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