《工程科学学报》录用稿，htps:/doi.org/10.13374/i,issn2095-9389.2021.06.17.008©北京科技大学2020 基于灰度共生矩阵和工业CT扫描的受载含瓦斯煤裂隙动态演化特征 王登科，3，吴岩，魏建平1，赵小龙，张宏图，朱传奇2，袁安营2 (1.河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作454000：2.安 徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南232001：3.河南理工大学安全科学与工程学院，河 南焦作454000：4.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南焦作454000：5.中国石化胜利油田分公司， 山东东营257000) 篇要：为研究受载含瓦斯煤在三轴压缩作用下的裂隙演化规律，利用受载含瓦斯煤显微工业CT扫描系统，开展了三轴加 载条件下受载含瓦斯煤的工业CT扫描测试，获取了受载含瓦斯煤的应力-应变曲线和各变形阶段的CT扫描图形。运用图像 分析软件对CT扫描数据进行了三维数字重建，实现了煤样内部裂隙的三维可视化和定量表征，并基于灰度共生矩阵 (GLCM)理论分析了受载含瓦斯煤的裂隙动态扩展特征及规律。研究结果表明：瓦斯压力的存在一定程度上弱化了受载含 瓦斯煤的力学性质，同时也加速了裂隙的扩展：受载含瓦斯煤二维裂隙先闭合后扩展，峰后快速扩展并形成连通二维裂隙 网络：三维裂隙体积和裂隙密度呈现出先减小后增大的变化趋势，总体上可划分为裂隙压密闭合、新裂隙萌生扩展和主裂隙 加速扩展贯通3个变化阶段：灰度共生矩阵分析中，对比度先减小后增大，能量和同质性先增欠后减小， 相关性呈现出单 调递减趋势，准确描述了受载含瓦斯煤内部裂隙随应力增加不断变化的总体发展规律。 关调：受载含瓦斯煤：工业CT扫描：裂隙动态演化：灰度共生矩阵：三维裂隙重建 Fracture dynamic evolution features of coal confaining gas using gray level co-occurrence matrix and industrial CT scanning WANG Dengke 234,WU Yan'3,WEI Jianping 34 ZHAO Xiaolong,ZHANG Hongtu'34.Zhu Chuanqi2,Yuan Anying (1.State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control.Henan Polytechnic University,Henan Jiaozuo 454000 China;2.State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines,Anhui University of Science and Technology,Anhui Huainan 232001,China;3.School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University, Henan Jiaozuo 454000,China;4.Collaborative Innovation Center of Coal Work Safety and Clean High Efficiency Utilization,Henan Jiaozuo 454000,China;5.Sinopec Shengli Oilfield Company,Shandong Dongying 257000,China) Abstract:The expansion evolution law of internal fractures of coal under external load are of great significance to CBM production and control coal and gas outburst disasters.The coal body is generally in a three-dimensional stress state under the action of original in-situ stress.It is necessary to study the fracture evolution law of loaded coal containing gas under triaxial compression,the industrial CT scanning test of loaded coal containing gas under triaxial loading was carried out by using the Industrial micro-CT scanning system for loaded coal containing gas.The CT images and stress-strain curves of coal samples at each deformation stages were obtained.The 3D digital reconstruction of CT scanning data was carried out by using image analysis software,and the 3D visualization and quantitative characterization of internal fractures of coal samples were realized.Based on the gray level co- occurrence matrix(GLCM)theory the fraoture dynamic expansion characteristics and laws of loaded coal containing gas were analyzed.The results show that:the existence of gas pressure weakens the mechanical properties of loaded coal containing gas to a certain extent,and also accelerates the expansion of cracks.The two-dimensional fractures of the loaded coal containing gas first close and then expand,and then expand rapidly after the peak,forming a connected two-dimensional fracture network.The three- dimensional fracture volume and fracture density show a trend of first decreasing and then increasing,which can be divided into three stages:fracture compaction and closure,new fracture initiation and expansion,and main fracture accelerated expansion and penetration.In the gray level co-occurrence matrix analysis,the contrast first decreases and then increases,the energy and homogeneity first increases and then decreases,and the correlation presents a monotonic decreasing trend,which accurately describes the overall development law of the internal cracks of loaded coal containing gas changing with the increase of stress. Key words:Coal containing gas;Industrial CT scanning;Fracture dynamic evolution;Gray level co-occurrence matrix;3D fracture reconstruction 1引言 因其对矿井安全、环境保护和商业价值等方面的重 要作用，近年来受到人们越来越多的关注山，。煤是 一种具有发达孔隙结构的多孔介质，由包含原生 煤层气作为一种重要的非常规天然气资源， 孔隙的煤基质和天然裂隙组成)。其中天然裂隙为 盖童顺目：国家自然科学基金资助项目(51刀4118,51974109)：河南省高等学校重点科研项目计划基础研究专项(21004)：深部煤矿采动响应与灾害防控 国家重点实验室开放基金(SKLMRDPC20KF06):河南省科技创新领军人才计划(204200510032)。 Supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.51774118,51974109):the Basic research project of key scientific research projects in Henan Province(21zx004):the Open Fund of the State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines (SKLMRDPC20KF06):the Program for Leading Talents in Scientific and Technological Innovation of Henan Province(204200510032). 作言筒介：王登科(I980-),男，教授、博士生导师，主要从事安全科学与工程方面的研究工作。E-mail:wdk@hpu.ed山.cn 题作着：魏建平(1971-)，男，教授、博士生导师，主要从事煤矿安全与瓦斯灾害治理方面的研究工作。E-mail:weijianping@hpu.edu.cn
基于灰度共生矩阵和工业CT扫描的受载含瓦斯煤裂隙动态演化特征 王登科 1,2,3,4，吴岩 1,3，魏建平 1,3,4，赵小龙 5，张宏图 1,3,4，朱传奇 2，袁安营 2 （1. 河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室–省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454000；2. 安 徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001；3. 河南理工大学 安全科学与工程学院，河 南 焦作 454000；4. 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南 焦作 454000；5. 中国石化胜利油田分公司， 山东 东营 257000） 摘要：为研究受载含瓦斯煤在三轴压缩作用下的裂隙演化规律，利用受载含瓦斯煤显微工业 CT 扫描系统，开展了三轴加 载条件下受载含瓦斯煤的工业 CT 扫描测试，获取了受载含瓦斯煤的应力-应变曲线和各变形阶段的 CT 扫描图形。运用图像 分析软件对 CT 扫描数据进行了三维数字重建，实现了煤样内部裂隙的三维可视化和定量表征，并基于灰度共生矩阵 （GLCM）理论分析了受载含瓦斯煤的裂隙动态扩展特征及规律。研究结果表明：瓦斯压力的存在一定程度上弱化了受载含 瓦斯煤的力学性质，同时也加速了裂隙的扩展；受载含瓦斯煤二维裂隙先闭合后扩展，峰后快速扩展并形成连通二维裂隙 网络；三维裂隙体积和裂隙密度呈现出先减小后增大的变化趋势，总体上可划分为裂隙压密闭合、新裂隙萌生扩展和主裂隙 加速扩展贯通 3 个变化阶段；灰度共生矩阵分析中，对比度先减小后增大，能量和同质性先增大后减小，相关性呈现出单 调递减趋势，准确描述了受载含瓦斯煤内部裂隙随应力增加不断变化的总体发展规律。 