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