基于CT扫描的煤岩裂隙特征及其对破坏形态的影响.pdf

第4 5 卷第2 期 2 0 2 0 年2 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5 N o ．2 F e b ．2 0 2 0 移动阅读 付裕，陈新，冯中亮．基于c T 扫描的煤岩裂隙特征及其对破坏形态的影响[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 2 5 6 8 5 7 8 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i ．j c c s ．2 0 1 9 ．0 4 8 0 F UY u ，C H E Nx i n ，F E N Gz h o n d i a n g ．C h a m c t e r i s t i c so fc o a l r o c kf h c t u r e sb a s e do nC Ts c a n n i n ga n di t si n n u e n c eo n f 蔚l u r em o d e s [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 2 5 6 8 5 7 8 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j c c 8 ．2 0 1 9 ．0 4 8 0 基于C T 扫描的煤岩裂隙特征及其对破坏形态的影响 付裕1 ’2 ，陈新1 ’2 ，冯中亮1 ’2 1 ．中国矿业大学 北京 力学与建筑工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．中国矿业大学 北京 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 l O 0 0 8 3 1 摘要为了研究煤岩原始裂隙结构对其宏观破坏特征的影响，以河南城郊煤矿2 1 3 0 4 工作面的煤 岩为研究对象，利用n a n o V o x e 卜4 0 0 0 系统对不同围压作用下加载前后的煤样进行了C T 扫描试验。 基于图像处理软件对裂隙结构进行提取和三维重建，结合等效球体模型定量分析了煤岩内不同尺 度原始裂隙在空间的分布特征。通过计算平面内原始裂隙与破裂主裂隙的裂隙组构张量，以及空 间内原始主裂隙面与新产生主裂隙面的倾角，对比分析了不同围压下原始裂隙分布方向与破坏时 新生成主裂隙方向之间的关系。研究结果表明煤样试件内含有大量不同尺度的裂隙，等效直径小 于10 0 0 m 的裂隙数量多，体积小；等效直径大于50 0 0 m 的裂隙数量少，体积大；当等效直径小 于50 0 0 斗m 时，随着裂隙等效直径的增加，裂隙的数目逐渐减少；在等效直径小于3 0 0 m 时，裂隙 体积分数随等效直径的增加而增大；等效直径在30 0 50 0 0 m 的裂隙的体积分数整体呈现下降 趋势，且等效直径在大于15 0 0 m 以后波动较大。利用2 阶和4 阶裂隙组构张量计算得到的椭圆 形分布规律，可以有效的描述裂隙的优势方向和劣势方向，且相比2 阶张量，4 阶对于平面裂隙分 布规律的描述更全面。不同围压下平面内原始裂隙的2 阶和4 阶裂隙张量计算的优势方向与破坏 主裂隙的发展方向一致，三维空间新产生的破坏主裂隙面会沿着原有较大主裂隙面方向扩展，形成 了近似平行的裂隙面。不同围压作用下，煤岩试件内部损伤破裂面的三维分形维数不同，随着围压 的增大裂隙面的分形维数减小，二者具有较好的相关性。 关键词煤岩；裂隙；C T 扫描；三维重建；破坏特征；三轴压缩 中图分类号T U 4 4 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 0 2 0 5 6 8 一1 1 C h a r a c t e r i s t i c so fc o a l ．r o c kf ．r a c t u r e sb a s e do nC Ts c a n I l i n ga n di t s i n n u e n c eo nf ．a i l u r em o d e s F UY u l ”，C H E NX i n l 一，F E N GZ h o n g l i a n 9 1 ，2 1 ．