关键词：受载含瓦斯煤；工业 CT 扫描；裂隙动态演化；灰度共生矩阵；三维裂隙重建 Fracture dynamic evolution features of coal containing gas using gray level co-occurrence matrix and industrial CT scanning WANG Dengke1,2,3,4 , WU Yan1,3, WEI Jianping1,3,4, ZHAO Xiaolong5 , ZHANG Hongtu1,3,4 , Zhu Chuanqi2 , Yuan Anying2 (1. State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control, Henan Polytechnic University, Henan Jiaozuo 454000, China; 2. State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines, Anhui University of Science and Technology, Anhui Huainan 232001, China; 3. School of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Henan Jiaozuo 454000, China; 4. Collaborative Innovation Center of Coal Work Safety and Clean High Efficiency Utilization, Henan Jiaozuo 454000, China; 5. Sinopec Shengli Oilfield Company, Shandong Dongying 257000, China) Abstract: The expansion evolution law of internal fractures of coal under external load are of great significance to CBM production and control coal and gas outburst disasters. The coal body is generally in a three-dimensional stress state under the action of original in-situ stress. It is necessary to study the fracture evolution law of loaded coal containing gas under triaxial compression, the industrial CT scanning test of loaded coal containing gas under triaxial loading was carried out by using the Industrial micro-CT scanning system for loaded coal containing gas. The CT images and stress-strain curves of coal samples at each deformation stages were obtained. The 3D digital reconstruction of CT scanning data was carried out by using image analysis software, and the 3D visualization and quantitative characterization of internal fractures of coal samples were realized. Based on the gray level cooccurrence matrix (GLCM) theory, the fracture dynamic expansion characteristics and laws of loaded coal containing gas were analyzed. The results show that: the existence of gas pressure weakens the mechanical properties of loaded coal containing gas to a certain extent, and also accelerates the expansion of cracks. The two-dimensional fractures of the loaded coal containing gas first close and then expand, and then expand rapidly after the peak, forming a connected two-dimensional fracture network. The threedimensional fracture volume and fracture density show a trend of first decreasing and then increasing, which can be divided into three stages: fracture compaction and closure, new fracture initiation and expansion, and main fracture accelerated expansion and penetration. In the gray level co-occurrence matrix analysis, the contrast first decreases and then increases, the energy and homogeneity first increases and then decreases, and the correlation presents a monotonic decreasing trend, which accurately describes the overall development law of the internal cracks of loaded coal containing gas changing with the increase of stress. Key words: Coal containing gas; Industrial CT scanning; Fracture dynamic evolution; Gray level co-occurrence matrix; 3D fracture reconstruction 1 引 言 煤层气作为一种重要的非常规天然气资源， 因其对矿井安全、环境保护和商业价值等方面的重 要作用，近年来受到人们越来越多的关注[1, 2]。煤是 一种具有发达孔隙结构的多孔介质，由包含原生 孔隙的煤基质和天然裂隙组成[3]。其中天然裂隙为 ——————— 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51774118，51974109)；河南省高等学校重点科研项目计划基础研究专项(21zx004)；深部煤矿采动响应与灾害防控 国家重点实验室开放基金(SKLMRDPC20KF06)；河南省科技创新领军人才计划(204200510032)。 Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51774118, 51974109)；the Basic research project of key scientific research projects in Henan Province(21zx004) ； the Open Fund of the State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines (SKLMRDPC20KF06)；the Program for Leading Talents in Scientific and Technological Innovation of Henan Province (204200510032)。 作者简介：王登科(1980–)，男，教授、博士生导师，主要从事安全科学与工程方面的研究工作。E-mail：wdk@hpu.edu.cn 通讯作者：魏建平(1971-)，男，教授、博士生导师，主要从事煤矿安全与瓦斯灾害治理方面的研究工作。E-mail：weijianping@hpu.edu.cn 《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.06.17.008 ©北京科技大学 2020 录用稿件，非最终出版稿
煤层气提供了主要运输通道，裂隙的非均匀分布 及加载条件下的裂隙扩展演化都会导致煤体的渗 2.1煤样制情 透和力学特性发生变化4，。因此，研究不同应方状 本次实验所用的煤样取自河南安阳主焦矿，所 王樱股态樱裂瘦层 采煤层中宏观煤岩以亮煤和半亮煤为主，半暗煤及 术研死装本裂菌麦视神果注技 暗煤次之，类型属半亮型煤。煤样的显微组分以深 吸附法8乳、扫描电子显微镜(SEMo,山，核磁共振 灰色均一的镜质组基质为主，约占有机组分的 NMR)2-4,X射线CT扫描s18, 声发射和超声 74%,镜质组基质多与木质丝炭、半丝炭和丝炭组 技术0，分形几何理论-2。其中，压汞法用于 孔隙孔径分布的定量研究， 但会破坏孔隙结构8， 分互成条带状分布。矿物杂质主要为粘土质，平均 2:SEM用于孔裂隙分布的二维分析：分形几何 含量10.75%，其中难选和较难选的粘土类物质占 能有效描述裂隙分布的自相似性和几何复杂性， 但用于定量分析则容易导致较大误差2的。 而基于X 9.17%,碳酸岩及氧化硅含量较少。采用块煤取样法 射线的CT扫描技术可进行无损检测， 并能以较高 制备煤样，将从井下获取的大块原煤蜡封后运回实 精度表征样品的三维空间分布，因此近年来被广 泛应用634。王登科63这，狗，张宏图可，刘淑敏P等 验室，利用岩石钻芯机钻取煤柱，然后在岩石切割 研究了温度冲击作用下的煤体内部裂隙演化过程 机和岩石打磨机上经切割和钉磨制备成直径25m mx 发现裂隙的扩展演化与温度梯度正相关。Wang7等 高度50m圆柱煤样，人 将煤样干燥24h脱水备用。 和毛灵涛B测等利用显微CT分别研究了煤样内部的 孔隙结构和三维应变场。外部载荷的存在往往会给 图1为制备好的煤样< 从左到右煤样的编号分别为 煤岩裂隙的扩展带来重要影响2，， Zhangto等利 S1、S2和S3。 用显微CT发现随着有效应力的增加，煤的孔隙度 呈线性下降。宋红华4等研究发现，煤样内部初始 缺陷以及矿物的非均匀分布是造成不同加载方向 上煤岩破坏特征差异性显著的重要原因。Duan等i 和Zou等则利用CT扫描技术对单轴加载过程 中煤岩样品的裂隙网络演化特征进行了研究。 Hao 等采用CT扫描技术分析了不同载荷条件下煤中 主要裂隙的扩展方向、发育程度和连通性。Lu等 研究了裂隙孔径分布的变化情况， 图1试验煤样 下的煤渗透率进行了定量分析。Ju等6,4和Stappen Fig.1 Coal samples for testing 等48同样利用CT成像表征了三维裂隙网络， 开研 2.2 试验设备和测试方法 究了裂隙网络演化对渗透率的影响 为了提高分析精度和效率， 们通常采用阈 本文的试验在受载含瓦斯煤显微工业CT扫描系 值分割方法来识别和研究煤岩孔裂隙结构发育及 其演化特征。传统意义上的阈值分割法往往基手用 统上进行，设备归属河南理工大学瓦斯地质与瓦斯 户人为经验或相关算法来确定灰度图像的分割阈 治理国家重点实验培育基地，设备结构如图2所示， 值，但是也经常会造成图像基本信息的丢失9，。 为弥补传统方法的不足，研究人员利用Haralick在 主要由三轴加载控制系统和显微工业CT在线扫描系 20世纪70年代提出的灰度共生矩阵(GLCM)理 统组成。该设备同时配置了高功率微米焦点和高分 论5来分析CT扫描图像，有效簿兔了传统阈值分 辨率纳米焦点的X射线管，能实现试样在单轴加载和 割方法的信息缺失2，s训。如今XGCM方法已经被 广泛应用于医学领域的梯本分标闻患病组织的甄 三轴加载条件下的实时CT扫描测试。微米焦点射线 别啊、蛋白质图像特征分析阅以及混凝土和岩石类 管的最好扫描分辨率为2μm纳米焦点射线管的最 材料内部的裂隙识别和提取7，别。Zhus和Wangl1 等利用GLCM方法分析了混凝土的CT图像，定量 好扫描分辨率为0.5μm本实验所用煤样的扫描精度 提取了CT图像中的裂隙信息，有效描述了混凝土 为27.31u。备的加载系统可施加轴向最大压力为 试样变形过程中的损伤发展过程。 精确定量分析含瓦斯煤变形过程中的裂隙扩 100kN:最大围压为30MPa轴向最大位移量20 展演化规律，对我国煤层气有效开发和煤矿安全 mm,轴向位移速率为0.013mm/min。 生产 有重要意义。从自前的研究现状来看，还缺 乏工业CT扫描技术结合GLCM方法分析受载含瓦 斯煤裂隙动态演化规律的相关研究。本文利用装配 有三轴加载装置的工业CT扫描设备，开展不同瓦 斯压力条件下的受载含瓦斯煤三轴压缩实验和工 业CT扫描测试，运用图像处理技术、三维重建技 术和GLCM统计方法对测试结果进行深入分析， 定性和定量表征含瓦斯煤裂隙在载荷作用下的动 态演化规律，为受载含瓦斯煤的裂隙发展和损伤 演化过程提供科学依据。 2 实验描述
