《工程科学学报》：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

《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 co￾occurrence 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 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 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