S c k o f0 ，胁c 比n 如Ⅱ蒯C 咖甜西卿聊e 增，劬∞踟沁坩妙o ，胁凡i 凡gn n d ‰ ，1 0 f o g y B e 析昭 ，＆肌愕 1 0 0 0 8 3 ，吼i 船；2 ．s ￡n ￡e 研k 6 0 m 加叮扣r ＆o ，n ∞地n 泌n 凡d 仉印‰如种u n dE n 西n ∞ 增，傩i m 哳娩”蚵o ，胁n i 增∞dn c ，1 0 f o g y B e 彬昭 ，＆讲愕1 0 0 0 8 3 ，铂i ，l Ⅱ A b s t r a c t T os t u d yt h ei n n u e n c eo fo r i g i n a lf r a c t u r eo fc o a lm c ko ni t sm a c r o s c o p i cf a i l u r ec h a m c t e r i s t i c s ，t h ec o a la t t h eN o ．2 1 3 0 4w o r k i n gf a c eo ft h eC h e n 舀i a oC o a lM i n ei nH e n a nP r o v i n c eh a sb e e ni n v e s t i g a t e d ．T h eC Ts c a n n i n gt e s t w a sc a I T i e do u tb e f o r ea n da f t e rl o a d i n gc o a ls a m p l e su n d e rd i f 玷I ℃n tc o n n n i n gp r e s s u r e sb yu s i n gn a n o V o x e l 一4 0 0 0s y s t e m ．T h ef r a c t u r es t m c t u r ew a se x t r a c t e da n dr e c o n s t l l J c t e db a s e do nt h ei m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r e ．C o m b i n i n gw i t ht h e 收稿日期2 0 1 9 0 4 1 6修回日期2 0 1 9 0 6 一1 8责任编辑郭晓炜 基金项目国家自然科学基金面上资助项目 1 1 5 7 2 3 4 4 ；国家重点研发计划资助项目 2 叭6 Y F C 0 6 0 0 9 0 1 作者简介付裕 1 9 8 9 一 ，男，陕西榆林人，博士研究生。E m a i l f u y u l c u m t b 1 6 3 ．c o m 万方数据 第2 期付裕等基于c T 扫描的煤岩裂隙特征及其对破坏形态的影响 e q u i V a l e n ts p h e r em o d e l ，t h eo r i g i n a lf h c t u r e so fd i f 琵r e n ts c a l e sw e r eq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d ．B yc a l c u l a t i n gt h ef t a c t u r ef 如r i ct e n s o ro ft h eo r i 舀n a lf h c t u r ea n dt h ef a i l u r em a s t e rf h c t u r ei nt h ep l a n e ，a n dt h ed i pa n g l eo f 厕g i n a lf i a c t u r es u d 瓷c ea n dt h en e wm a i nf h c t u r es ud a c ei nt I l es p a c e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i s t r i b u t i o nd i r e c t i o no ft h eo - r i g i n a lf h c t u r ea n dt h ed i r e c t i o no fn e w l yg e n e r a t e df h c t u r eu n d e rd i f ．