煤层气提供了主要运输通道，裂隙的非均匀分布 及加载条件下的裂隙扩展演化都会导致煤体的渗 透和力学特性发生变化[4, 5]。因此，研究不同应力状 态下煤体裂隙的空间形态特征及演化规律对煤层 气生产和控制煤与瓦斯突出灾害具有重要意义。 近年来，国内外学者利用各种理论方法和技 术研究煤中孔裂隙结构的变化，如压汞法[6-8]、氮气 吸附法[8, 9]、扫描电子显微镜(SEM)[10, 11]，核磁共振 (NMR)[12-14]，X 射线 CT 扫描[15-18]，声发射和超声 技术[19, 20]，分形几何理论[21-23]。其中，压汞法用于 孔隙孔径分布的定量研究，但会破坏孔隙结构[8, 24]；SEM 用于孔裂隙分布的二维分析；分形几何 能有效描述裂隙分布的自相似性和几何复杂性， 但用于定量分析则容易导致较大误差[25]。而基于 X 射线的 CT 扫描技术可进行无损检测，并能以较高 精度表征样品的三维空间分布，因此近年来被广 泛应用[26-34]。王登科[16, 35, 36]，张宏图[17]，刘淑敏[26]等 研究了温度冲击作用下的煤体内部裂隙演化过程， 发现裂隙的扩展演化与温度梯度正相关。Wang[37]等 和毛灵涛[38]等利用显微 CT 分别研究了煤样内部的 孔隙结构和三维应变场。外部载荷的存在往往会给 煤岩裂隙的扩展带来重要影响[32, 39]，Zhang[40]等利 用显微 CT 发现随着有效应力的增加，煤的孔隙度 呈线性下降。宋红华[41]等研究发现，煤样内部初始 缺陷以及矿物的非均匀分布是造成不同加载方向 上煤岩破坏特征差异性显著的重要原因。Duan 等[42] 和 Zhou 等[43]则利用 CT 扫描技术对单轴加载过程 中煤岩样品的裂隙网络演化特征进行了研究。Hao 等[44]采用 CT 扫描技术分析了不同载荷条件下煤中 主要裂隙的扩展方向、发育程度和连通性。Lu 等[45] 研究了裂隙孔径分布的变化情况，并对储层条件 下的煤渗透率进行了定量分析。Ju 等[46, 47]和 Stappen 等[48]同样利用 CT 成像表征了三维裂隙网络，并研 究了裂隙网络演化对渗透率的影响。 为了提高分析精度和效率，人们通常采用阈 值分割方法来识别和研究煤岩孔裂隙结构发育及 其演化特征。传统意义上的阈值分割法往往基于用 户人为经验或相关算法来确定灰度图像的分割阈 值，但是也经常会造成图像基本信息的丢失[49, 50]。 为弥补传统方法的不足，研究人员利用 Haralick 在 20 世纪 70 年代提出的灰度共生矩阵（GLCM）理 论[51]来分析 CT 扫描图像，有效避免了传统阈值分 割方法的信息缺失[52, 53]。如今，GLCM 方法已经被 广泛应用于医学领域的样本分析[54]、患病组织的甄 别[55]、蛋白质图像特征分析[56]以及混凝土和岩石类 材料内部的裂隙识别和提取[57, 58]。Zhu[59]和 Wang[60] 等利用 GLCM 方法分析了混凝土的 CT 图像，定量 提取了 CT 图像中的裂隙信息，有效描述了混凝土 试样变形过程中的损伤发展过程。 精确定量分析含瓦斯煤变形过程中的裂隙扩 展演化规律，对我国煤层气有效开发和煤矿安全 生产具有重要意义。从目前的研究现状来看，还缺 乏工业 CT 扫描技术结合 GLCM 方法分析受载含瓦 斯煤裂隙动态演化规律的相关研究。本文利用装配 有三轴加载装置的工业 CT 扫描设备，开展不同瓦 斯压力条件下的受载含瓦斯煤三轴压缩实验和工 业 CT 扫描测试，运用图像处理技术、三维重建技 术和 GLCM 统计方法对测试结果进行深入分析， 定性和定量表征含瓦斯煤裂隙在载荷作用下的动 态演化规律，为受载含瓦斯煤的裂隙发展和损伤 演化过程提供科学依据。 2 实验描述 2.1 煤样制备 本次实验所用的煤样取自河南安阳主焦矿，所 采煤层中宏观煤岩以亮煤和半亮煤为主，半暗煤及 暗煤次之，类型属半亮型煤。煤样的显微组分以深 灰色均一的镜质组基质为主，约占有机组分的 74％，镜质组基质多与木质丝炭、半丝炭和丝炭组 分互成条带状分布。矿物杂质主要为粘土质，平均 含量10.75％，其中难选和较难选的粘土类物质占 9.17％，碳酸岩及氧化硅含量较少。采用块煤取样法 制备煤样，将从井下获取的大块原煤蜡封后运回实 验室，利用岩石钻芯机钻取煤柱，然后在岩石切割 机和岩石打磨机上经切割和打磨制备成直径25 m m× 高度50 m m的圆柱煤样，将煤样干燥24 h脱水备用。 图1为制备好的煤样，从左到右煤样的编号分别为 S1、S2和S3。 图 1 试验煤样 Fig.1 Coal samples for testing 2.2 试验设备和测试方法 本文的试验在受载含瓦斯煤显微工业CT扫描系 统上进行，设备归属河南理工大学瓦斯地质与瓦斯 治理国家重点实验培育基地，设备结构如图2所示， 主要由三轴加载控制系统和显微工业CT在线扫描系 统组成。该设备同时配置了高功率微米焦点和高分 辨率纳米焦点的X射线管，能实现试样在单轴加载和 三轴加载条件下的实时CT扫描测试。微米焦点射线 管的最好扫描分辨率为2 μ m，纳米焦点射线管的最 好扫描分辨率为0.5 μ m，本实验所用煤样的扫描精度 为27.31 μ m 。设备的加载系统可施加轴向最大压力为 100 kN；最大围压为30 MPa；轴向最大位移量20 录用稿件，非最终出版稿 mm，轴向位移速率为0.01~3 mm/min
进行可视化三维重构，并通过分割工具定义感兴趣 分析区域(ROI),以去除包裹煤样的胶套和加载液 360℃ 的影响，从而节省内存、减小计算量。利用孔隙/夹 x-rat 杂物分析模块对煤样的内部裂隙等初始缺陷进行提 ustrial C 取和分析，将检测到的裂隙进行颜色编码和可视化 并计算每个缺陷的各种参数（如裂隙体积、长度、 表面积等)。 Triaxial loading control system 3结果与讨论 3.1实验结果分析 由加载实验得到煤样的应力-应变曲线（图3）， Triaxial loading cell 曲线上用红色符号标出了每个煤样的扫描阶段，如 图2受载含瓦斯煤显微工亚CT扫描系统 表2所示。从图3中可以看到三轴应力条件下含瓦 Fig.2 Industrial micro-CT scanning system for loaded coal containing gas 斯煤的应力-应变曲线可分为裂隙压密阶段、弹性变 本研究利用受载含瓦斯煤显微工业CT扫描系统 形阶段、塑性屈服阶段和峰后阶段四个阶段：加载 对煤样进行不同瓦斯压力条件下的三轴压缩试验和 初期煤样内的裂隙在外力作用下逐渐闭合，应力-应 实时CT扫描试验。首先，在环境温度和相对湿度均 变曲线呈上凹型、这一阶段为裂隙压密阶段：之后 满足要求的状态下开启CT扫描设备，试验前打开数 应力-应变曲线基本呈直线，应力与应变近似线性相 据采集软件phoenix datosx2.0以记录图像数据：其次 关：随着轴向应力的增大，应力-应变曲线偏离线性 将准备好的煤样用橡胶套包裹严实，装入三轴压力 皇下凹型，煤样开始产生不可逆的塑性变形进入塑 室中后完成CT扫描参数：再次，启动三轴加载设备 屈服阶段，表征着煤样的破坏已经开始：当应力 及加载控制软件，对煤样施加预设围压后并通入瓦， 到达强度极限时，煤样发生失稳破坏，之后承载力 斯气体，完成对煤样的初次扫描；最后，随着对爆 逐渐降低，表现出应变软化特征。当瓦斯压力从0 样加载的进行，在不同变形阶段停止加载并对煤样 MPa增加到0.5MPa时，煤样抗压强度从41.63MPa 进行CT扫描，得到不同变形阶段煤样内部裂隙的演 下降到34.48M,P降幅度为17.17%：弹性模量从 化情况。Sl、S2和S3煤样的试验围压均为3MPa孔 3227M下到2557M,降幅度为20.76%。瓦 隙气体压力分别为0MPa0.5M和5M。P拟轴 斯压力增加至1.5MP时，煤样抗压强度下降到 向位移速率0.02m m甸加载轴向压力，对加载 25.93MPa下降幅度为37.71%：弹性模量下降到 过程进行实时监控，在扫描点维持加载应力不变并 2182M,降幅度为32.38%。由于气楔作用的存 对煤样进行CT扫描， 由此获得不同应力状态下煤样 在6，随着瓦斯压力的增加，煤样的峰值强度和弹性 的CT图像。本文所选取的注要扫描参数如表1所示。 模量均大幅减小，表现出瓦斯对煤样力学性质的弱 表1受载煤样C工扫描参数 化作用。 Table 1 CT scanning parameters of loaded coal samples Sampl Parameter 3.2裂隙演化分析 e Voltage/ Current/ Number of Scan A images time/min 3.2.1二维裂隙动态演化分析 180 240 1500 3对 S2 180 240 1500 34 CT图像中灰度值与样品的密度呈正相关62,6。 S3 180 240 1500 34 在CT图像中白色区域为高密度的矿物，黑色区域表 2.3三维重建方法 示煤样内部的孔裂隙结构，灰色区域表示煤基质 利用CT数据重建软件phoenix d 2s乐待 [6例。通过CT扫描图像定性分析煤样内部裂隙闭合、 显微工业CT扫描数据，定义感兴趣的数字重建区域 萌生、发育、分叉和扩展等动态变化过程，有助于 后，对扫描图像进行几何校正、射束硬化校正、反 了解煤样内部细观孔裂隙结构的破坏机制。本文选 色处理、对数滤波处理和反投影处理，以确认最佳 取煤样中含有原生裂隙的断面CT扫描图像进行高斯 补偿效果，显示最清晰的三维数字煤芯。利用VG 滤波后，使用ImageJ中的OTSU算法6进行阈值分割 Studio M图像处理软件对实验煤样的CT扫描数据
