基于FE-SEM的微生物降解煤巖孔隙演化特征

鮑 園，安 超

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021)

據(jù)中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)局2021年發(fā)布的天然氣發(fā)展報(bào)告顯示，中國(guó)天然氣對(duì)外進(jìn)口量逐年攀升，2020年已達(dá)40%以上[1]，在能源供求關(guān)系日益緊張與“碳達(dá)峰、碳中和”雙碳目標(biāo)的形勢(shì)下，給我國(guó)天然氣的開(kāi)發(fā)帶來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[2]。中國(guó)煤層氣資源儲(chǔ)量巨大，僅2 000 m以淺的煤層氣地質(zhì)資源量就達(dá)36.81萬(wàn)億m3[3-4]，是天然氣的重要補(bǔ)充。開(kāi)發(fā)煤層氣不僅可以緩解我國(guó)天然氣的緊張局面，還可以減少煤礦瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生。自SCOTT等[5]在San Juan盆地發(fā)現(xiàn)次生生物氣以來(lái)，次生生物氣受到世界各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注[6-8]，近年來(lái)，有關(guān)微生物降解煤巖生烴和儲(chǔ)層改造的研究成果也相繼被報(bào)道[9-11]，據(jù)此，有學(xué)者提出了微生物強(qiáng)化煤層氣產(chǎn)出(Microbial Enhanced Coalbed Methane，MECBM)[12]和煤層氣生物工程(Coalbed Gas Bioengineering，CGB)[13]等理念。PANDEY等[14]利用掃描電鏡研究了微生物降解前后的煤巖微觀孔裂隙發(fā)育特征，認(rèn)為微生物降解作用會(huì)使煤體表面的微米孔變大，并出現(xiàn)新的孔隙及微裂縫。筆者[15]基于低溫氮?dú)馕胶虵HH分形維數(shù)研究發(fā)現(xiàn)微生物降解作用對(duì)煤巖微米級(jí)孔隙改善作用明顯，而對(duì)納米級(jí)孔隙改造作用較小。王超勇等[16]利用低溫氮?dú)馕胶透邏簤汗⑷氲仁侄窝芯苛嗣合涤袡C(jī)巖微生物改造特征，認(rèn)為微生物降解后煤巖微米孔孔容增加，微納孔和納米孔孔容減小，孔隙比表面積降低，平均孔隙直徑增大。這些結(jié)論只是儲(chǔ)層孔隙對(duì)比前后變化的結(jié)果，缺乏煤有機(jī)質(zhì)降解和微觀孔隙結(jié)構(gòu)改造的直接證據(jù)。由于煤儲(chǔ)層是一種由裂隙-孔隙組成的雙重孔隙介質(zhì)[17]，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，嚴(yán)重制約微生物的活動(dòng)空間和煤層氣的運(yùn)移與富集，因此，研究煤儲(chǔ)層內(nèi)部孔裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征對(duì)認(rèn)識(shí)煤層氣的富集、微生物的活性及煤層氣的開(kāi)發(fā)等均具有重要意義。

近年來(lái)由于微觀成像技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)煤基質(zhì)表面形態(tài)特征研究也進(jìn)入到微、納米尺度[18]，掃描電鏡因其可以直接觀測(cè)煤基質(zhì)表面的微觀形貌，在孔隙結(jié)構(gòu)變化研究方面相較光學(xué)顯微鏡具有更為明顯的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者借助掃描電鏡對(duì)煤有機(jī)顯微組分、煤中礦物質(zhì)成分、孔裂隙發(fā)育特征以及煤體結(jié)構(gòu)等均做了大量研究工作[19-21]。任有中等[22]對(duì)煤粉進(jìn)行掃描電鏡觀察分析，發(fā)現(xiàn)孔洞結(jié)構(gòu)的分形特征明顯；文虎等[23]利用掃描電鏡下的分形維數(shù)定量描述了煤體裂隙的發(fā)育程度。但前人應(yīng)用掃描電鏡分析主要集中在各種材料的定性表征方面，對(duì)于定量分析研究甚少[24]。隨著分形理論的不斷發(fā)展，有學(xué)者將分形理論與掃描電鏡圖片結(jié)合用于分析多孔材料表面的不規(guī)則性[25]，如余志龍等[26]計(jì)算了混凝土的分形維數(shù)，為混凝土材料的微觀孔隙結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系提供思路；郝凱越等[27]研究了活性污泥中，盒維數(shù)與不同水力停留時(shí)間和紫外線照射的關(guān)系?；赟EM圖像運(yùn)用分形維數(shù)理論在研究材料性質(zhì)方面應(yīng)用較多[28]，但是在煤孔隙結(jié)構(gòu)表征及微生物降解作用方面鮮見(jiàn)報(bào)道。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者以鄂爾多斯盆地南部黃陵礦區(qū)侏羅系延安組煤層為研究對(duì)象，通過(guò)30 d的微生物降解煤模擬實(shí)驗(yàn)，借助場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡技術(shù)定性觀察煤巖表面孔隙變化，并將盒維數(shù)分形理論引入煤孔隙的定量化表征，定量評(píng)價(jià)生物氣化過(guò)程中煤巖表面微觀孔隙結(jié)構(gòu)的改造特征，研究成果可為煤層氣生物工程的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品采集與制備