f e r e n tc o I l f i n i n gp r e s s u r e sw a sa I l a l y z e d ．T h er e - s u h ss h o wt l l a tt h ec o a ls a m p l ec o n t a i n sal a r g en u m b e ro ff h c t u r e so fd i f 亿r e n ts c a l e s ．T h en u m b e ro ff h c t u r e sw i t he - q u i v a l e n td i a m e t e rl e s st h a n10 0 0 肛mi sl a r g e ，a n d 山ev o l u m ei ss m a l la n dt h en u m b e ro ff r a c t u r e sw i t he q u i V a l e n td i - a m e t e rg r e a t e rt h a n50 0 0 斗mi ss m a l la n dt h eV o l u m ei sl a r g e ．W h e nt h ee q u i V a l e n td i a m e t e ri sl e s st h a n50 0 0p m ， w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ee q u i v a l e n td i a m e t e r ，t h en u m b e ro ff } a c t u r e sd e c r e a s e s ．W h e nt h ee q u i V a l e n td i a m e t e ri sl e s s t h a n3 0 0 肛m ，w i t ht h ei n c r e 鹳eo ft h ee q u i v a l e n td i a m e t e r ，t h ef h c t u r ev o l u m ef r a c t i o ni n c r e a s e s ．T h ee q u i V a l e n td i 锄- e t e rr a n g e sf 而m3 0 0 斗mt o50 0 0 斗m ，t I l ev o l u m ef h c t i o no ff h c t u r ei sg e n e m U yd e c r e a s e d ，a I l dt h en u c t u a t i o ni so b v i o u sw h e nt h ee q u i V a l e n td i a m e t e ri sm o r et h a n15 0 0 m ．7 1 1 l ee Ⅱi p t i cd i s t r i b u t i o n1 1 l l ec a l c u l a t e db yt h es e c o n d - o 卜 d e ra n df o u n h - o r d e rf h c t u r ef a b r i ct e n s o rc a ne f 玷c t i v e l yd e s c r i b et h ed o m i n a n ta n di 小r i o rd i r e c t i o n so ft | I ep l a l l e f } a c t u r e s ，a n dt h ef o u n h - o r d e rt e n s o ri sm o r ec o m p r e h e n s i v et h a nt l l es e c o n d - o r d e r ．T h ed o m i n a n td i r e c t i o no ft h es e c - o n da n df o u n h o r d e rf h c t u r et e n s o rc a l c u l a t i o n si sc o n s i s t e n tw i t ht h ed e V e l o p m e n td i r e c t i o no ft h en e wm a i nf h c t u r e s u n d e rd i n ’e r e n tc o n f i n i n gp r e s s u r e s ．