X-ray source 360℃ Industrial CT scanner CH4 CO2 Flowmeter Triaxial loading cell P (b) The triaxial loading seepage system (a) The phoenix v|tome|xs industrial CT scanner N2 Triaxial loading control system 图 2 受载含瓦斯煤显微工业 CT 扫描系统 Fig.2 Industrial micro-CT scanning system for loaded coal containing gas 本研究利用受载含瓦斯煤显微工业CT扫描系统 对煤样进行不同瓦斯压力条件下的三轴压缩试验和 实时CT扫描试验。首先，在环境温度和相对湿度均 满足要求的状态下开启CT扫描设备，试验前打开数 据采集软件phoenix datos|x 2.0以记录图像数据；其次 将准备好的煤样用橡胶套包裹严实，装入三轴压力 室中后完成CT扫描参数；再次，启动三轴加载设备 及加载控制软件，对煤样施加预设围压后并通入瓦 斯气体，完成对煤样的初次扫描；最后，随着对煤 样加载的进行，在不同变形阶段停止加载并对煤样 进行CT扫描，得到不同变形阶段煤样内部裂隙的演 化情况。S1、S2和S3煤样的试验围压均为3 M Pa，孔 隙气体压力分别为0 M Pa、0.5 M Pa 和1.5 M Pa 。以轴 向位移速率0.02 m m/min 均匀加载轴向压力，对加载 过程进行实时监控，在扫描点维持加载应力不变并 对煤样进行CT扫描，由此获得不同应力状态下煤样 的CT图像。本文所选取的主要扫描参数如表1所示。 表 1 受载煤样 CT 扫描参数 Table 1 CT scanning parameters of loaded coal samples Sampl e Parameter Voltage/ kV Current/ μA Number of images Scan time/min S1 180 240 1500 34 S2 180 240 1500 34 S3 180 240 1500 34 2.3 三维重建方法 利用CT数据重建软件phoenix d atos|x 2 .0打开待 显微工业CT扫描数据，定义感兴趣的数字重建区域 后，对扫描图像进行几何校正、射束硬化校正、反 色处理、对数滤波处理和反投影处理，以确认最佳 补偿效果，显示最清晰的三维数字煤芯。利用VG Studio M AX 图像处理软件对实验煤样的CT扫描数据 进行可视化三维重构，并通过分割工具定义感兴趣 分析区域（ROI），以去除包裹煤样的胶套和加载液 的影响，从而节省内存、减小计算量。利用孔隙/夹 杂物分析模块对煤样的内部裂隙等初始缺陷进行提 取和分析，将检测到的裂隙进行颜色编码和可视化 并计算每个缺陷的各种参数（如裂隙体积、长度、 表面积等）。 3 结果与讨论 3.1 实验结果分析 由加载实验得到煤样的应力-应变曲线（图3）， 曲线上用红色符号标出了每个煤样的扫描阶段，如 表2所示。从图3中可以看到，三轴应力条件下含瓦 斯煤的应力-应变曲线可分为裂隙压密阶段、弹性变 形阶段、塑性屈服阶段和峰后阶段四个阶段；加载 初期煤样内的裂隙在外力作用下逐渐闭合，应力-应 变曲线呈上凹型，这一阶段为裂隙压密阶段；之后 应力-应变曲线基本呈直线，应力与应变近似线性相 关；随着轴向应力的增大，应力-应变曲线偏离线性 呈下凹型，煤样开始产生不可逆的塑性变形进入塑 性屈服阶段，表征着煤样的破坏已经开始；当应力 到达强度极限时，煤样发生失稳破坏，之后承载力 逐渐降低，表现出应变软化特征。当瓦斯压力从0 MPa增加到0.5 MPa时，煤样抗压强度从41.63 MPa 下降到34.48 M Pa ，下降幅度为17.17%；弹性模量从 3227 M Pa 下降到2557 M Pa ，下降幅度为20.76%。瓦 斯压力增加至1.5 MPa时，煤样抗压强度下降到 25.93 MPa，下降幅度为37.71%；弹性模量下降到 2182 M Pa ，下降幅度为32.38%。由于气楔作用的存 在[61]，随着瓦斯压力的增加，煤样的峰值强度和弹性 模量均大幅减小，表现出瓦斯对煤样力学性质的弱 化作用。 3.2 裂隙演化分析 3.2.1 二维裂隙动态演化分析 CT图像中灰度值与样品的密度呈正相关[62, 63]。 在CT图像中白色区域为高密度的矿物，黑色区域表 示煤样内部的孔裂隙结构，灰色区域表示煤基质 [64]。通过CT扫描图像定性分析煤样内部裂隙闭合、 萌生、发育、分叉和扩展等动态变化过程，有助于 了解煤样内部细观孔裂隙结构的破坏机制。本文选 取煤样中含有原生裂隙的断面CT扫描图像进行高斯 滤波后，使用ImageJ中的OTSU算法[63]进行阈值分割 录用稿件，非最终出版稿
45 o:=3MPa 40 r 30 (b) 0:=3MPa (c) 03=3MPa p=0MPa p=0.5MPa p=1.5MPa 吃 20 5 5 6 用色域麦东裂隙，以便更清晰地析： 维梨隙 动态演化过程及特征 0 2 4 3 2 3 Axial strain% Axial strain% Axial strain% 图3连续扫描阶段的应力-应变曲线Confining pressure.(a)S1煤样；(b)S2煤样；(c)S3煤样 Fig.3 The stress-strain curves with successive scanning stages:(a)S1 coal sample;(b)S2 coal sample;(c)S3 coal sample 表2受载煤样CT扫描状态 Table 2 The CT scanning status of loaded coal samples Sample Scan 1 Scan2 Scan 3 Scan 4 Scan5 Scan6 Initial stage Elasticity stage Elasticity stage Strain hardening stage Post-peak stage Post-peak stage S2 Initial stage Elasticity stage Strain hardening stage Post-peak stage Post-peak stage Post-peak stage S3 Initial stage Elasticity stage Strain hardening stage Post-peak stage Post-peak stage Post-peak stage 图4为S1煤样的CT扫描图像，前三次的CT图像 开， 宏观裂隙宽度明显增大并且分叉扩展使煤样 显示煤样内部矿物质含量较高，原生裂隙在弹性阶 得到充分破坏（第6饮内描图像）。 段完全闭合：随着轴向应力的增加，煤样进入塑性 图6为S3煤样的CT描图像，弹性阶段时原生裂 屈服阶段，在断面下方薄弱区域萌生新裂隙（第4次 隙闭合：轴向应力达到屈服强度后，煤样产生塑性 扫描图像)：而造成煤样破坏的裂隙主要产生于条 变形，一些小裂隙萌生并交织形成了裂隙网络（第 状矿物质带与煤基质之间的薄弱面，并在峰后阶段 3次扫描图像入由第4次扫描图像可知，裂隙结构 分叉扩展（第5次和第6次扫描图像）。 进步发育，裂隙网络扩展使煤样发生破坏：峰后 图5为S2煤样的CT扫描图像，煤样有一条近乎贯 阶段时裂隙结构趋于稳定，但裂隙宽度明显增加， 穿该断面的原生裂隙，进入弹性阶段后该裂隙部分 说明已有裂隙仍在不断发育（第5次扫描图像）：随 闭合（第2次扫描图像）；随着轴向应力的增加，煤 眷应变的增加，残余强度缓慢降低，第6次扫描时发 样断面上方萌生新裂隙（第3次扫描图像）：轴向应 (现裂隙网络稳定，未发生大的变化，部分裂隙宽度 力达到峰值强度后，裂隙不断发育扩展使煤样失稳入、增加并相互连通。 破坏（第4次扫描图像）；煤样进一步卸压后，裂隙 由图4~图6可知，受载含瓦斯煤的二维裂隙在 贯穿断面（第5次扫描图像）：之后原生裂隙重新张 弹性变形阶段部分闭合，在塑性屈服阶段开始扩展 在峰后阶段快速扩展并连通形成复杂裂隙网络。 6 图4S1煤样在不同扫描阶段的CT图像 Fig.4 The CT images of coal sample SI at different scanning stages
用红色区域表示裂隙，以便更清晰地分析二维裂隙 动态演化过程及其特征。 图 3 连续扫描阶段的应力-应变曲线 Confining pressure. (a) S1 煤样; (b) S2 煤样; (c) S3 煤样 Fig.3 The stress-strain curves with successive scanning stages: (a) S1 coal sample; (b) S2 coal sample; (c) S3 coal sample 表 2 受载煤样 CT 扫描状态 Table 2 The CT scanning status of loaded coal samples Sample Scan 1 Scan 2 Scan 3 Scan 4 Scan 5 Scan 6 S1 Initial stage Elasticity stage Elasticity stage Strain hardening stage Post-peak stage Post-peak stage S2 Initial stage Elasticity stage Strain hardening stage Post-peak stage Post-peak stage Post-peak stage S3 Initial stage Elasticity stage Strain hardening stage Post-peak stage Post-peak stage Post-peak stage 图4为S1煤样的CT扫描图像，前三次的CT图像 显示煤样内部矿物质含量较高，原生裂隙在弹性阶 段完全闭合；随着轴向应力的增加，煤样进入塑性 屈服阶段，在断面下方薄弱区域萌生新裂隙（第4次 扫描图像）；而造成煤样破坏的裂隙主要产生于条 状矿物质带与煤基质之间的薄弱面，并在峰后阶段 分叉扩展（第5次和第6次扫描图像）。 图5为S2煤样的CT扫描图像，煤样有一条近乎贯 穿该断面的原生裂隙，进入弹性阶段后该裂隙部分 闭合（第2次扫描图像）；随着轴向应力的增加，煤 样断面上方萌生新裂隙（第3次扫描图像）；轴向应 力达到峰值强度后，裂隙不断发育扩展使煤样失稳 破坏（第4次扫描图像）；煤样进一步卸压后，裂隙 贯穿断面（第5次扫描图像）；之后原生裂隙重新张 开，宏观裂隙宽度明显增大，并且分叉扩展使煤样 得到充分破坏（第6次扫描图像）。 图6为S3煤样的CT扫描图像，弹性阶段时原生裂 隙闭合；轴向应力达到屈服强度后，煤样产生塑性 变形，一些小裂隙萌生并交织形成了裂隙网络（第 3次扫描图像）；由第4次扫描图像可知，裂隙结构 进一步发育，裂隙网络扩展使煤样发生破坏；峰后 阶段时裂隙结构趋于稳定，但裂隙宽度明显增加， 说明已有裂隙仍在不断发育（第5次扫描图像）；随 着应变的增加，残余强度缓慢降低，第6次扫描时发 现裂隙网络稳定，未发生大的变化，部分裂隙宽度 增加并相互连通。 由图4～图6可知，受载含瓦斯煤的二维裂隙在 弹性变形阶段部分闭合，在塑性屈服阶段开始扩展 在峰后阶段快速扩展并连通形成复杂裂隙网络。 图 4 S1 煤样在不同扫描阶段的 CT 图像 Fig.4 The CT images of coal sample S1 at different scanning stages Fracture propagation New fracture Primary fracture 0 15 30 45 0 1 2 3 4 Axial stress/MPa Axial strain/% (a) 1 6 5 4 3 2 3 = 3MPa p = 0MPa 0 10 20 30 40 0 1 2 3 4 Axial stress/MPa Axial strain/% (b) 6 5 4 3 2 3 = 3MPa p = 0.5MPa 1 0 10 20 30 0 1 2 3 4 Axial stress/MPa Axial strain/% (c) 6 5 4 3 2 3 = 3MPa p = 1.5MPa 1 录用稿件，非最终出版稿
New fracture Primary fracture cture runs throug ection 3 4 Closed primary fracture 图5S2煤样在不同扫描阶段的CT图像 Fig.5 The CT images of coal sample S2 at different scanning stage Primary fracture New fracture 1 6 Fracture propagation 图6S3煤样在不同扫描阶段的CT图像 Fig.6 The CT images of coal sample S3 at different scanning stages 322三维表牌动态演化分折长令 1 2 3 煤样的CT断面图像能反映出二维断面上的裂 隙发育情况，无法反映∈维裂隙空间分布信息，难 以直观、完整地揭示煤样内部三维裂隙动态演化特 征。为更好地研究受载煤样的裂隙演化过程，表征 裂隙的三维形貌，利用VG S tuio图像处理软件 对各扫描阶段的CT图像进行三维数字重建，煤样的 s2 三维裂隙演化过程如图7所示。 图7煤样裂隙的三维动态演化过程 Fig.7 Three-dimensional fracture evolution of the coal samples