樣品采自黃隴侏羅紀(jì)煤田黃陵礦區(qū)二號(hào)煤礦侏羅系井下采掘工作面，煤巖鏡質(zhì)體最大反射率Ro,max為0.68%，屬中-低階煤，鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63%，殼質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%，惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%。鏡質(zhì)組以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，其次含有均質(zhì)鏡質(zhì)體以及少量結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體。惰質(zhì)組以半絲質(zhì)體為主，殼質(zhì)組為少量小孢子體，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于98%。

在采集的煤樣中，挑選合適形狀和大小的煤塊，在實(shí)驗(yàn)室制成0.25 cm3的小塊，因表征原煤的孔隙變化，故選取較為平整的天然層理面作為觀測(cè)面，并將底面磨平。使用50 mL的厭氧培養(yǎng)瓶作為反應(yīng)容器，加入30 mL培養(yǎng)基和10 mL微生物菌群富集液，培養(yǎng)基配方見(jiàn)文獻(xiàn)[29]，微生物菌群富集液為鄰近礦區(qū)新揭露的煤層本源菌富集而來(lái)。為避免煤中細(xì)菌的影響，實(shí)驗(yàn)前煤樣在紫光燈下照射30 min，厭氧培養(yǎng)瓶與培養(yǎng)基在高溫滅菌鍋中121 ℃條件下中滅菌20 min。為保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的厭氧環(huán)境，接種實(shí)驗(yàn)在厭氧手套箱中進(jìn)行，密封后取出并置于35 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中，持續(xù)培養(yǎng)30 d。

1.2 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試方法

測(cè)試采用日本電子株式會(huì)社生產(chǎn)的JSM-7610F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，其放大倍數(shù)可達(dá)到25萬(wàn)～100萬(wàn)倍，同時(shí)采用半浸沒(méi)式物鏡和高性能電子光學(xué)系統(tǒng)，提供穩(wěn)定的高空間分辨率觀察和分析。用導(dǎo)電膠將樣品固定在樣品臺(tái)上，并在樣品周?chē)采w導(dǎo)電膠，增加其導(dǎo)電性。將樣品放入樣品倉(cāng)，抽真空至0.5 MPa，樣品高度在6～10 mm，選擇不同放大倍數(shù)，在掃描電鏡下對(duì)原始煤樣進(jìn)行觀察，并記錄觀察位置，待微生物厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)結(jié)束后再次觀察，并尋找原位，以表征原位條件下的孔隙結(jié)構(gòu)變化。在以往多數(shù)研究中，對(duì)于掃描電鏡往往是挑選特征點(diǎn)進(jìn)行觀察拍攝，對(duì)于表征實(shí)驗(yàn)前后變化的樣品具有很大的隨機(jī)性，筆者通過(guò)掃描電鏡的坐標(biāo)功能，實(shí)現(xiàn)了原位的定位和尋找，避免了這一隨機(jī)性帶來(lái)的誤差。由于原煤樣品需經(jīng)微生物降解處理，故鏡下觀察煤樣未做噴金處理。

