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第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 不同热破裂温度下煤岩的孔裂隙演化特征研究 李江华 1， 薛成洲2， 韩 强 3 （1．河南工业职业技术学院, 河南 南阳 473000； 2．河南省郸城县水利局， 河南 周口 477150； 3．成都理工大学， 四川 成都 610000） 摘要 为了研究不同温度下煤页岩的细观孔隙结构,对经过 20、 100、 300、 500 ℃热破裂温度下 的煤岩试样进行微米 CT 扫描试验， 基于阈值分割算法得到了三维孔隙重构模型， 并分析了孔隙 率、 孔喉尺寸参数和孔隙连通度的量化指标随温度变化的关系。结果表明， 利用 CT 扫描技术获 得煤岩的二维切片， 经过重构可得到三维孔隙结构模型； 表征孔隙含量的孔隙率与温度呈指数 型函数关系； 最大孔喉长度 L 和平均孔喉半径 R 随温度上升的增速呈先慢后快的特点； 煤页岩 的孔隙连通度随环境温度的升高保持初期迅速上升， 在中期缓慢上升， 到后期有所下降的变化。 关键词 煤岩； 热破裂； CT 图像； 孔隙结构； 量化表征 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 01-0022-04 Study on Fracture Evolution Characteristics of Coal Rock at Different Thermal Fracture Temperatures LI Jianghua1, XUE Chengzhou2, HAN Qiang3 （1．Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China;2．Henan Dancheng County Water Resources Bureau, Zhoukou 477150, China;3．Chengdu University of Technology, Chengdu 610000, China） Abstract To study the mesoscopic pore structure of coal shale rock under different temperatures, Micron CT scanning test was carried out on coal and rock samples at thermal fracture temperatures of 20, 100, 300 and 500 ℃． Based on the threshold segmentation algorithm, the three-dimensional pore reconstruction model is obtained, and the relationship between the pore ratio, pore throat size parameters and the quantitative index of pore connectivity with temperature is analyzed． The results show that the two-dimensional sections of coal and rock are obtained by CT scanning technology, and the three-dimensional pore structure model can be obtained by reconstruction． The relationship between porosity and temperature was exponential． The maximum pore throat length L and average pore throat radius R increase slowly and then rapidly with the increase of temperature． The pore connectivity of coal shale increased rapidly in the initial stage with the increase of ambient temperature, slowly increased in the middle stage, and decreased in the later stage． Key words coal rock; thermal fracture; CT images; pore structure; quantitative characterization 煤岩作为一种复杂的多孔介质物，其孔隙的特 征关系到煤体对瓦斯的吸附和解吸性及煤层内瓦斯 的流动特性。