图 5 S2 煤样在不同扫描阶段的 CT 图像 Fig.5 The CT images of coal sample S2 at different scanning stages 图 6 S3 煤样在不同扫描阶段的 CT 图像 Fig.6 The CT images of coal sample S3 at different scanning stages 3.2.2 三维裂隙动态演化分析 煤样的CT断面图像只能反映出二维断面上的裂 隙发育情况，无法反映三维裂隙空间分布信息，难 以直观、完整地揭示煤样内部三维裂隙动态演化特 征。为更好地研究受载煤样的裂隙演化过程，表征 裂隙的三维形貌，利用VG S tudio M AX 图像处理软件 对各扫描阶段的CT图像进行三维数字重建，煤样的 三维裂隙演化过程如图7所示。 图 7 煤样裂隙的三维动态演化过程 Fig.7 Three-dimensional fracture evolution of the coal samples Primary fracture Closed primary fracture Fracture runs through section Increase of fracture width New fracture Primary fracture New fracture Fracture propagation 录用稿件，非最终出版稿
图7显示$1煤样内部存在众多的原生裂隙（第1 隙密度表征裂隙的发育程度（见表3），其中裂隙密 次扫描)，总体积为l0.05mm3:煤样进入弹性变形 度是描述多孔介质中裂隙发育的重要参数。由于煤 阶段后，原生裂隙完全闭合，之后煤样在塑性阶段 含有大量随机分布的天然裂隙和缺陷，在外部荷载 产生新裂隙，并在峰后阶段不断发育扩展（第4-6次 作用下，煤中裂隙的萌生、发育和扩展效应非常复 扫描)，裂隙总体积上升到247.15m3。S2煤样的原 杂。本文用裂隙表面积与煤样体积之比定义裂隙密 生裂隙较少，裂隙总体积为8.92m3,在轴向应力的 度例，对裂隙动态演化进行三维定量表征，其表达式 压实作用下，裂隙体积下降到0.84m3(第1-2次扫 如下： 描)：随着外部载荷的增加，新的裂隙不断产生， p=S/V. (1) 扩展形成了贯通煤样的宏观主裂隙，导致了煤样的 式中：p为裂隙密度，S为裂隙表面积，V为煤样 失稳破坏，裂隙总体积增加至91.97mi(第3-4次扫 体积。 描)：煤样进一步卸压后，裂隙扩展使得所形成的 根据表3绘制了裂隙体积和裂隙密度随应力的变 裂隙网络明显增大，裂隙体积急剧增加至537.98 化曲线（图8）。由图8可知)全应力应变过程中煤 mm3(第6次扫描)。S3煤样在下部有极少的原生裂 样的裂隙体积与裂隙密度的变化规律有良好的一致 隙，其体积为0.32m,弹性阶段裂隙体积减少到了 性， 由此将裂隙发育述程分为3个发展阶段：裂隙压 0.10m3第1-2次扫描)：当轴向应力达到弹性极 密闭合阶段I、新裂隙萌生扩展阶段Ⅱ和主裂隙加 限时，煤样内部形成了一条近乎贯通煤样的片状大 速扩展与贯通阶段、卸压破坏后煤样内部裂隙扩 裂隙（第3次扫描），导致裂隙总体积增加到158.90 展充分，致使裂隙体积和裂隙密度均大幅增加。由 mm3:煤样破坏后，内部的两条片状大裂隙相互连接 表3可与S1煤样相比，S2和S3煤样在破坏后的裂 组成了新裂隙网络，裂隙总体积增加到272.98 隙体积和裂隙密度均有不同程度的增加，裂隙体积 mm㎡3：煤样处于峰后阶段时裂隙网络进一步扩展，裂 的增幅分别为117.67%和350.94%，裂隙密度的增幅 隙总体积上升到1114.52mm3(第5-6次扫描)。 分别为168.15%和347.79%。随着瓦斯压力的增加， 受载煤样各扫描阶段的裂隙体积、表面积和裂， 煤样裂隙发育更充分，破坏更彻底。 表3受载煤祥裂隙的动态演化 Table 3 The dynamic evolution of fracture of loaded coal samples S2 S3 scan Fracture Fracture Fracture Fracture Fracture stage Fracture Fracture Fracture Fracture surface surface surface volume/mm3 area/mm2 density/mm volume/mm3 area/mm2 density/mm volume/mm3 area/mm2 density/mm 10.05 611.77 0.0249 8.92 593.51 0.0242 0.32 24.70 0.0010 0 0 0 0.84 40.93 0.0017 0.10 4.17 0.0002 0 0 18.92 1047.6 0.0427 158.90 7719.77 0.3145 4 33.73 1638.87 0.0668 997 4545.59 0.1852 27298 11058.98 0.4506 98.04 438083 0.1785 284.17 11608.3 0.4729 350.08 12290.41 0.5008 6 247.15 8484.38 0345 53798 22752. 0.9270 1114.52 37969.49 1.5470 Fracture density (b) 1.0 30 -Fracture densit 45 a (e) 一Fracture volum 1600 .Fracture volume 1.6 0 Axial stress -Axial stress Axial stres 500 25 120 -35 0.8 30 400 25 08 0.4 15 0.4 50 0.2 1002 0.0 0 0 0 Axial strain/% Axial strain/% 图8受载煤样裂隙体积和裂隙密度的变化曲线.(a)S1煤样；(b)S2煤样；(c)S3煤样 Fig.8 The variation curves of fracture volume and fracture density of loaded coal samples:(a)SI coal sample;(b)S2 coal sample; (c)S3 coal sample 4灰度共生矩阵(GLCM)统计分析 (GLCM)方法来分析显微工业CT扫描图像，进一 步挖掘细观裂隙结构发展细节。灰度共生矩阵 4.1灰度共生矩阵(GLCM) (GLCM)反映了灰度值的空间相关性特征，能够有 效描述二维CT图像中像素的空间关系6。 为了更好地定量描述煤样内部细观裂隙结构的 演化过程，采用基于统计理论的灰度共生矩阵 GLCM是通过描述灰度值从参考像素到相邻像素 的变化来建立的。假设CT图像每个像素的灰度值为
图7显示S1煤样内部存在众多的原生裂隙（第1 次扫描），总体积为10.05 mm3；煤样进入弹性变形 阶段后，原生裂隙完全闭合，之后煤样在塑性阶段 产生新裂隙，并在峰后阶段不断发育扩展（第4-6次 扫描），裂隙总体积上升到247.15 m m 3。S2煤样的原 生裂隙较少，裂隙总体积为8.92 m m 3，在轴向应力的 压实作用下，裂隙体积下降到0.84 m m 3（第1-2次扫 描）；随着外部载荷的增加，新的裂隙不断产生， 扩展形成了贯通煤样的宏观主裂隙，导致了煤样的 失稳破坏，裂隙总体积增加至91.97 m m3（第3-4次扫 描）；煤样进一步卸压后，裂隙扩展使得所形成的 裂隙网络明显增大，裂隙体积急剧增加至537.98 mm3（第6次扫描）。S3煤样在下部有极少的原生裂 隙，其体积为0.32 m m3，弹性阶段裂隙体积减少到了 0.10 m m3（第1-2次扫描）；当轴向应力达到弹性极 限时，煤样内部形成了一条近乎贯通煤样的片状大 裂隙（第3次扫描），导致裂隙总体积增加到158.90 mm3；煤样破坏后，内部的两条片状大裂隙相互连接 组成了新裂隙网络，裂隙总体积增加到 2 7 2 . 9 8 mm3；煤样处于峰后阶段时裂隙网络进一步扩展，裂 隙总体积上升到1114.52 mm3（第5-6次扫描）。 受载煤样各扫描阶段的裂隙体积、表面积和裂 隙密度表征裂隙的发育程度（见表3），其中裂隙密 度是描述多孔介质中裂隙发育的重要参数。由于煤 含有大量随机分布的天然裂隙和缺陷，在外部荷载 作用下，煤中裂隙的萌生、发育和扩展效应非常复 杂。本文用裂隙表面积与煤样体积之比定义裂隙密 度[65]，对裂隙动态演化进行三维定量表征，其表达式 如下： = / s S V (1) 式中：ρ为裂隙密度，S为裂隙表面积，Vs为煤样 体积。 根据表3绘制了裂隙体积和裂隙密度随应力的变 化曲线（图8）。由图8可知，全应力应变过程中煤 样的裂隙体积与裂隙密度的变化规律有良好的一致 性，由此将裂隙发育过程分为3个发展阶段：裂隙压 密闭合阶段Ⅰ、新裂隙萌生扩展阶段Ⅱ和主裂隙加 速扩展与贯通阶段Ⅲ，卸压破坏后煤样内部裂隙扩 展充分，致使裂隙体积和裂隙密度均大幅增加。由 表3可知，与S1煤样相比，S2和S3煤样在破坏后的裂 隙体积和裂隙密度均有不同程度的增加，裂隙体积 的增幅分别为117.67%和350.94%，裂隙密度的增幅 分别为168.15%和347.79%。随着瓦斯压力的增加， 煤样裂隙发育更充分，破坏更彻底。 表 3 受载煤样裂隙的动态演化 Table 3 The dynamic evolution of fracture of loaded coal samples scan stage S1 S2 S3 Fracture volume/mm3 Fracture surface area/mm2 Fracture density/mm-1 Fracture volume/mm3 Fracture surface area/mm2 Fracture density/mm-1 Fracture volume/mm3 Fracture surface area/mm2 Fracture density/mm-1 1 10.05 611.77 0.0249 8.92 593.51 0.0242 0.32 24.70 0.0010 2 0 0 0 0.84 40.93 0.0017 0.10 4.17 0.0002 3 0 0 0 18.92 1047.6 0.0427 158.90 7719.77 0.3145 4 33.73 1638.87 0.0668 91.97 4545.59 0.1852 272.98 11058.98 0.4506 5 98.04 4380.83 0.1785 284.17 11608.3 0.4729 350.08 12290.41 0.5008 6 247.15 8484.38 0.3457 537.98 22752.1 0.9270 1114.52 37969.49 1.5470 0 1 2 3 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 (a) Axial stress/MPa Axial strain/% Axial stress Ⅰ Ⅱ Ⅲ 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Fracture density Fracture density/m m -1 0 50 100 150 200 250 300 Fracture volume Fracture volume/m m 3 0 1 2 3 0 5 10 15 20 25 30 35 (b) Axial stress/MPa Axial strain/% Axial stress Ⅰ Ⅱ Ⅲ 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Fracture density Fracture density/m m -1 0 100 200 300 400 500 Fracture volume 600 Fracture volume/m m 3 0 1 2 3 0 5 10 15 20 25 30 Axial stress/MPa Axial strain/% Axial stress Ⅰ 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 Fracture density Fracture density/m m -1 0 400 800 1200 Fracture volume Fracture volume/m m 3 Ⅱ Ⅲ (c) 图 8 受载煤样裂隙体积和裂隙密度的变化曲线. (a) S1 煤样; (b) S2 煤样; (c) S3 煤样 Fig.8 The variation curves of fracture volume and fracture density of loaded coal samples: (a) S1 coal sample; (b) S2 coal sample; (c) S3 coal sample 4 灰度共生矩阵（GLCM）统计分析 4.1 灰度共生矩阵（GLCM） 为了更好地定量描述煤样内部细观裂隙结构的 演化过程，采用基于统计理论的灰度共生矩阵 （GLCM）方法来分析显微工业CT扫描图像，进一 步挖掘细观裂隙结构发展细节。灰度共生矩阵 （GLCM）反映了灰度值的空间相关性特征，能够有 效描述二维CT图像中像素的空间关系[66]。 GLCM是通过描述灰度值从参考像素到相邻像素 的变化来建立的。假设CT图像每个像素的灰度值为 录用稿件，非最终出版稿