2 煤巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)演化特征

2.1 煤巖微觀孔隙發(fā)育特征

煤體裂隙將煤分為若干煤基質(zhì)塊，煤基質(zhì)中又有多種不同成因類(lèi)型的孔隙，從掃描電鏡照片來(lái)看，黃陵礦區(qū)煤樣的孔隙比較發(fā)育，根據(jù)張慧的分類(lèi)方法[30]，主要有氣孔、碎粒孔、角礫孔、摩擦孔等。氣孔屬于后生孔隙，是煤在變質(zhì)過(guò)程中由生氣、聚氣和氣體逸散后留下的孔，如圖1(a)所示，該礦區(qū)煤樣氣孔呈圓形，邊緣光滑，輪廓清晰，未見(jiàn)氣孔成群發(fā)育，主要是以零散的形式分布在煤體表面。碎粒孔、摩擦孔、角礫孔均屬于外生孔隙，其中碎?？资敲涸谑艿綐?gòu)造破壞而形成碎粒之間的孔隙，如圖1(a)所示，黃陵礦區(qū)原煤中的碎粒結(jié)構(gòu)比較常見(jiàn)，可見(jiàn)大量的碎粒狀有機(jī)質(zhì)附著在煤體表面以及裂隙中，碎粒孔的形狀一般不規(guī)則，大小為0.1～1.0 μm。摩擦孔是在壓力作用下，面與面之間摩擦而形成的孔，從圖1(a)可以看出，黃陵礦區(qū)煤樣的摩擦孔主要為鋸齒狀以及溝槽狀，具有一定的方向性，大小為100 nm左右。角礫孔是地質(zhì)構(gòu)造形成的角礫之間的孔隙，圖1(b)顯示了角礫的形態(tài)，呈直邊尖角狀，角礫孔大小為1～2 μm，連通性較好，角礫孔的發(fā)育對(duì)滲透率有提高作用。

圖1 黃陵礦區(qū)原煤孔裂隙發(fā)育類(lèi)型Fig.1 Types of raw coal’s pore and fissure in theHuangling mining area

除孔隙外，煤中裂隙也比較常見(jiàn)，主要以外生裂隙為主，圖1(c),(d)為黃陵礦區(qū)煤樣的裂隙掃描電鏡照片，其中圖1(c)為張性裂隙，呈直線狀，裂隙寬度約為2 μm，裂隙表面不平整，內(nèi)部可見(jiàn)碎屑填充物，寬度約為1 μm，煤基質(zhì)表面附著大量有機(jī)質(zhì)碎屑；圖1(d)為松弛裂隙，是煤受外力擠壓緊密結(jié)合，后因壓力釋放松弛而產(chǎn)生的裂隙。裂面不平，呈鋸齒狀，寬度變化較大，從10～500 nm不等，受應(yīng)力釋放影響，沿裂隙面發(fā)育有大量角礫，并形成角礫孔，局部連通性較好，這有利于提高煤層氣的儲(chǔ)層滲透率。從圖1(d)還可看出有少量氣孔，結(jié)合上述孔隙發(fā)育情況，未見(jiàn)氣孔成群發(fā)育，說(shuō)明該區(qū)在變質(zhì)過(guò)程中煤層生氣能力較弱。

2.2 微生物降解煤巖微觀孔隙演化特征

為探究生物降解作用對(duì)煤巖表面形貌的改變，借助掃描電鏡對(duì)微生物降解前后煤巖孔、裂隙原位特征進(jìn)行觀察，圖2(a)為原煤在22 000倍的放大倍數(shù)下掃描電鏡照片，鏡頭高度為6.1 mm，可見(jiàn)原煤發(fā)育一條貫穿的剪性裂隙，以及鑄?？缀徒堑[孔。圖2(b)為微生物降解后的煤巖原位掃描電鏡照片，圖片下方的角礫孔的形狀發(fā)生變化，由原來(lái)的尖角狀變成圓弧狀，說(shuō)明微生物降解作用會(huì)使煤樣孔隙形狀產(chǎn)生變化，這是微生物對(duì)孔隙形狀改造效果比較直觀的反映。圖2(b)所標(biāo)記的裂隙表面似乎被堵塞，有一段長(zhǎng)約1 μm、寬約0.3 μm的印痕，而鏡下觀察到的微生物直徑約為0.5 μm，綜合印痕寬度分析認(rèn)為，這可能是微生物的活動(dòng)痕跡，這也是微生物在煤體表面活動(dòng)的直接證據(jù)。在微生物痕跡附近還可觀察到碎屑有機(jī)質(zhì)變得疏松多孔，這是微生物代謝過(guò)程中降解煤中有機(jī)質(zhì)的結(jié)果。