7 1 1 1 en e wf a i l u r em a i nf h c t u r es u r f 如ew i l le x p a n da l o n gt h ed i r e c t i o no ft h eo r i 舀n a l l a r g e rm a i nf b c t u r es u d ’a c e ，a n df o n n i n gan e a r l yp a r a U e lf h c t u r es u d ．a c e i nt h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c e ．U n d e rd i 妊b r e n t c o n f i n i n gp r e s s u r e s ，t h et h r e e d i m e n s i o n a lf h c t a ld i m e n s i o no ft h ei n t e m a lf b c t u r es u d ’a c eo fc o a ls p e c i m e n si sd i f k r - e n t ，w i t ht h ei n c r e a s eo fc o n f i n i n gp r e s s u r e ，t h ef h c t a ld i m e n i o no ff h c t u r es u r f a c ed e c r e a s e s ，a n dt h e r ei sag o o dc o 卜 I e l a t i o nb e t w e e nt h e m ． K e yw o r d s c o a lr o c k ；C Ts c a n n i n g ；t h r e e d i m e n s i o n a lr e c o n s t m c t i o n ；f 撕l u r ec h a r a c t e r i s t i c s ；t r i a 【i a lc o m p r e s s i o n 煤作为天然的地质材料，是一种具有非均质及各 向异性的多孑L 介质。煤岩由有机、无机组分及孔 隙 孔隙和裂缝 3 部分组成，这些组成部分在空间的 分布决定了煤的微观结构⋯。煤的复杂结构导致其 响应为不连续、非均匀、各向异性和非线弹性【2J 。由 于这些特点，对煤在不同加载条件下的破坏机理的认 识、表征和建模仍然具有挑战性，具体的破坏机理尚 未完全明确H qJ 。煤的微观结构如何影响裂缝的萌 生、扩展和聚结，最终形成宏观裂缝导致煤岩破坏的 研究仍然是个难点。因此，煤的微观结构的研究分析 对认识煤的宏观破坏机理具有重要意义。 由于煤岩内部结构复杂，通过直接测量且要准确 描述煤的裂隙结构是非常困难的。目前，用于煤中孑L 裂隙观察和分析的常规方法主要有压汞实验法、气体 吸附法和扫描电镜法等方法”。7 1 。但以上各种方法 都有其局限性【8 叫0 | 。x 射线微计算机断层扫描 C T 作为一种无损检测技术，在分析煤岩材料内部裂隙和 矿物杂质等特征方面，具有独特的优点，且依靠先进 的三维重构软件，可以获得煤岩内部结构分布特征的 可视化结果。C T 技术除了用来表征煤裂缝 割理 、 煤基质、矿物质和煤中孔隙渗透特性等⋯。13 1 ，也被用 于研究煤在不同载荷条件下煤中初期破坏的特 征【1 4 叫5 | 。C T 扫描技术在定量化、精细化表征煤岩内 部孔隙结构方面的应用也越来越广泛【l6 1 。有学者利 用斗一C T 分析了煤割理密度、表面形态和割理宽 度[ 1 7 1 ；也有学者将c T 序列图像导人三维重构软件描 述了裂纹间距、表面积等裂纹参数8 | 。还有学者将 C T 扫描和三维重构相结合，定性和定量分析了在不 同开采条件下的煤岩内部裂隙在三维空间的分布特 征㈣。 关于煤岩内部结构特征及其对煤岩宏观力学特 性和破坏特征影响方面的研究，有关学者已经做了大 量工作。