I,2,·,L,CT图像的分辨率为N×N。定义参考显微CT扫描图像，参考像素周围有8个像素，呈现了 像素的灰度值和坐标分别为和(x,),定义相邻像素 四种独特的像素方向（图9），距离d可以从1到图像 的灰度值和坐标分别为和(+dx,y+dy,参考像素与 大小进行选择。 相邻像素之间的距离为d,特定角度为B。对于二维 0 0 000 (a) (b) (c) 图9参考像素和相邻像素之间的空间表示.(a)日=0180°：(b)8=45225°：(C0=9 =135°/3150 Fig Spatial representation between reference pixel and neighboring pixel:(a)0/180 (C9=90270°：(d 0-135/315 通过计算这两个像素灰度级的联合概率密度来 L-l 定义GLCM,数学表达式为： 2= P(ii,d,0), PiJ,d,θ=(x,y,(x+d,y+deN×N (2) ∑P.d,, f(x,y川=i,fx+dc,y+例=j -∑Ppi,d,。 从灰度共生矩阵(GLCM)中能提取14个统计特 相关性表征图像纹理的主方向，度量灰度共生 征，与CT图像中的纹理信息相关的主要有四个特征】 矩阵元素在行或列方向上的相似程度，其值大说明 对比度、能量、相关性和同质性，数学表达式分别 矩阵元素趋向于一致。 (4)同质性 如下所示： (1)对比度 HoM=是2P,d81+1-j (6) i0j=0 Co- 3) 同质性度量图像纹理的局部变化情况，其值大 对比度衡量参考像素与相邻像素之间的灰度级 说明图像不同区域间缺少变化，反映了纹理的规律 变化。图像上局部的灰度变化越刷刻，纹理沟纹越 性。对CT图像进行灰度共生矩阵(GLCM)分析时 深，视觉效果越清晰，其对比度越大。即对比度可 受像素距离、方向和灰度级的影响较大。在本文中 表示图像的清晰度和纹理沟纹深浅的程度。 像素距离选取1，即中心像素同与之直接相邻的像素 (2)能量 做运算和比较。为了能考虑到煤样最细微的裂隙结 构信息，选取灰度级为256。选取0°、45°、90°、 i,j,d,0] (4) 135°四个方向计算灰度共生矩阵(GLCM),已有研 究表明四个不同方向的样本中灰度共生矩阵 能量是灰度共生矩阵元素的平方和，反映了图 (GLCM)图像没有显著差异。因此，为了便于分 像灰度的分布均匀程度，即能量越高，说明纹理变 析，本研究取这四个方向计算的统计特征平均值作 化越均匀。 为最终的特征值共生矩阵。 (3)相关性 4.2CT圆像的GLCM统计分析 coR=是2 (ixjxPl.J.,d-Mx川6x() 0j=0 为了尽量减小煤样端面效应对计算结果的影响 其中， 利用编写的MATLAB代码提取横向断面1-断面5（轴 向位置分别为4mm、2mm、0mm、-2mm、-4
{1，2，…，L}，CT图像的分辨率为N×N。定义参考 像素的灰度值和坐标分别为i和(x, y)，定义相邻像素 的灰度值和坐标分别为j和(x+dx, y+dy)，参考像素与 相邻像素之间的距离为d，特定角度为 。对于二维 显微CT扫描图像，参考像素周围有8个像素，呈现了 四种独特的像素方向（图9），距离d可以从1到图像 大小进行选择。 图 9 参考像素和相邻像素之间的空间表示. (a) ; (b) ; (c) ; (d) Fig.9 Spatial representation between reference pixel and neighboring pixel: (a) ; (b) ; (c) ; (d) 通过计算这两个像素灰度级的联合概率密度来 定义GLCM，数学表达式为： , , , , , , , , , P i j d x y x dx y dy N N f x y i f x dx y dy j (2) 从灰度共生矩阵（GLCM）中能提取14个统计特 征，与CT图像中的纹理信息相关的主要有四个特征 对比度、能量、相关性和同质性[67]，数学表达式分别 如下所示： （1）对比度 1 1 2 2 0 0 , , , L L i j CON i j i j d P (3) 对比度衡量参考像素与相邻像素之间的灰度级 变化。图像上局部的灰度变化越剧烈，纹理沟纹越 深，视觉效果越清晰，其对比度越大。即对比度可 表示图像的清晰度和纹理沟纹深浅的程度。 （2）能量 1 1 2 0 0 , , , L L i j ASM i j d P (4) 能量是灰度共生矩阵元素的平方和，反映了图 像灰度的分布均匀程度，即能量越高，说明纹理变 化越均匀。 （3）相关性 1 1 1 2 1 2 0 0 , , , / L L i j COR i j P i j d u u (5) 其中， 1 1 1 0 0 , , , L L i j u i P i j d ， 1 1 2 0 0 , , , L L i j u j P i j d ， 1 1 2 1 1 0 0 , , , L L i j i P i j d u ， 1 1 2 2 2 0 0 , , , L L i j j P i j d u 。 相关性表征图像纹理的主方向，度量灰度共生 矩阵元素在行或列方向上的相似程度，其值大说明 矩阵元素趋向于一致。 （4）同质性 1 1 2 0 0 , , , / 1 L L i j HOM P i j d i j (6) 同质性度量图像纹理的局部变化情况，其值大 说明图像不同区域间缺少变化，反映了纹理的规律 性。对CT图像进行灰度共生矩阵（GLCM）分析时 受像素距离、方向和灰度级的影响较大。在本文中 像素距离选取1，即中心像素同与之直接相邻的像素 做运算和比较。为了能考虑到煤样最细微的裂隙结 构信息，选取灰度级为256。选取0°、45°、90°、 135°四个方向计算灰度共生矩阵（GLCM），已有研 究表明四个不同方向的样本中灰度共生矩阵 （GLCM）图像没有显著差异[59]。因此，为了便于分 析，本研究取这四个方向计算的统计特征平均值作 为最终的特征值共生矩阵。 4.2 CT图像的GLCM统计分析 为了尽量减小煤样端面效应对计算结果的影响 利用编写的MATLAB代码提取横向断面1-断面5（轴 向位置分别为4 mm、2 mm、0 mm、-2 mm、-4 录用稿件，非最终出版稿
mm,如图10所示)在各扫描阶段的四个统计特征： 始阶段对比度为0.5269~0.5603，第2次扫描时为弹 对比度、能量、相关性和同质性，利用四个统计特 性阶段，裂隙部分闭合，对比度下降到0.4787 征对加载过程中的煤样细观结构演化进行分析。由 0.5384:第3-6次扫描时煤样处于塑性屈服阶段和峰 图11~图13可以看出，断面1-断面5的统计特征在不同后阶段，由图7可以看到裂隙不断发育扩展，对比度 扫描阶段的变化趋势表现出较大的波动性，表明煤 单调递增到0.7795~0.9030。由图12b、c、d可知，初 样内部的各向异性和非均质性较明显。 始阶段断面1-断面5的能量为0.2743~0.2910同质性 图11为S1煤样的GLCM统计特征的变化曲线，由为0.8813~0.9016相关性为0.3020~0.3419：破坏 图4可知煤样内部矿物质含量很高，一定程度上影响后能量降为0.2209~0.246，同质性降为0.8236~ 了GLCM的计算结果。由图11a可以看到初始阶段煤 0.8402,相关性降为0.1607~0.1776。 样的对比度为0.7033~1.0042，之后煤样在轴向应力 图13为S3煤样的GLCM统计特征的变化曲线。初 作用下被压实，对比度减小到0.6182~0.7825：图7 始阶段断面1-断面5的对比度为0.0.4123~0.4972，在 显示第4次扫描时煤样内部产生了新裂隙，对比度增 弹性阶段减小到了0.3924749（第2次扫描结 加到0.6021~0.9410，第5-6次扫描时裂隙进一步扩展 果)；图7显示$3煤样进入雄屈服阶段后出现裂隙 导致裂隙网络扩大，对比度最终增加为0.97B~ 网络，导致了煤样的失稳破坏，对比度增加到了 1.1561。由图11b、c、d中的第1次扫描结果可以看到 0.5344~0.7143飞第4次描结果)：峰后阶段时， 断面1-断面5的能量为0.1714~0.1834，同质性为 裂隙网络结构扩展相对稳定，对比度最终增加至 0.7846~0.8216相关性为0.0963~0.1303：破坏卸 0.7372~1.076X(第次扫描结果)。由图13b、c、d 压后煤样的裂隙发育充分，能量为0.1646~0.1775， 中的第次扫描结果可知，初始阶段断面1-断面5的能 同质性为0.7391~0.775,7相关性为0.040~ 量为022680.2386，同质性为0.8443~0.8577，相 0.0648,与初始阶段相比均有不同程度的下降。 关性为0.2359~0.2935：失稳卸压后煤样裂隙体积急 剧增加，三个统计特征值下降幅度明显，能量降至 0732~0.2001,同质性降为0.7907~0.8195，相关 性降为0.0975~0.1506。 2 mn 以上分析可知：三轴应力条件下，对比度的总 .2 mm 4 mi 体趋势为先减小后单调递增，能量和同质性的总体 趋势为先增大后单调递减，与裂隙的动态演化趋势 致。部分断面的特征值存在一定的随机性波动， 图10断面位置示意图 但不影响总体变化趋势，表明煤样裂隙发育存在局 Fig.10 Schematic diagram of section location 图12为S2煤样的GLCM统（特征的变化曲线，初 部非均匀性。 120 0.20 (a) (b) 1.00 0.18 0.80 0.60 0.16 Section I ■Section2 Section 1 Section 2 0.40 Section 3 Section4 Section 3 oSection4 Section 5 ◆-Average value Section 5 。Average value 0.20 0.14 3 5 6 0 3 4 6 Scanning stage Scanning stage
mm，如图10所示）在各扫描阶段的四个统计特征： 对比度、能量、相关性和同质性，利用四个统计特 征对加载过程中的煤样细观结构演化进行分析。由 图11~图13可以看出，断面1-断面5的统计特征在不同 扫描阶段的变化趋势表现出较大的波动性，表明煤 样内部的各向异性和非均质性较明显。 图11为S1煤样的GLCM统计特征的变化曲线，由 图4可知煤样内部矿物质含量很高，一定程度上影响 了GLCM的计算结果。由图11a可以看到初始阶段煤 样的对比度为0.7033 ~ 1.0042，之后煤样在轴向应力 作用下被压实，对比度减小到0.6182 ~ 0.7825；图7 显示第4次扫描时煤样内部产生了新裂隙，对比度增 加到0.6021 ~ 0.9410，第5-6次扫描时裂隙进一步扩展 导致裂隙网络扩大，对比度最终增加为0.9773 ~ 1.1561。由图11b、c、d中的第1次扫描结果可以看到 断面1-断面5的能量为0.1714 ~ 0.1834，同质性为 0.7846 ~ 0 .8216，相关性为0.0963 ~ 0.1303；破坏卸 压后煤样的裂隙发育充分，能量为0.1646 ~ 0.1775， 同 质 性 为 0 . 7 5 19 ~ 0 . 7 7 5 7， 相 关 性 为 0 . 0 47 0 ~ 0.0648，与初始阶段相比均有不同程度的下降。 Z X Y 0 mm 4 mm -4 mm O 2 mm -2 mm 图 10 断面位置示意图 Fig.10 Schematic diagram of section location 图12为S2煤样的GLCM统计特征的变化曲线，初 始阶段对比度为0.5269 ~ 0.5603，第2次扫描时为弹 性阶段，裂隙部分闭合，对比度下降到0.4787 ~ 0.5384；第3-6次扫描时煤样处于塑性屈服阶段和峰 后阶段，由图7可以看到裂隙不断发育扩展，对比度 单调递增到0.7795 ~ 0.9030。由图12b、c、d可知，初 始阶段断面1-断面5的能量为0.2743 ~ 0 .2910，同质性 为0.8813 ~ 0 .9016，相关性为0.3020 ~ 0.3419；破坏 后能量降为0.2209 ~ 0.2406，同质性降为0.8236~ 0.8402，相关性降为0.1607 ~ 0.1776。 图13为S3煤样的GLCM统计特征的变化曲线。初 始阶段断面1-断面5的对比度为0. 0 .4123~ 0.4972，在 弹性阶段减小到了0.3924 ~ 0.4749（第2次扫描结 果）；图7显示S3煤样进入塑性屈服阶段后出现裂隙 网络，导致了煤样的失稳破坏，对比度增加到了 0.5344 ~ 0.7143（第4次扫描结果）；峰后阶段时， 裂隙网络结构扩展相对稳定，对比度最终增加至 0.7372 ~ 1.0765（第6次扫描结果）。由图13b、c、d 中的第1次扫描结果可知，初始阶段断面1-断面5的能 量为0.2268 ~ 0.2386，同质性为0.8443 ~ 0.8577，相 关性为0.2359 ~ 0.2935；失稳卸压后煤样裂隙体积急 剧增加，三个统计特征值下降幅度明显，能量降至 0.1732 ~ 0.2001，同质性降为0.7907 ~ 0.8195，相关 性降为0.0975 ~ 0.1506。 以上分析可知：三轴应力条件下，对比度的总 体趋势为先减小后单调递增，能量和同质性的总体 趋势为先增大后单调递减，与裂隙的动态演化趋势 一致。部分断面的特征值存在一定的随机性波动， 但不影响总体变化趋势，表明煤样裂隙发育存在局 部非均匀性。 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 0 1 2 3 4 5 6 Contrast Scanning stage (a) Section 1 Section 2 Section 3 Section 4 Section 5 Average value 0.14 0.16 0.18 0.20 0 1 2 3 4 5 6 Energy Scanning stage (b) Section 1 Section 2 Section 3 Section 4 录用稿件，非最终出版稿 Section 5 Average value
