煤层气多以吸附态赋存于煤中纳米孔隙表面,因此了解煤中纳米孔隙特征对于促进煤层气开发具有重要意义。以往针对煤中孔隙研究多采用的流体侵入法,只能获得煤中开放孔特性,无法从全面的角度认识煤中存在的孔隙。本文为了更全面地研究认识煤中纳米孔隙特征,利用小角X射线散射(SAXS)技术可测定全孔(开孔与闭孔)等优势,针对煤孔隙研究中存在的几项科学问题,开展了一系列研究工作,对煤的纳米孔隙特征取得了一些新的认识与成果,具体如下:(1)采用两种煤样的原生片状样品与对应研磨制成的五种不同粒径样品进行SAXS实验研究,从全孔的角度定量揭示了不同状态下煤体孔隙特征,研究表明研磨对于煤的纳米孔隙产生了明显的改造作用,随着煤粒径尺寸减小,煤中孔体积呈现增长趋势。从片状样品到最小粒径的0.075~0.125mm样品,两种煤孔体积分别增长了39.53%和18.29%。研磨使煤中<20nm的孔体积减小,但>20nm的孔体积增加。同时研磨作用使得孔隙表面变得更加光滑。(2)采用SAXS技术对八种不同变质程度煤样进行实验测定,研究了不同煤种的纳米孔隙特征,并结合煤化作用对煤分子结构的改造影响,提出了煤化过程中煤纳米孔隙的演化机制,同时开展CH₄等温吸附实验,研究了纳米孔隙参数与吸附性能的关联性。研究表明不同变质程度煤纳米孔演化规律与煤化过程中煤分子结构演化及三次煤化跃变息息相关。整个煤化作用过程中,第二次煤化跃变对于煤的吸附性能参数Langmuir体积V_L与Langmuir压力P_L影响作用更为明显。纳米孔比表面积对吸附CH₄性能起到关键性作用,纳米孔体积对吸附CH₄性能也有很大影响,而纳米孔分形特征则对吸附CH₄性能影响不明显。(3)采用低温液氮实验表征八种不同变质程度煤的开孔性质,并结合前期样品同步辐射SAXS实验结果,通过两项技术联合分析,有效测定了各煤种开闭孔性质,并分析了煤化作用过程中不同变质程度煤开闭孔演化机理。研究表明不同煤种中的开闭孔率存在差异。整体上低变质程度煤闭孔率较低,中等变质程度煤闭孔率居中,而高变质程度煤的闭孔率则较高。相应地,煤中开孔率则呈现相反的趋势。不同变质程度煤闭孔率变化与煤分子结构差异有密切关系。(4)针对我国三种典型的不同变质程度无烟煤开展了XRD实验、SAXS实验、CH₄等温吸附实验研究。从本质上揭示无烟煤阶段变质作用对煤的物理结构(纳米孔隙)与化学结构(大分子结构)的演化规律内在机理,以及对于煤体吸附性能的影响。研究表明从年轻无烟煤到典型无烟煤演化过程中,煤大分子结构演化主要以芳香环缩合作用为主,缩合作用对纳米孔隙改造作用较轻。而从典型无烟煤到年老无烟煤演化过程中,煤大分子结构演化主要以芳香层片拼叠作用为主。拼叠作用对无烟煤中纳米孔隙产生了不可逆的改造作用。无烟煤大分子结构演化过程中对纳米孔隙的改造作用明显影响到不同无烟煤对于CH₄吸附能力。(5)开展了不同气体相同压力(1MPa)条件下煤样SAXS吸附解吸实验,研究煤样在不同气体条件下吸附解吸气体过程中煤的孔隙动态演化规律。结果表明对于样品孔体积、平均孔径等参数,在吸附CO₂时,两项参数呈Langmuir似增长趋势,而对于CH₄吸附与解吸阶段,两参数表现出不同阶段差异性,但规律性不强,对于He与N₂,两参数在吸附与解吸不同阶段无明显差异。这是因为在强吸附性气体CO₂条件下,吸附膨胀效应在微观尺度更显著的反应,表现出更好的规律性。对于孔隙分形维数,吸附性能越强的气体,吸附时对样品孔隙结构复杂程度影响更大。(6)开展了不同压力同种气体(CO₂)条件下煤样SAXS吸附解吸实验,研究煤样在不同压力条件下吸附解吸气体过程中煤的孔隙动态演化规律。结果表明随着气体吸附压力升高,样品孔隙结构复杂程度提升,孔体积与平均孔径尺寸增大,压力降低气体解吸时,样品孔隙结构复杂程度减弱,孔体积与平均孔径尺寸减小。但是样品吸附解吸完成后与初始状态相比较,样品孔隙参数均大于初始状态时的值,未能恢复到初始状态,说明吸附解吸后煤体存在的残余变形会改变煤中初始孔隙结构。气体吸附解吸过程中,煤体中孔径小于10nm的孔隙则没有显著变化,而孔径大于10nm的孔隙随着吸附气体压力增大,孔体积明显增大。