z H A O 等副研究了在煤岩受力破坏过程中 内部所含矿物夹杂的影响；张茹啪1 等利用C T 扫描研 究了矿物、孑L 裂隙在空间的分布以及应力作用下裂隙 网络在三维空间的演化特征；刘凯德等心对单轴压 缩作用下煤岩不同层理方向上的力学特性进行了研 究；许江等【2 2 1 研究了不同剪切速率作用下，煤岩表面 原生裂隙对于新裂纹发展演化的影响；冯子军等心列 利用显微C T 技术研究了多种类型煤在不同温度下 内部孔一裂隙萌生扩展的演化规律。以上研究主要 集中在单轴压缩作用下矿物夹杂和层理倾角对煤岩 强度和各向异性特征的影响，以及表面原生裂隙演化 特征，但对不同围压下原始裂隙结构分布与其最终破 坏主裂隙的关系方面少有提及。 笔者对不同围压下加载前后的煤样试件进行C T 扫描，利用三维可视化软件A V I z O 对裂隙结构进行 三维重建，并利用等效球体方法对煤岩内不同尺度裂 万方数据 5 7 0 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 隙结构在三维空间的分布特征进行量化分析；同时， 对煤样内部原始裂隙与破坏主裂隙的分布关系进行 了研究。通过比较分析不同围压下煤岩试件内部裂 隙加载变形破坏前后空间的分布特征，来模拟开采条 件下不同深度煤岩体内部裂隙的分布，为地下煤炭资 源的安全高效开采提供理论依据。 1 煤样制备和试验 1 ．1 煤样制备 实验采用的煤岩样品取自河南永城的城郊煤矿， 采样位于2 1 3 0 4 工作面，煤层埋深约9 0 0m ，煤层位 稳定，煤层结构简单。工作面掘进实际揭露煤层厚度 总体变化不大，煤厚平均3 ．1m 。煤岩组份以亮煤为 主，次为暗煤，暗煤呈条带状，属于半亮型。采样时选 取体积较大的块状煤岩，经过钻取、打磨获得高 1 0 0m m ，直径为5 0m m 的标准圆柱试件。通过对煤 样进行显微组分及x 衍射分析，{ 9 1 4 得煤样主要成分 见表1 。从表中显微组分测试结果看出煤岩中镜质 组占比最大，达到9 4 ％，说明该区域煤岩煤阶较高。 1 ．2C T 扫描及三轴压缩试验 煤岩体内部复杂的结构，通过肉眼和普通的探测 设备很难观察和区分，利用C T 检测技术在不损害煤 表1 煤样组分分析 T a b l el A n a l y s i so fc o a ls a m p l ec o m p o n e n t s 体内部原有结构的情况下，可以获得包含裂隙、有机 质和矿物 杂质 的煤岩内部结构信息。本次扫描试 验设备采用了天津三英科技公司的x 射线三维显微 镜n a n o V o x e 卜4 0 0 0 系统 图1 。扫描主要参数为电 压1 5 0k V ，电流1 5 0 A ，曝光时间0 ．8s ，放大倍数 4 ．6 ，空间分别率0 ．1 2 7m m ，帧数14 4 0 ／3 6 0 。。对整 个标准煤样进行C T 扫描，共获得8 5 0 8 5 0 像素的 1 6 b i t 灰度图l7 0 8 幅。 图1C T 扫描系统 F i g ．1 C Ts c a n n i n gs y s t e n l 煤样试件的三轴压缩试验，使用了T A w 一3 0 0 0 加载系统。在加载前和加载后分别对煤样试件进 行c T 扫描试验，获得内部裂隙结构信息。试验时， 分别对编号C T l ，C T 一2 ，C T 一3 三组试件施加 0 ，2 ．5 ，5 ．0M P a 围压。加载过程中，首先 按5M P a ／m i n 的速度逐步施加至预定围压值下，待 系统围压稳定之后，以0 ．3m m ／m i n 的速度施加轴 向位移至试件破坏。 2 煤岩三维裂隙结构量化分析 2 ．1 煤岩裂隙结构识别 煤样通过C T 扫描，得到图2 a 中原始C T 透射 图像。透射图像反映的是x 射线穿透整个样品衰减 之后的一种信号。x 射线透过能力的强弱，决定了透 射图像灰度值的大小，透过能力越强，图像灰度值越 大；透过能力越弱，灰度值越小。图2 a 中颜色较深 的区域密度较大，在煤岩内部是矿物杂质集中区域。 为了有效表征样品中各部分的灰度信息，需要将不同 角度的透射图进行三维重构，形成一个扫描数据体， 再利用图像处理软件V Gs t u d i oM A x 将获取的信息 转化为一种灰度图像，如图2 b 所示。在灰度图中 包含了高密度矿物杂质 含矿物填充裂隙 、低密度 的裂隙和介于二者之问的煤基质。图2 b 灰度图中 白色区域主要组成为矿物，根据表l 测试结果，可以 看出煤岩中矿物的主要成分为方解石，还含有一定量 的白云石和黏土矿物，石英和非晶质较少。 