0.14 0.84 (c) (d) 0.12 0.82 0.10 0.80 0.08 0.78 0.06 0.76 0.04 Section 1 Section2 0.74 Section 1 Section 2 0.02 Section 3 Section4 0.72 Section 3 Section4 Section 5 -Average value Section 5 0.00 Average value 0.70 0 1 3 4 6 0 1 4 6 Scanning stage Scanning stage 图11S1煤样的GLCM统计特征曲线.(a)对比度；(b)能量；(c)相关性，(d同质性 Fig.11 The curves of GLCM statistical characteristics of S1 coal sample:(a)contrast;(b)energy;(c)correlation;(d)homogeneity 1.00 0.35 (a) (b) 0.80 版稿 0.30 isenuoD 0.60 0.25 0.40 Section 1 Section 2 0.20 Section 2 Section 3 Section4 Section 4 0 Section 5 Average value -Average value 0.20 0.15 0 2 3 2 6 Scanning stage Scanning stage 0.40 092 0.30 .86 0.20 0 84 0.10 0.82 Section I Section 2 Section I ■Section2 Section 3 Section 4 0.80 Section 3 Section4 Section 5 yAverage value 0 Section 5 -.Average value 0.00 0.78 0 2 3 0 2 6 Scanning Scanning stage 图12S2煤样的GCM统计特征曲线.(a)对比度；b)能量；(c)相关性，(d同质性 Fig.12 The curves of GLCM statistcal characteristics of S2 coal sample:(a)contrast.(b)energy.(c)correlation,(d)homogeneity 1.20 0.26 (a) (b) 1.00 0.24 0.80 0.22 0.60 0.20 0.40 0.18 Section 1 Section 2 Section 1 Section 2 0.20 Section 3 Section 4 0.16 Section 3 Section4 Section 5 Average value Section 5 ◆Average value 0.00 0.14 5 6 2 3 6 Scanning stage Scanning stage
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0 1 2 3 4 5 6 Correlation Scanning stage (c) Section 1 Section 2 Section 3 Section 4 Section 5 Average value 0.70 0.72 0.74 0.76 0.78 0.80 0.82 0.84 0 1 2 3 4 5 6 Homogeneity Scanning stage (d) Section 1 Section 2 Section 3 Section 4 Section 5 Average value 图 11 S1 煤样的 GLCM 统计特征曲线. (a) 对比度; (b) 能量; (c) 相关性; (d) 同质性 Fig.11 The curves of GLCM statistical characteristics of S1 coal sample: (a) contrast; (b) energy; (c) correlation; (d) homogeneity 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 0 1 2 3 4 5 6 Contrast Scanning stage (a) Section 1 Section 2 Section 3 Section 4 Section 5 Average value 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0 1 2 3 4 5 6 Energy Scanning stage (b) Section 1 Section 2 Section 3 Section 4 Section 5 Average value 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0 1 2 3 4 5 6 Correlation Scanning stage (c) Section 1 Section 2 Section 3 Section 4 Section 5 Average value 0.78 0.80 0.82 0.84 0.86 0.88 0.90 0.92 0 1 2 3 4 5 6 Homogeneity Scanning stage (d) Section 1 Section 2 Section 3 Section 4 Section 5 Average value 图 12 S2 煤样的 GLCM 统计特征曲线. (a) 对比度; (b) 能量; (c) 相关性; (d) 同质性 Fig.12 The curves of GLCM statistical characteristics of S2 coal sample: (a) contrast; (b) energy; (c) correlation; (d) homogeneity 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 0 1 2 3 4 5 6 Contrast Scanning stage (a) Section 1 Section 2 Section 3 Section 4 Section 5 Average value 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0 1 2 3 4 5 6 Energy Scanning stage (b) Section 1 Section 2 Section 3 Section 4 录用稿件，非最终出版稿 Section 5 Average value
0.35 0.88 (c) (d 0.30 0.86 0.25 0.84 0.20 0.82 0.15 0.80 0.10 0.78 Section I Section 2 Section 1 Section 2 0.05 Section3 Section 4 0.76 Section 3 Section4 0 Section 5 -Average value Section 5 Average value 0.00 0.74 0 1 2 3 4 5 6 2 3 6 Scanning stage Scanning stage 图13S3煤样的GLCM统计特征曲线.(a)对比度；(b)能量；(c)相关性，(d同质性 Fig.13 The curves of GLCM statistical characteristics of S3 coal sample:(a)contrast;(b)energy;(c)correlation;(d)homogeneity 5结论 u p o n tthrea n s p ort p r o p e r ties o f c o al:a l a b or ator y stu d k. Is o th e r m s d ist f i.B9s89 本文利用显微工业CT扫描技术，研究了受载含 78(11上1333-1344. 瓦斯煤样裂隙网络的动态演化特征。采用图像处理 [4]Wang D,Lv R,Wei J,et ental study of seepage properties 技术、三维重建技术和灰度共生矩阵(GLCM)理论 of gas-saturat nder different loading conditions 对不同加载阶段的裂隙的演化过程进行了分析，得 Science Engineering, (3:799-808. 到了以下主要结论： [5]Wang D,Lv F WeiJ,et al.An experimental study of the anisotropic (1)瓦斯压力的存在弱化了受载含瓦斯煤的力 pe of coal containing gas [J].Journal of Natu 学性质，加速了裂隙扩展。当瓦斯压力由0MPa升至 d Engineering,2018,53(5):67-73. 0.5MPa再至1.5MPa时，受载含瓦斯煤的三轴抗压强 Liu D,Cai Y,et al.Multi-scale fractal characteriz 度降低17.17和37.71%弹性模量降低20.766和 subbituminous and high-volatile bituminous 32.38%,裂隙体积增加117.67%和350.94%，裂隙密 r c u r y i n t r u s i o n p o r o s i m e 度增幅为168.15%和347.79%。 Science and Engineering,2017,44:338-350. (2)在三轴应力作用下，受载含瓦斯煤的裂隙 [7]L Hio,Y Sawa S M himada f.t echanism 先闭合后扩展，并最终形成复杂的贯通裂隙网络： coals aniis role on methane retblvEuel200382(10)t271 受载含瓦斯煤的三维裂隙体积和裂隙密度均表现出 1279 先减小后增大的发展规律，总体上里现出山裂隙压密 8 Z h a o J,Xu H,Tan g D,et al.C oa l se a m p o r o s 闭合、新裂隙萌生扩展和主裂隙加速扩展贯通3个变 heter oge neity o f m a c ro l i th o t y p es in t he H an c h 化阶段。 margin,Ordos Basin,China[J].International Journal of Coal Geology, (3)灰度共生矩阵统许冷法是分析受载含 2016,159:18-29. 