圖2 煤中微觀孔裂隙被微生物改造效果對(duì)比Fig.2 Comparison of micro-pores andfissures in coal before and after biodegradation

微生物降解作用不但會(huì)改變煤孔隙的形態(tài)，對(duì)孔容的改變也是明顯的，如圖3(a)顯示的屑間孔在微生物降解前的寬度約為56 nm，經(jīng)微生物降解后，寬度擴(kuò)大到83 nm，增幅約為50%(圖3(b))，這說(shuō)明微生物降解對(duì)納米孔具有顯著的增孔作用[31]。除了孔隙的變化，有機(jī)質(zhì)碎屑的形狀也發(fā)生了明顯變化，從圖3(b)可以看出，碎屑長(zhǎng)度由210 nm變?yōu)?64 nm，寬度由50 nm縮小為28 nm，煤表面的碎屑突起整體變小，說(shuō)明微生物能夠有效降解有機(jī)質(zhì)碎屑，這也是煤儲(chǔ)層納米結(jié)構(gòu)被改造的重要原因。

圖3 煤中納米孔隙被微生物改造效果對(duì)比Fig.3 Variation comparison of nanoporesbefore and after biodegradation

由于煤基質(zhì)的非均質(zhì)性和微生物選擇的隨機(jī)性，因此會(huì)有一些位置未受微生物作用影響，相當(dāng)于煤在培養(yǎng)基中浸泡。前人對(duì)培養(yǎng)基浸泡煤的孔隙結(jié)構(gòu)變化未作研究，僅是對(duì)水浸泡作用下煤孔隙結(jié)構(gòu)特征做了少量研究，認(rèn)為水的浸泡會(huì)使煤基質(zhì)以及黏土礦物發(fā)生膨脹，從而減小孔隙體積[32]，本文通過(guò)掃描電鏡照片證實(shí)了這一觀點(diǎn)，認(rèn)為培養(yǎng)基與水的浸泡作用是類(lèi)似的。圖4(a)為原煤的黏土礦物照片，圖4(b)為浸泡后的原位照片，可見(jiàn)黏土礦物在培養(yǎng)基的浸泡作用下發(fā)生輕微膨脹，原煤中黏土礦物寬度為150 nm，經(jīng)浸泡后膨脹到196 nm，增幅約30%，因黏土礦物的膨脹作用導(dǎo)致其周邊的孔隙發(fā)生閉合(圖4(b))，說(shuō)明培養(yǎng)基的浸泡對(duì)煤中納米孔有縮小作用。同理，培養(yǎng)基的浸泡作用對(duì)煤中裂隙結(jié)構(gòu)同樣也具有收縮效應(yīng)(圖2)。

圖4 煤中納米孔隙被培養(yǎng)浸泡前后效果Fig.4 Comparison of nano-pores in coal before andafter being soaked in culture medium

圖5(a)為煤中的松弛裂隙，彎曲狀，寬度約為200 nm，裂隙多處被碎屑填充，甚至處于閉合狀態(tài)，表面可見(jiàn)大量鋸齒狀摩擦孔，應(yīng)受過(guò)擠壓作用。生物降解后可觀察到氣孔變大，微裂隙寬度變大(圖5(b))，原本閉合的裂隙擴(kuò)大為91 nm，沿裂隙邊緣以及內(nèi)部有大量充填物，經(jīng)生物降解作用后逐漸消失，裂隙表面變得平整，裂隙邊緣和煤表面附著的有機(jī)質(zhì)碎屑形狀也發(fā)生改變。從整體來(lái)看，孔隙結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，煤體表面的粗糙程度降低。

圖5 煤中裂隙及基質(zhì)表面被微生物改造效果對(duì)比Fig.5 Variation comparison of fissures and coal matrixsurface before and after biodegradation