由于煤中裂隙、基质和矿物杂质的密度不同，在 c T 灰度图上的灰度值的分布也不相同，密度大的为 白色，密度小的为黑色，密度处于中间时，灰度介于黑 白之间。对于8 b i t 灰度图而言，灰度值范围为0 ～ 2 5 5 ，0 代表孑L 隙，2 5 5 代表密度较高的矿物杂质。以 C T 一2 试件的水平扫描灰度图为例 图3 a ，在红 色探测线上，沿着箭头方向，4 ，B ，C ，D 四个位置分别 为矿物集中区、未填充裂隙、矿物填充裂隙和未填充 裂隙，对应的图3 b 灰度值曲线上出现了波峰和波 万方数据 第2 期付裕等基于C T 扫描的煤岩裂隙特征及其对破坏形态的影响 5 7 1 a 透视图 b 灰度图 图2c T 扫描图像 F i g2 C Ts ’a 1 1i n l 8 9 e s 谷。当探测线位于高密度 白色 的矿物处时，在灰 度曲线上为向上突起的波峰；当探测线位于密度较低 的裂隙位置处时，灰度曲线上表现为向下凹的波谷。 在灰度值曲线上，位于波峰和波谷之间，波动较小的 水平段，探测线此时位于煤基质处。通过灰度值曲线 的对比分析，可以看出煤岩内部不同结构在灰度值上 有着明显的差异。 a 灰度图 距隅／m m b 灰度值曲线 图3 煤岩c T 图像的灰度分布 F i g3G r a yd i s t r i b u t i o nt f 眦l r o c kC Ti n l a g e s 为了提取煤岩裂隙结构信息，根据不同结构表现 出的灰度差异，通过设定阈值，将灰度值在一定范围 内的目标分离出来，达到提取目的。目前，阈值分割 法主要有全局和局部两类分割法。全局分割法最常 见是最大类间方差法口4 I ；而局部分割法中最常见的 是分水岭分割法。1 5 。；还有学者将孔隙度反演为阈值 进行孑L 隙目标的分割”。。图4 a 是图3 a 中C T 图像利用I n ，a g e J 软件计算的厌度直方图，利用软件 中的最大类问方差法根据图像灰度值分布自动获取 分割阈值n ，对应灰度值为1 4 8 ，n 主要分割是矿物 和基质，灰度值大于n 的部分为矿物，分割结果如图 4 c 中圆环内白色区域。对于裂隙和基质的分割是 利用灰度直方图，通常将灰度值出现突变处 如双峰 型的波谷 作为分割点。图4 中7 1 ．位置灰度值突然 快速增加，因此将其作为分割裂隙和基质的阈值，对 应点灰度值1 0 7 ，灰度值小于1 0 7 的为裂隙，提取的 裂隙如图4 I ， 中白色圆形区域内的黑色部分所示。 一 ．一 兀 L 一 J 5 01 0 01 5 02 0 02 5 0 灰度值 a 灰度直方图 b 分割裂隙 c 分割矿物 图4 图像阈值分割 F i g ．4 T h r e s h o l ds e g m P l l l a t i o n 2 ．2 煤岩裂隙结构三维重建及量化分析 裂隙在空间的分布对于煤岩强度和渗透性非常 重要，通过二维的扫描图像只能了解局部裂隙的分布 情况，不能准确的对煤样内部整体的裂隙结构作出评 价，因此需要将多张处理过的二维C T 图像进行i 维 重建。本文使用了三维可视化软件A V I z 0 中的直接 体绘模块建立了试件的立体图，如图5 所示。直接体 绘制是一种非常直观的可视化3 D 标量场的方法。 假设数据体积中的每个点发射和吸收光，通过使用 c o l o r ．n a p 彩色图谱 从标量数据确定发射光的量和 颜色以及吸收量；然后计算来自数据体积中的点的结 果投影。图5 是按照上节中阈值分割方法将煤岩裂 隙、矿物和基质分割后的二值化图像直接进行体渲 染，建立的三维可视化模型。该模型中深红色代表裂 隙，黄色代表矿物，灰色代表煤基质。图5 中A 是原 5 2 9 6 3 O 8 【／糕懈 万方数据 5 7 2 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 煤样，B 是经过阈值分割后构建的整体重构模型，对 比发现该模型中裂隙和矿物的分布与原煤样基本一 致。c 和D 分别是从B 中提取出的裂隙和矿物结 构，可以清楚的看出裂隙和矿物结构在煤岩中的分布 情况。 A原煤样 B 一三维重建图C 一裂隙D 一矿物 c 试件C T 一3 图5 煤岩内部结构三维重构 F i g ．