对于岩体孔隙特点的研究是认识煤层 瓦斯赋存。 运移和渗透的重要依据,也是预测煤岩宏 观物理力学性质的重要参考[1-5]。随着微观结构分析 技术与数值模拟方法的发展, 对岩体三维微观结构 特点的研究成为一个热点[6]。由于颗粒的不均匀分 布和形状不规则特点，岩石内部的孔隙结构异常复 杂， 无法用常规的观察手段对其进行观测。CT 扫描 试验是一种无损的成像技术，在岩石的微观结构探 测中被广泛应用[7－9]。CT 技术在不破坏材料结构的 前提下，直接探测孔隙的空间分布特征，对岩石的 微观结构观测具有适用性。随着现代采矿工程中， 开采深部的逐步扩展，深部岩体的物理特性对安全 开采存在十分重要的作用[10]。 随着矿井深度增加， 井 下的环境温度也在逐渐升高[11]。研究高温环境下岩 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．01．006 李江华， 薛成洲， 韩强．不同热破裂温度下煤岩的孔裂隙演化特征研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （1） 22-25， 29． LI Jianghua, XUE Chengzhou, HAN Qiang． Study on Fracture Evolution Characteristics of Coal Rock at Dif－ ferent Thermal Fracture Temperatures ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （1） 22-25,29．移动扫码阅读 22 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 体的微观结构变异特性具有重要意义。目前，关于 高温热解对煤体物理和力学特性的影响研究已经取 得了一定成果，但是对于高温热解的微观机理研究 还比较罕见。基于此， 研究主要利用 CT 技术对不同 高温热破裂程度的煤系页岩试样开展扫描，得到了 微观结构量化表征指标，重点研究岩体受不同温度 影响的孔隙变化规律。 1试验方法与结果 1.1试样 选择山西吕梁肖家洼 4 号煤矿井下的煤系页岩 作为研究对象，该煤矿的煤样属于瘦煤，地质年代 为石炭系。采用砂纸将煤样手工磨制成截面直径为 10 mm，高度为 50 mm 的圆柱体试样。使用红外煤 质扫描分析仪进行煤的物质成分分析，发现该煤样 中孔隙水含量为 1.69、 硫分 1.94、 灰分 21.78、 挥发分 7.52。 对试样进行扫描电镜试验 （SEM） ， 试样的 SEM 扫描图像如图 1。从放大 200 倍的 SEM 图像中发现 该煤岩的微观结构呈颗粒状，颗粒间的排列比较致 密， 节理较清晰， 颗粒间有微孔隙。 1.2加热试验 研究使用的加热装置为可程式温度控制箱， 由 电加热泵、温度伺服控制装置、温度传感器和报警 器等组成。试验过程中首先将岩样放置在控制箱 内；然后设定加热温度值和升温时间；加热过程中 利用温度传感器监测箱内环境温度，并通过温度伺 服控制装置调节加热泵功率，以实现对温度的精确 控制。试验对煤样进行 20、 100、 300、 500 ℃ 4 级温 度连续加热处理， 每级加热持续 2 h。 1.3CT 扫描试验及图像分析 研究采用 SOMATOM 微米 CT 扫描仪进行扫 描。设置扫描仪电压与电流参数维持为 160 kV 和 320 mA， 获得结果的扫描精度 15 μm。经过扫描后 得到约 800 张横截面图像。CT 扫描过程如图 2。首 先，将试样放置在扫描系统的载物台上进行慢速旋 转;在旋转过程中， 由 X 射线源发射射线穿透样品; 然后灰度值检测器对扫描图像进行过滤； 最后由图像 的采集设备获取被测物体的二维横断面图像。 为了保 证被测样品的内部结构的量化， 采用 MATLAB 图形 处理工具箱对初始截面图像进行数字图形处理[12]。 图形处理是基于煤岩颗粒与孔隙的密度差异经由灰 度阈值过滤，将颗粒和孔隙按照二值化处理方法各 自区域进行划分[13]。 CT 扫描的图像处理步骤包括对图像进行剪裁、 阈值分割与三维图形模型重构。煤岩的 CT 图像处 理步骤乳腺首先由 CT 扫描试验得到岩石的原始 截面图像； 将原始图像进行裁剪， 得到 800 像素800 像素的正方形图像； 再利用 Otsu 自动阈值分割算法 进行灰度值分割， 以划分固体和孔隙的像素区域;最 后，将样品的连续截面图像进行叠加重构获取三维 孔隙模型。