綜上，培養(yǎng)基的浸泡作用會(huì)煤中使納米級(jí)碎屑發(fā)生膨脹，體積明顯變大，周?chē)男奸g孔因煤巖碎屑的膨脹而縮小，煤體結(jié)構(gòu)裂隙會(huì)因培養(yǎng)基的浸泡而縮小甚至閉合。而微生物作用會(huì)降解煤中碎屑有機(jī)質(zhì)，使碎屑的形狀發(fā)生變化，體積變小，周?chē)目紫蹲兇?。培養(yǎng)基的浸泡作用和微生物的降解作用幾乎是相反的，因此在孔隙變化過(guò)程中，可以認(rèn)為2者之間存在對(duì)立關(guān)系，而由于培養(yǎng)基的作用基本是恒定的，這意味著煤儲(chǔ)層的變化主要受控于微生物降解作用的強(qiáng)弱。當(dāng)微生物降解作用較強(qiáng)時(shí)，煤巖碎屑有機(jī)質(zhì)被降解，體積變小，周?chē)紫断鄳?yīng)增大；而當(dāng)微生物降解作用較小甚至沒(méi)有微生物作用時(shí)，煤巖碎屑在培養(yǎng)基的浸泡作用下發(fā)生膨脹，導(dǎo)致孔、裂隙縮小甚至閉合。此外，前人研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)經(jīng)微生物降解后的煤孔隙中，納米級(jí)(孔徑小于1 000 nm)孔隙的孔容會(huì)減小，而孔隙度、孔隙直徑和微米級(jí)孔隙(孔徑大于1 μm)的孔容是增加的，BET比表面積會(huì)降低[15]，這意味著煤的孔隙由納米孔向微米孔轉(zhuǎn)變，微生物具有擴(kuò)孔效應(yīng)。

3 分形維數(shù)演化規(guī)律

3.1 計(jì)算方法

分形維數(shù)在表征固體表面的不規(guī)則性及其復(fù)雜程度已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，根據(jù)測(cè)量方法的不同，分為豪斯道夫維數(shù)、盒維數(shù)、容量維、信息維、關(guān)聯(lián)維等[33]。盒維數(shù)法(box-counting)是Gangepain在1986年提出[34]，對(duì)于一個(gè)M×M的平面圖形而言，將其分為R×R大小的網(wǎng)格，對(duì)每個(gè)R×R的盒子數(shù)求和，當(dāng)改變R時(shí)，即可求出一組N，應(yīng)用線性擬合，所得直線斜率就是分形維數(shù)D。由于可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)分形維數(shù)的計(jì)算，應(yīng)用較為廣泛。圖6顯示了使用盒維數(shù)法計(jì)算分形維數(shù)的基本過(guò)程。從圖6(a)～(d)，盒子尺寸逐漸減小，覆蓋孔隙的盒子數(shù)量也逐漸增加。

根據(jù)分形維數(shù)原理，挑選合適的掃描電鏡照片(圖6)，使用Adobe Photoshop軟件對(duì)照片進(jìn)行灰度處理，并選擇合適的閾值將其二值化，使孔隙從煤基質(zhì)中分離出來(lái)，在二值化后的圖形中，黑色為孔隙，白色為煤基質(zhì)，再使用Matlab軟件和Fraclab插件，采用盒維數(shù)法計(jì)算分形維數(shù)，選用邊長(zhǎng)為δ的盒子覆蓋孔隙表面，并統(tǒng)計(jì)完全覆蓋二進(jìn)制照片所需要的網(wǎng)格數(shù)N(δ)，盒子的邊長(zhǎng)δ根據(jù)照片大小自動(dòng)選擇，最大尺寸為1/2，最小為1/1 024，共采集10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)式(1)，以lnδ為橫坐標(biāo)、lnN(δ)為縱坐標(biāo)在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下繪制散點(diǎn)圖，再采用最小二乘法擬合直線，如圖7所示，斜率即為該樣品的分形維數(shù)。

(1)

式中，D為分形維數(shù)；δ為盒子的邊長(zhǎng)；N(δ)為覆蓋二進(jìn)制照片所需的網(wǎng)格數(shù)量。

圖6 基于盒維數(shù)法計(jì)算煤中孔隙分形維數(shù)流程Fig.6 Calculation process of coal pores’fractal dimensionbased on box dimension method

圖7 微生物降解前后煤孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)擬合結(jié)果Fig.7 Fitting result of fractal dimension of coal pore structure before and after biodegradation

3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述方法，對(duì)8張掃描電鏡照片進(jìn)行分形維數(shù)計(jì)算處理，見(jiàn)表1。煤樣的分形維數(shù)均在1.860 7～1.900 9，盒維數(shù)法對(duì)煤樣表面的分形維數(shù)擬合程度均在0.997以上，說(shuō)明微生物降解前后的煤孔隙表面形貌均具有較好的分形特征。