5 T h r e e d i m e n s i o n a l r e ‘o n s t r u c l i o no fi n t e r n a ls t r u c t u r e o fc o a l r o c k 体积分数和分形维数可以表征煤内部裂隙和矿 物的含量及其分布的复杂程度。利用H a u s d o r f f 提出 的容量维数 盒维数 可以求得煤岩内矿物结构三维 空间的分形维数。盒维数法是用边长为。的立方体 盒子覆盖目标集合，Ⅳ n 记为盒子的最小数目，则 D 一螋 1 l gn 式中，D 为分形维数。 利用不同尺寸盒子去覆盖目标，得到关于。一 Ⅳ o 的一系列数据，再利用最小二乘法拟合l go 与 l g Ⅳ o 的关系，得到斜率即分形维数。矿物和裂隙 的体积分数分别为矿物空间像素总体积和裂隙空间 像素总体积比上试件的体积。 三维空间内依据裂隙和矿物的数量及分布的复 杂程度，计算的分形盒维数介于2 ～3 ，随着裂隙数量 减少和复杂程度减弱，分形维数也逐渐减小。表2 给 出了实验中3 个试件三维空问内裂隙、矿物的体积分 数和分形维数。从图5 和表2 的结果可以看出煤岩 试件内含有大量矿物杂质，相比裂隙的体积分数和分 形维数更大，说明矿物含量较多，在内部空间分布更 复杂。 表2 煤样三维重建结果统计 T a b l e2S t a t i s t i c so f3 Dr e c O n s t r u c t i o nr e s u I t S0 fc O a I s a m p I e s 煤体内部除了含有较大的裂隙外，还有大量尺度 较小的孔隙结构存在。为了能够有效的对这些孑L 一 裂隙量化分析，通常将这些孔一裂隙结构等效为容易 测量的形状，利用标准几何体的参数来对煤岩内部 孔一裂隙结构进行定量分析。目前研究中通常将每 一个独立的孔一裂隙结构看作与其体积相等的球体， 其等效直径通过式 2 计算求得旧“，每个独立裂隙的 体积为空间单个像素体积乘以像素个数。根据 C A I B 驯关于孔隙和裂隙尺度划分范围，结合本次C T 扫描分辨率大小，将煤内部孑L 隙和裂隙都看作是裂隙 结构。本文的一个目的是提取原始最大裂隙面，综合 分析3 个试件最大的裂隙面的等效直径分布 在50 0 0 ～60 0 0 m ，因此选择一个分界值 为50 0 0 斗m ，然后结合裂隙最小等效直径1 2 3 斗m ， 按照5 倍关系划分尺度，确定另一个分界值 为l0 0 0 m ，即将裂隙结构划分为3 种不同尺度范 围，具体结果见表3 。从表中裂隙结构的分布结果可 以看出等效直径d 。。， 50 0 0 斗m 的裂隙数目较小，但其体积都较大。表中裂隙数量和 体积分数统计结果表明当裂隙等效直径d 。小 于5o o oL L m 时，随着裂隙等效直径的增加，裂隙数 量 频数 整体上呈下降趋势；在等效直径小于 3 0 0 m 时，裂隙体积分数随等效直径的增加而增大， 等效直径在3 0 0 ～50 0 0 m 的裂隙的体积分数整体 呈现下降趋势，且等效直径在大于l5 0 0 m 以后波 动较大。表3 中3 个试件分析结果显示，煤岩内部不 同等效直径的裂隙数量和体积分数的分布规律一致。 翌雾，≯鬻赫一蒸蒸． 一一一-一一一 万方数据 第2 期付裕等基于c T 扫描的煤岩裂隙特征及其对破坏形态的影响 5 7 3 表3 煤样内裂隙统计结果 T a b l e3S t a t i s t i c a Ir e s u l t so fc r a c k si nc o a ls p e c i m e n s 。。，L ， 裂隙等效直释／斗m 。。。．，。。。⋯。 “、厂r 椰o 裁p 尿烈更个1 个移j ，，姒 d lO O O0 1 C 1 0．5C 4 0 ． ⋯ C ■_ } 兀门烈烈 O ．0 8 [ 一然；牟蛹黼 O 0 6 。体积分数 3 0 _ { 1 、、 n O ．0 4 宝 『{ f I “ 蠡2 0 _ C T I L ⋯I _ 】 O ．0 2 嚣 ■L 一 ⋯。 卜n 1 0 ． l 乞。 ”l2345 ⋯1 、 卜≮～硼』。溺卜 r ’r ’4一 一”一_-L 柙t 。I 二．。⋯⋯二⋯。⋯～一，，J I l ’ o lo o o 2o o o3o o o4o o o5o j o 等效直径／I 且m 2 4 ． UU ， ■■统计频数 2 0 ． O0 5 ‘ 体积分数 【jl 】、 ， 室1 6 ． 0 ．