示，瓦斯擴(kuò)散通道充當(dāng)著連通填充空間與滲流通道的“橋梁”，主要有氣相擴(kuò)散、表面擴(kuò)散和晶體擴(kuò)散3種形式。氣相擴(kuò)散是煤孔隙內(nèi)游離瓦斯擴(kuò)散的主要形式，主要包括菲克擴(kuò)散、過渡擴(kuò)散和諾森擴(kuò)散，3者可以用表示氣體分子平均自由程和孔隙直徑相對大小的諾森數(shù)來劃分[45]；此外，孔隙表面吸附態(tài)瓦斯分子以表面擴(kuò)散形式從一個吸附位轉(zhuǎn)移到另一個吸附位上，或由吸附態(tài)脫附成游離態(tài)從而參與到氣相擴(kuò)散過程中。對于瓦斯?jié)B流來說，裂隙內(nèi)的瓦斯依靠壓力梯度驅(qū)動而發(fā)生的傳質(zhì)過程遵循Darcy定律，并存在氣體分子滑脫的效應(yīng)。

圖11 甲烷分子吸附勢能分布曲線與煤中甲烷極限吸附行為Fig.11 Adsorption potential energy distribution of methane molecules and the limiting adsorption behavior in coal

對于瓦斯的擴(kuò)散和滲流尺度邊界來說，傅雪海等[21]根據(jù)煤樣壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的孔容與孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)特征，認(rèn)為100 nm可以作為煤中孔裂隙的分界點(diǎn)；后面基于大量孔隙數(shù)據(jù)和瓦斯擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，將孔裂隙分界點(diǎn)細(xì)化至65 nm。盧守青[46]通過對比重塑型煤、構(gòu)造煤及其煤粉孔隙分布特征發(fā)現(xiàn)重塑型煤促使100 nm孔隙大幅提高，并將其作為孔裂隙分界線。桑樹勛等[22]通過研究孔隙結(jié)構(gòu)與氣體運(yùn)移、儲集的相互影響，將100 nm以上孔隙劃定為滲流空間。筆者結(jié)合前人研究經(jīng)驗(yàn)及科研團(tuán)隊(duì)共識，將煤中瓦斯擴(kuò)散孔和滲流孔的邊界尺度劃定為100 nm。為了深入全面認(rèn)識多級孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)的瓦斯吸附解吸、擴(kuò)散和滲流等行為，筆者基于瓦斯分子在煤中多級孔隙內(nèi)的賦存和運(yùn)移差異性提出孔隙分類方法，即填充孔(<1.5 nm)、擴(kuò)散孔(1.5 ～ 100 nm)、滲流孔(>100 nm)，如圖12所示。

5 基于瓦斯賦存和運(yùn)移方式的孔隙網(wǎng)絡(luò)特征表征

結(jié)合前述研究結(jié)果，基于煤中瓦斯賦存和運(yùn)移方式的本質(zhì)差異性，分別從孔隙多級性、網(wǎng)絡(luò)特性、連通性、自相似性等角度開展對煤中孔隙結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)、拓?fù)鋵W(xué)、幾何學(xué)新表征，如圖13所示。

首先，煤中孔隙結(jié)構(gòu)具有“填充孔-擴(kuò)散孔-滲流孔”的多級跨尺度配置關(guān)系。從流體侵入法表征孔徑分布可以發(fā)現(xiàn)孔徑范圍從納米級、微米級到毫米級不等，其中微孔空間占主導(dǎo)地位，且多級孔徑特征均以多峰性且局部主導(dǎo)特征為主，整體呈現(xiàn)出一定相似性；從光電輻射與數(shù)字巖心技術(shù)聯(lián)合表征孔隙表觀形貌和空間分布可以發(fā)現(xiàn)不同尺度之間的多級孔隙形態(tài)結(jié)構(gòu)具備一定自相似特性，微納米尺度下的孔隙結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)出具有一定規(guī)模大小的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，共同構(gòu)成了儲層氣體擴(kuò)散和滲流的微尺度通道，并伴有零星分布的納米微孔隙群，構(gòu)成了瓦斯賦存的主要場所。

圖12 瓦斯在煤的多級孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)的賦存和運(yùn)移形式Fig.12 Gas occurrence and migration of multiscale pore in coal