由三维孔隙模型可以计算被测样品的孔 隙率。平均孔径分布与孔隙连通度等量化指标。 2试验结果与讨论 2.1CT 图像分析 由 CT 扫描试验得到一系列沿试样轴线方向的 二维横截面图像， 称为 “切片” ， 切片对 X 射线衰减 系数的数据进行存储，以灰度值的形式记录于在图 像中。由于煤岩骨架与密度的密度差异明显，可以 通过各自的 X 射线衰减系数进行识别。反映在 CT 图像中， 孔隙表现为黑色， 高密度的矿物表现为浅灰 色， 煤骨架表变为深灰色。 为了便于对比分析热破裂程度对于煤裂隙演化 规律的影响， 选取在不同温度下， 试样同一高度处的 图 1试样的 SEM 扫描图像 Fig.1The SEM image of coal samples 图 2CT 扫描过程图 Fig.2CT scan process diagram 23 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 图 5孔喉尺寸与热破裂温度的关系 Fig．5The relationship between pore-throat sizes and thermal fracture temperatures CT 扫描结果进行分析。热破裂过程的 CT 图像如图 3。从图 3 可以直观地观察到，在二维扫描切片中， 煤岩主要被划分成 3 个不同成分，其中骨架占据大 部分面积，高密度矿物质在煤中为层理状分布， 原 生的煤岩中裂隙不明显。但是，随着热破裂过程的 发展， 内部损伤逐渐累积， 煤的裂隙不断扩张， 尤其 在 500 ℃的加热环境中， 裂隙开始大量连通， 试样整 体处于破裂状态。 图 3热破裂过程的 CT 图像 Fig.3The CT image during thermal cracking 2．2不同温度下煤的裂隙演化规律 以三维重构模型的孔隙率、孔径分布曲线和连 通度作为分析中的 3 个重要参数指标，以实现赋存 温度与孔隙特性之间基本关系的建立。 1） 孔隙率。孔隙率 ω 是三维重构煤岩中， 所有 三维孔隙所占的像素数量与煤岩整体的像素总量的 比值。孔隙率与热破裂温度的关系如图 4。可以看 出，孔隙率 ω 与热破裂温度 T 呈指数型函数关系， 相关系数平方达到了 0．99。通过分析发现热破裂温 度在在 20～100 ℃过程中，孔隙率 ω 由初始状态的 1．71小幅增长至 2．45； 100～300 ℃过程中的孔隙 率 ω 由 2．45增至 4．20；而从 300 ℃过渡到 500 ℃后， 孔隙率 ω 迅速增长至 8．32。 2 ） 孔径分布曲线。对于孔隙的三维重构模型， 研 究按照体积等效原则将所有孔隙看成为喉道，试样 中的最大连通裂隙为主裂隙喉道。利用主裂隙喉道 的最大长度 L 和平均直径 R 随温度的变化来表征 煤样孔喉的尺寸演化规律。孔喉尺寸与热破裂温度 的关系如图 5。 由图 5 可以看出， 煤的孔隙尺寸特征 参数 （L 和 R） 随热破裂温度 T 的升高而增大， 且变 化规律与孔隙率相似。即孔隙尺寸特征参数随温度 升高， 前期变化幅度较小， 后期增速迅速增加， 表明 主裂隙的孔喉长度 L 与平均孔径 R 的值在一定程 度上可以反映裂隙发展程度。 3） 孔隙连通度。孔隙连通度反映了岩体内部裂 隙相连通的程度， 由 CT 扫描图像发现， 在热破裂温 度升高过程中，煤岩中的主裂隙相对其它孔裂隙非 常明显。因此，研究以最大裂隙的像素数量占总孔 隙的像素的比例作为孔隙连通度指标，孔隙连通度 与热破裂温度的关系如图 6。 从图 6 可以看出， 室温 图 4孔隙率与热破裂温度的关系 Fig．4The relationship between porosity and thermal fracture temperatures 24 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 图 6孔隙连通度与热破裂温度的关系 Fig．6The relationship between pore connectivity and thermal fracture temperatures 环境下初始试样的孔隙连通度很低，表明初始状态 的煤中没有明显的主裂隙出现；而经过 100 ℃环境 温度的热作用后， 孔隙连通度 f 达到了 65％以上， 说 明 100 ℃的热效应使得煤样出现了 1 条明显主裂 隙；经过 300 ℃热作用后的煤样孔隙连通度进一步 增加至 82％， 这是孔隙连通度 f 的峰值， 说明主裂隙 在原有的基础上继续扩展，且新生的裂隙增加的不 明显； 经过 500 ℃的热效应作用后， 孔隙联通度出现 下降趋势， 由峰值的 82％降至 63％， 此阶段的主裂 隙仍继续发展，但是新生的次裂隙也大量出现， 使 得总体上的主裂隙占比有所下降。