0 3 L ． f 、 C T 一2Io 川- - L ⋯ 羹| 1 2 ． } 气I2345 8 i 卜黼沁。二iI 4 ， g 譬。p 一‘’ ’， ．7 7 7 ⋯一 010 0 0 20 0 030 0 0 40 0 0 50 0 0 等效直径／u m 6 0 ． 。 uu ‘ _ 统计频数 ⋯，、 一c } H ～ 苦4 8 -l 。．。3 。体积分数 ⋯⋯ ≤ ＼ I 【～一⋯ ㈠f 黎3 6 ． 。0 0 1 骚 C T 一3 2 4 - 。l2345i 4。 I ’。。． l ⋯1 、 1 2 。 Lr ’。、Ⅳ，一”⋯．。A A n n n’n n n1n n n4n n n气n n nn 一 一一 等效直径／u m 万方数据 5 7 4 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 一 ∥ 蚕l 皂4 3 ．O一2 ．52 ．O1 ．5一1 ．0 0 ．5O0 ．51 ．0 s ／％ a 围压0 M P a Ⅳ1 l 藓兀8 1 0 3O 一2 ．5 2 ．O 一1 ．5 1 ．0 0 ．5O1 ．O2 ．0 ￡／％ b 围压2 ．5 M P a 瞧汾 I ．5一1 ．OO ．5O0 ．51 ．01 ．5 s ／％ c 围J 土5 M P a 图6 煤岩应力一应变曲线 F i g ．6 S t r e s s s t r a i nc u r v e so fc o a l 数不同，对3 种围压下试件破坏时裂隙的分形盒维数 按照式 2 进行计算，结果如图7 所示。从图7 可以 看出，随着围压的增大，煤岩试件内裂隙结构的分形 维数逐渐减小。其原因是随着围压增大煤岩试件内 部损伤破裂面减少，即破坏程度减弱，相应的分形维 数D 减小，说明了围压增大进一步抑制了煤岩内部 裂隙的发展。从拟合直线参数结果可以看出分形维 数与围压有很好的相关性。 Q 鼎 媒 漤 求 围压，M P a 图7 煤岩三维裂隙结构分形维数D 与围压的关系 F i g ．7R e l a t i o s h i p sb e t w e e nf r a c t a ld i m e n s i o nD o fc o a lt h r e e d i m e n s i o n a lf r a c t u r ea n dt h ec o n “n i n gp r e s s u r e 3 ．2 原始裂隙对次生裂隙扩展的影响 原始裂隙的存在会对新的裂隙萌生和扩展产生 影响，图8 给出了不同围压下，试件水平c T 扫描层 内原始裂隙和破坏时新产生裂隙的分布情况，其中红 色虚线框标出的是破坏时产生的主裂隙。图8 b 中 围压为0 时，在受力作用下，裂隙除了沿着图8 a 中 的原有裂隙进行扩展外，还生成大量交叉的次生裂 隙，但新生成的主要裂隙与原有最大裂隙方向基本平 行。图8 c 中，煤样中原始裂隙是两组近似垂直的 裂隙，较长的一组为面割理，有矿物填充；另一组较短 且未被填充的为端割理。图8 d 中，在三轴压缩作 用下试件破坏时，沿着面割理方向形成了一条贯通的 主裂隙，而端割理方向裂隙的扩展，由于面割理的存 在受到一定的抑制。在图8 e 中原始裂隙由一条未 填充裂隙和两条矿物填充裂隙组成。图8 f 中破坏 时新生成的两条主裂隙沿着平行于图8 e 中原始裂 隙 未填充 的方向分布。 为了进一步说明原始裂隙方向与破坏时主裂隙 方向的关系，本文引人了0 D A 1 9 8 2 提出的平面裂 隙组构张量心弘30 | ，它是表征一个裂隙长度和方向分 布的综合指标。平面裂隙张量计算首先利用坐标的 提取工具G e t D a t a ，获得裂隙的2 个端点的坐标，即平 面裂隙迹线的两顶点坐标，然后求得裂隙迹线长度和 迹线的法向向量，最后根据文献[ 3 0 ] 中平面0 阶、2 阶和4 阶组构张量计算公式分别计算了裂隙的组构 张量。 图9 是对图8 中平面内裂隙组构张量进行计算 得到的结果。其中红色实线代表0 阶张量，绿色实 线代表2 阶张量，蓝色虚线代表4 阶张量，图9 中最 外环数字代表方向，每环上的数字代表单位面积的 裂隙数。从图9 中可以看出原始裂隙2 阶和4 阶组 构张量分布方向与破坏主裂隙计算得到的方向基 本一致。结果显示2 阶裂隙组构张量计算得到椭 圆形的分布规律，可以用来描述裂隙的优势方 向 最强 和劣势方向 最弱 。图9 e 中相比2 阶 张量，4 阶对于平面裂隙分布规