圖13 考慮瓦斯賦存和運(yùn)移的煤中多級孔隙網(wǎng)絡(luò)表征Fig.13 Characterization of multiscale pore network structure in coal based on gas occurrence and migration mechanism

其次，不同尺度之間的多級孔隙形態(tài)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的拓?fù)溥B通網(wǎng)絡(luò)特征，并具備一定自相似特性。通過流體侵入法可以證實(shí)決定流體運(yùn)移難易程度的有效孔隙占比及其復(fù)雜程度，并根據(jù)壓汞曲線和液氮吸附數(shù)據(jù)分別獲得了大孔和小孔結(jié)構(gòu)的分段(分形)特征；通過數(shù)字巖心技術(shù)可以證實(shí)孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的等效性，并通過配位數(shù)來驗(yàn)證孔隙拓?fù)溥B通性，歸納法總結(jié)出微米尺度孔隙聯(lián)通團(tuán)可能“嵌套”若干納米尺度孔隙網(wǎng)絡(luò)基團(tuán)；同時基于泰勒多邊形的煤體微觀分形結(jié)構(gòu)，闡釋不同尺度孔隙之間以串聯(lián)為主、并聯(lián)為輔的分形配置關(guān)系，并論證煤樣作為分形幾何體的可能性。

最后，瓦斯在煤的多級孔隙內(nèi)賦存和流動形式存在明顯差異性。通過前人研究經(jīng)驗(yàn)及本文數(shù)據(jù)論證，可以認(rèn)為絕大多數(shù)瓦斯分子是以吸附態(tài)附著在“填充孔-擴(kuò)散孔-滲流孔”多級結(jié)構(gòu)上，少量瓦斯分子以游離態(tài)存在，其中微孔填充形式是煤中瓦斯主要賦存方式，小于1.5 nm的填充孔占比通常高于90%，可以類比為煤中瓦斯分子“儲藏罐”。擴(kuò)散孔充當(dāng)著連通填充空間與滲流通道的“橋梁”，介于1.5 ～ 100 nm，而滲流孔內(nèi)瓦斯依靠壓力梯度驅(qū)動而發(fā)生的傳質(zhì)過程，是與外界連通的“門戶”。

6 結(jié) 論

(1)煤中不同階段孔隙隨孔徑分布大致呈遞減的趨勢，其中微孔結(jié)構(gòu)最發(fā)育，孔容和比表面積分別占56%～85%和92%～98%，遠(yuǎn)高于介孔和大孔階段。微納米尺度下的孔隙結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)出具有一定規(guī)模大小的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，共同構(gòu)成了儲層氣體擴(kuò)散和滲流的微尺度通道，并伴有零星分布的納米微孔隙群，構(gòu)成了瓦斯賦存的主要場所。

(2)通過流體侵入法獲得了決定流體運(yùn)移難易程度的有效孔隙占比及其形態(tài)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度；通過數(shù)字巖心技術(shù)獲得了拓?fù)湫再|(zhì)等價性的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)配位數(shù)驗(yàn)證了孔隙拓?fù)溥B通性，并建立了微米尺度“嵌套式”納米孔隙聯(lián)通基團(tuán)網(wǎng)絡(luò)模型；根據(jù)流體侵入法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得了不同階段孔隙的分段特征，基于泰勒多邊形的煤體微觀分形結(jié)構(gòu)闡釋不同孔隙之間以串聯(lián)為主的結(jié)構(gòu)配置關(guān)系，同時證明煤樣作為分形幾何體的可能性。

(3)通過前人經(jīng)驗(yàn)及本文研究結(jié)果論證了瓦斯在“填充孔-擴(kuò)散孔-滲流孔”多級孔隙內(nèi)賦存和流動形式的差異性，其中微孔填充形式是煤中瓦斯主要賦存方式，填充孔(<1.5 nm)占比大都高于90%，相當(dāng)于瓦斯分子“儲藏罐”，擴(kuò)散孔(1.5 ～ 100 nm)充當(dāng)著連通填充空間與滲流通道的“橋梁”，滲流孔(>100 nm)充當(dāng)與外界連通的“門戶”；最終從孔隙多級性、網(wǎng)絡(luò)特性、連通性、自相似性等角度重新認(rèn)識并構(gòu)建了基于瓦斯賦存和運(yùn)移方式的孔隙網(wǎng)絡(luò)特征的表征模型。