这也反映了在热 破裂后期，大量新生裂隙出现、扩展并形成裂隙网 的现象。 2．3试验现象分析 结合 CT 扫描二维图像对试验的数据结果进行 分析，原状煤样在室温环境下颗粒排列比较致密， 孔隙率和孔隙尺寸均较小，由于孔隙数量较多且相 互独立，导致孔隙连通度很低。随着热破裂温度升 高至 100 ℃，岩石颗粒由于膨胀的各向异性产生局 部产的应力集中现象，而当局部应力高于煤颗粒的 强度时，主裂隙开始萌发，主裂隙沿着破裂面不断 延伸，使得该裂隙的等效孔喉模型尺寸大幅上升， 主裂隙的出现也直接导致了孔隙率和孔隙连通度 的大幅增加。当热破裂温度从 100 ℃增加到 300 ℃ 后，煤样裂隙中的热应力进一步升高，导致煤样中 的主裂隙不断扩张， 此时的孔喉模型尺寸参数 （L 和 R） 、 孔隙率 ω 以及孔隙连通度均继续增加。当温度 继续升至 500 ℃后，主裂隙沿着热应力破坏面不断 扩张、 发展， 最终形成明显的裂隙网， 表明煤样的 热破裂已完成。此时孔隙率 ω 为初始状态的 8 倍左 右，孔喉模型参数 L 增加了 11 倍左右， R 增加了 5 倍左右，但次裂隙的发展限制了孔隙连通度进一步 增加。 3结论 1） 研究采用 CT 扫描技术进行煤系页岩微观形 态观测，获得了不同热破裂温度下的岩体孔隙二维 横截图像，根据灰度值差异将试样整体的二维截面 划分成孔隙。高密度矿物和骨架 3 个组成部分。 2） 对 CT 扫描的三维孔隙重构模型进行信息提 取，发现孔隙率与热破裂温度保持指数函数关系； 孔喉尺寸参数随温度升高不断增加，且增加速度先 慢后快；孔隙连通度在热破裂初期迅速增加，在后 期有下降趋势。 3） 结合 CT 扫描图像和三维孔隙统计数据发现 煤岩的热破裂在温度为 100 ℃环境中开始萌发； 在 300 ℃环境中裂隙继续累积和发展，破裂速度明显 加快； 在 500 ℃环境中， 破裂速度进一步提高， 且形 成了热破裂的裂隙网。 参考文献 ［1］ 王金波， 黄耀辉， 鞠杨， 等．基于三维重构模型的孔隙 岩石气体渗流的 LBM 模拟 ［J］ ．煤炭工程， 2014， 46 （5） 77－80． ［2］ WANG Weishu, LIAO Yihan, LIU Jun, 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0．8、 1．2、 2．0 MPa 时， f 值分别下降至 0．50、 0．45、 0．42， 究 其原因主要是由于不同瓦斯压力条件下煤样产生的 吸附膨胀变形量也不同，当瓦斯压力升高时，吸附 使煤样产生膨胀变形，膨胀变形使得强度降低； 当 瓦斯压力降低时，解吸使煤样产生收缩变形，收缩 变形使得强度增加。煤是一种多孔介质，由瓦斯吸 附和岩石力学理论可知，当煤体吸附瓦斯后瓦斯压 力对聚结力有一定的影响，瓦斯压力的增大可使煤 体弱面有效法向应力明显降低，从而使煤体强度降 低， 煤体变软[9-10]， 当煤体处于原始应力状态下， 瓦斯 压力的增加可在一定程度上降低煤体的强度，降低 煤体的抵抗破坏能力。因此在进行单项指标法突出 危险性鉴定 （预测） 时， 当 f 值处于临界值以上较小 范围时， 应充分考虑瓦斯压力的大小对 f 值的影响， 以免鉴定失误造成不良后果。 实验表明煤的坚固性系数受煤样瓦斯压力的 影响明显。瓦斯压力越大， 煤体强度越小， 用以抵抗 外力破碎的能力越差。 4结论 1） 研制的实验装置可实现封闭充气环境下煤坚 固性系数的自动化测试。 2） 吸附条件下瓦斯压力 （≥0．4 MPa） 与坚固性 系数之间近似线性关系， 相关系数 R 在 0．9 以上。 3） 煤的坚固性系数受煤样瓦斯压力的影响明 显。瓦斯压力越大， 煤体强度越小， 用以抵抗外力破 碎的能力越差。 参考文献 ［1］ 王佑安．煤矿瓦斯防治 ［M］ ．北京 煤炭工业出版社， 2001． ［2］ 俞启香．矿井瓦斯防治 ［M］ ．徐州 中国矿业大学出版 社， 1992． ［3］ 刘宗平．关于岩石坚固性系数的测定方法 ［J］ ．武汉地 质学院学报， 1985， 10 （3） 93－102． ［4］ AQ 10242006 煤与瓦斯突出矿井鉴定规范 ［S］ ． ［5］ 201804 煤矿瓦斯等级鉴定办法 ［S］ ． ［6］ 郭晓华， 蔡卫， 马尚权， 等．不同煤种微孔隙特征及其 对突出的影响 ［J］ ．中国煤炭， 2009 （12） 82－85． ［7］ 蔡成功， 王魁军．煤坚固性系数 f 测定中若干问题探 讨 ［J］ ．中国矿业大学学报， 1996， 25 （2） 82－86． ［8］ GB/T 23561．22009 煤和岩石物理力学性质测定方 法 ［S］ ． ［9］ 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