瓦斯煤裂隙动态扩展和演化的有效手段。灰度共生 [9 Q i L,T a n g X,W a n g z,et a I. 矩阵各统计特征值的变化能有效描述受载含瓦斯煤 differentt opes ff al g orom d oal s nd I as utburst 的裂隙扩展和演过程。 三轴应力条件下，对比度 t e m p e r a t u r e n i t r og e n a d s or p t i o n a pp r o a ch J 先减小后单调递增能量和同质性的先增大后单调 of Mining Science and Technology,2017,27(2):371-377. 递减，与裂隙的动态演化趋势一致：相关性呈现出 [10]Ni X,Chen W,Li Z,et al.Reconstruction of different scales of pore 单调递减趋势。 fractures network of coal reservoir and its permeability prediction with 考文献： Monte Carlo method[J].International Journal of Mining Science Technology,2017,27(4:693-699. [1]Hou Z,Xie H,Zhou Het al Unconventional gas resources in China[J]. [11]Giffin S,Littke R,Klaver J,et al.Application of BIB-SEM technology Environmental Earth Sciences,2015,73(10):5785-5789. to characterize macropore morphology in coal[J].International Journal [2]Li S,Tang D,Pan Z,et al.Evaluation of coalbed methane potential of of Coal Geology,2013,114:85-95. different reservoirs in western Guizhou and eastern Yunnan,China[J]. [12 Zhao Y,Sun Y,Liu S,et al.Pore structure characterization of coal by Fuel,2015,139:257-267. NMR cryoporometry[J].Fuel,2017,190:359-369. [3]Clarkson CR,Bustin RM.The effect of pore structure and gas pressure [13]S Cuif SZ are a N,hang d I I.p anopore ha
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0 1 2 3 4 5 6 Correlation Scanning stage (c) Section 1 Section 2 Section 3 Section 4 Section 5 Average value 0.74 0.76 0.78 0.80 0.82 0.84 0.86 0.88 0 1 2 3 4 5 6 Homogeneity Scanning stage (d) Section 1 Section 2 Section 3 Section 4 Section 5 Average value 图 13 S3 煤样的 GLCM 统计特征曲线. (a) 对比度; (b) 能量; (c) 相关性; (d) 同质性 Fig.13 The curves of GLCM statistical characteristics of S3 coal sample: (a) contrast; (b) energy; (c) correlation; (d) homogeneity 5 结 论 本文利用显微工业CT扫描技术，研究了受载含 瓦斯煤样裂隙网络的动态演化特征。采用图像处理 技术、三维重建技术和灰度共生矩阵（GLCM）理论 对不同加载阶段的裂隙的演化过程进行了分析，得 到了以下主要结论： （1）瓦斯压力的存在弱化了受载含瓦斯煤的力 学性质，加速了裂隙扩展。当瓦斯压力由0 MPa升至 0.5 MPa再至1.5 MPa时，受载含瓦斯煤的三轴抗压强 度降低17.17%和37.71%，弹性模量降低20.76%和 32.38%，裂隙体积增加117.67%和350.94%，裂隙密 度增幅为168.15%和347.79%。 （2）在三轴应力作用下，受载含瓦斯煤的裂隙 先闭合后扩展，并最终形成复杂的贯通裂隙网络； 受载含瓦斯煤的三维裂隙体积和裂隙密度均表现出 先减小后增大的发展规律，总体上呈现出裂隙压密 闭合、新裂隙萌生扩展和主裂隙加速扩展贯通3个变 化阶段。 （3）灰度共生矩阵统计分析方法是分析受载含 瓦斯煤裂隙动态扩展和演化的有效手段。灰度共生 矩阵各统计特征值的变化能有效描述受载含瓦斯煤 的裂隙扩展和演化过程。三轴应力条件下，对比度 先减小后单调递增，能量和同质性的先增大后单调 递减，与裂隙的动态演化趋势一致；相关性呈现出 单调递减趋势。 参考文献： [1] Hou Z, Xie H, Zhou H, et al. Unconventional gas resources in China[J]. Environmental Earth Sciences, 2015, 73(10): 5785-5789. [2] Li S, Tang D, Pan Z, et al. Evaluation of coalbed methane potential of different reservoirs in western Guizhou and eastern Yunnan, China[J]. Fuel, 2015, 139: 257-267. [3] Clarkson CR, Bustin RM. The effect of pore structure and gas pressure u p o n t h e t r a n s p o r t p r o p e r t i e s o f c o a l : a l a b o r a t o r y a n d m o d e l i n g s t u d y . 1 . I s o t h e r m s a n d p o r e v o l u m e d i s t r i b u t i o n s [ J ]. F u e l , 1 9 9 9, 78(11): 1333-1344. [4] Wang D, Lv R, Wei J, et al. An experimental study of seepage properties o f g a s - s a t u r a t e d c o a l u n d e r d i f f e r e n t l o a d i n g c o n d i t i o n s [ J ] . E n e r g y Science & Engineering, 2019, 7(3): 799-808. [5] Wang D, Lv R, Wei J, et al. An experimental study of the anisotropic p e r m e a b i l i t y r u l e o f c o a l c o n t a i n i n g g a s [ J ] . J o u r n a l o f N a t u r a l G a s Science and Engineering, 2018, 53(5): 67-73. [ 6 ] Z h o u S , L i u D , C a i Y , e t a l . M u l t i - s c a l e f r a c t a l c h a r a c t e r i z a t i o n s o f l i g n i t e , s u b b i t u m i n o u s a n d h i g h - v o l a t i l e b i t u m i n o u s c o a l s p o r e s b y m e r c u r y i n t r u s i o n p o r o s i m e t r y [ J ] . J o u r n a l o f N a t u r a l G a s Science and Engineering, 2017, 44: 338-350. [7] L i H , O gawa Y , S himada S . M echanism o f m ethane f low t hrough s heared c o a l s a n di t s r o l e o n m e t h a n e r e c o v e r y [ J ]. F u e l, 2 0 0 3, 8 2 ( 1 0 ) :1 2 7 1- 1279. [ 8 ] Z h a o J , X u H , T a n g D , e t a l . C o a l s e a m p o r o s i t y a n d f r a c t u r e h e t e r o g e n e i t y o f m a c r o l i t h o t y p e s i n t h e H a n c h e n g B l o c k , e a s t e r n margin, Ordos Basin, China[J]. International Journal of Coal Geology, 2016, 159: 18-29. [ 9 ] Q i L , T a n g X , W a n g Z , e t a l . P o r e c h a r a c t e r i z a t i o n o f different t ypes o f c oal f rom c oal a nd g as o utburst d isaster s ites u sing l ow t e m p e r a t u r e n i t r o g e n a d s o r p t i o n a p p r o a c h [ J ] . I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l of Mining Science and Technology, 2017, 27(2): 371-377. [10] Ni X, Chen W, Li Z, et al. Reconstruction of different scales of porefractures network of coal reservoir and its permeability prediction with M o n t e C a r l o m e t h o d [ J ] . I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f M i n i n g S c i e n c e a n d Technology, 2017, 27(4): 693-699. [11] Giffin S, Littke R, Klaver J, et al. Application of BIB-SEM technology to characterize macropore morphology in coal[J]. International Journal of Coal Geology, 2013, 114: 85-95. [12] Zhao Y, Sun Y, Liu S, et al. Pore structure characterization of coal by NMR cryoporometry[J]. Fuel, 2017, 190: 359-369. [13] S un C , T ang S , Z hang S , e t a l. N anopore c haracteristics o f l ate p aleozoic 录用稿件，非最终出版稿