表1 微生物降解前后煤的孔隙分形維數(shù)變化

從表1可見(jiàn)，微生物降解后的煤孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)均減小，變化程度在0.000 9～0.050 0，可見(jiàn)微生物作用對(duì)煤孔隙分形維數(shù)的影響是一致的，且不同孔隙類(lèi)型的變化程度差異較大。

3.3 演化規(guī)律

分形理論可以定量表征多孔物質(zhì)表面的不規(guī)則性，根據(jù)分形原理，煤樣表面的分形維數(shù)越大，其表面的孔隙越復(fù)雜，分形維數(shù)越小，煤顆粒表面越光滑，孔隙結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單。通過(guò)擬合計(jì)算發(fā)現(xiàn)，微生物降解后，煤的分形維數(shù)均有不同程度的減小，這說(shuō)明微生物降解作用后，煤巖表面孔隙結(jié)構(gòu)變得更加規(guī)律，更加簡(jiǎn)單。根據(jù)圖8分形維數(shù)與改變量的相關(guān)關(guān)系可知，原始的分形維數(shù)與其改變量呈正相關(guān)關(guān)系，表明孔隙越復(fù)雜，微生物降解的效果越好。分形維數(shù)減小的原因主要有以下幾點(diǎn)：① 微生物作用后煤基質(zhì)顆粒表面的納米級(jí)孔隙增多，分布更加均勻，造成分形維數(shù)降低。由于孔隙直徑與分形維數(shù)一般呈反比關(guān)系[35]，因此納米級(jí)孔隙的變化對(duì)分形維數(shù)的影響是非常重要的。② 擴(kuò)孔作用，通過(guò)二值化的掃描電鏡照片發(fā)現(xiàn)，一些較大的孔隙會(huì)和周?chē)男】滓约胺忾]孔相連通，使孔隙擴(kuò)大。③ 孔隙形狀改變，碎屑有機(jī)質(zhì)被微生物降解，孔隙形狀發(fā)生明顯變化，這會(huì)導(dǎo)致孔隙直徑變大，形狀更加規(guī)則。④ 煤中有機(jī)質(zhì)碎屑被微生物降解后變得松散，形成大量分布均勻的屑間孔。雖然屑間孔在原生煤中出現(xiàn)較少，但在微生物作用下，有機(jī)質(zhì)被不斷降解，屑間孔逐漸增多，成為煤生物氣化過(guò)程中不可忽視的煤儲(chǔ)層生物改造特征。

圖8 微生物降解后煤孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)及其改變量之間關(guān)系Fig.8 Relationship between fractal dimension of coalpore structure and its variation after biodegradation

4 結(jié) 論

(1)鄂爾多斯盆地南部黃陵礦區(qū)延安組煤樣的孔裂隙較為發(fā)育，孔隙主要有后生孔和外生孔，后生孔以零星分布的氣孔為代表，外生孔隙發(fā)育有碎?？住⒔堑[孔、摩擦孔。裂隙主要發(fā)育有張性裂隙和松弛裂隙，張性裂隙呈直線狀，寬度約為1 μm。松弛裂隙裂面不平，呈鋸齒狀，寬度為10～500 nm，沿裂隙面發(fā)育有大量角礫，并形成角礫孔，局部連通性較好。

(2)微生物降解作用對(duì)煤巖孔隙具有較強(qiáng)的改造效果，孔隙改造主要表現(xiàn)為增孔和擴(kuò)孔，增孔是指微生物作用下，煤體表面納米級(jí)孔隙增多，且煤巖有機(jī)質(zhì)變得松散，出現(xiàn)大量屑間孔；擴(kuò)孔是指原有孔隙與封閉孔相連通，使孔容增加，連通性增強(qiáng)，且原生孔隙結(jié)構(gòu)越發(fā)育，微生物改造孔的效果越強(qiáng)烈。

(3)微生物降解前后的煤巖微觀孔隙均具有良好的分形特征，微生物降解后，煤基質(zhì)表面的分形維數(shù)降低，不同類(lèi)型孔隙變化差異顯著，煤體表面的孔隙結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，沿裂隙表面分布的有機(jī)質(zhì)減少甚至消失，裂隙面變得光滑、平整。