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第 47 卷第 1 期 煤 炭 科 学 技 术 Vol. 47No. 1 2019 年1 月 Coal Science and TechnologyJan．2019 移动扫码阅读 文虎， 樊世星， 马砺， 等．煤岩损伤研究的 CT 扫描技术发展现状及展望［ J］ ．煤炭科学技术， 2019， 47 1 44－51．doi 10. 13199/j. cnki. cst. 2019. 01. 006 WEN Hu， FAN Shixing， MA Li， et al．CT Scanning Technology on coal－rock damagea comprehensive review［J］ ． Coal Science and Technology， 2019， 47 1 44－51．doi 10. 13199/j. cnki. cst. 2019. 01. 006 煤岩损伤研究的 CT 扫描技术发展现状及展望 文虎1， 2， 樊世星1， 2 ， 马 砺1， 2 ， 郭 军1， 2， 程小蛟1， 2， 童校长1， 2 1．西安科技大学 安全科学与工程学院， 陕西 西安710054; 2．教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室， 陕西 西安 710054 摘要 CT 扫描技术因其无损伤、 高分辨率、 数字化等优点被广泛应用于煤岩损伤研究领域， 为促进 煤岩损伤理论研究的深入， 从 CT 扫描技术着眼， 基于前期文献调研， 总结归纳了煤岩损伤领域该技 术及装备的发展历程， 回顾了利用 CT 扫描试验进行煤岩损伤表征的研究进展， 主要包括 煤岩损伤 程度的 CT 图像和 CT 数表征， 损伤变量的 CT 数定义， 以及满足工程实践的煤岩损伤本构方程的构 建。在此基础上， 分析了当前技术条件下利用 CT 扫描技术进行煤岩损伤研究所遇到的问题， 指出提 高 CT 图像时空分辨率、 改进图像处理软件、 开发新型图像重构算法、 研发与 CT 系统相适应的复杂应 力加载系统， 将会对煤岩损伤研究的发展起到更大的作用。 关键词 计算机断层扫描; 煤岩损伤; 损伤变量; 应力－应变; 本构方程 中图分类号 TD164文献标志码 A 文章编号 0253－2336 2019 01－0044－08 CT Scanning Technology on coal－rock damagea comprehensive review WEN Hu1， 2， FAN Shixing1， 2， MA Li1， 2， GUO Jun1， 2， CHENG Xiaojiao1， 2， TONG Xiaozhang1， 2 1．College of Safety Science and Engineering， Xi’ an University of Science and Technology，Xi’ an710054，China; 2. Key Laboratory of Western Mine and Hazard Prevention，Ministry of Education of China，Xi’ an710054，China Abstract CT Scanning Technology has been widely applied in the study of coal－rock damage because of its advantages of non－destructive monitoring，high resolution，and digitization． The purpose of this review is to promote theoretical research on coal－rock damages． Compre- hensive literature reviews of CT Scanning Technology were conducted． Then the authors overviewed the development of CT technology and equipment in the field of coal－rock damage and summarized research progress on CT characterization of coal－rock damage． The focus of this review is on the CT characterization of degree on coal－rock damage，the definition of the damage variables based on the CT numbers， and the construction of the constitutive equation of coal－rock damage meeting the engineering practice． Problems and challenges encoun- tered in the study of coal－rock damage using CT technology under current technical conditions were also analyzed． Furthermore，sugges- tions for further research were discussed． Improving the spatial and temporal resolution of CT images，improving image processing soft- ware，developing new image reconstruction algorithms，and developing complex stress loading systems that are compatible with CT systems will play a great role in the development of coal rock damage research． Key words CT Scanning Technology;coal－rock damage;damage variables;stress－strain;constitutive equation 收稿日期 2018－03－18; 责任编辑 曾康生 基金项目 国家重点研发计划资助项目 2016YFC0801802 ; 国家自然科学基金面上资助项目 51574193 ; 陕西省教育厅专项科学研究计划资助 项目 17JK0495 作者简介 文虎 1972 ， 男， 新疆石河子人， 教授， 博士生导师， 博士。Tel 029－83858286， E－mail wenh xust．edu．cn 0引言 自 20 世纪 80 年代损伤理论在岩石力学中应用 以来， 有关煤岩损伤的研究非常活跃［1 ］。煤岩损伤 是指煤岩体内微裂纹、 微孔隙在外荷载或环境作用 下逐渐萌生、 扩展从而引起煤岩整体宏观力学性能 劣化的现象 ［2－3 ］。煤岩损伤研究的核心是建立损伤 演化方程， 构建损伤的初、 边值问题， 进而求解煤岩 体应力场、 变形场和损伤场［4 ］。 解决上述这些问题的基础是煤岩损伤变量的确 定， 而在众多测定煤岩损伤变量的方法中， CT 扫描 技术因其无损伤、 高分辨率、 数字化等优点而被广泛 44 文虎等 煤岩损伤研究的 CT 扫描技术发展现状及展望2019 年第 1 期 采用 ［5 ］。自 1989 年开创性地将 CT 扫描技术从医 学界引入到岩石力学研究领域， CT 扫描技术就一直 处在不断的更新和发展中。当前使用的工业微焦 CT 相比常规医用 CT 空间分辨率已经提升 2 个数 量级 ［6－7 ］。 CT 扫描技术的快速发展为煤岩损伤的研究奠 定了良好的技术基础， 促进了诸多有代表性成果的 产生。1990 年中国科学院寒区旱区环境与工程研 究所购置了美国通用 GE8800CT 机， 并配合葛修润 院士主持研制的特制三轴试验机构建了岩石加载实 时 CT 扫描实验系统 ［8 ］。杨更社等［1 ］利用该系统在 国内首次研究了煤岩的初始损伤， 给出了用 CT 数 表示的岩石损伤变量， 并探讨了单轴压缩下的煤岩 损伤扩展机理; 许多学者等先后对各类煤岩开展了 单轴、 三轴压缩荷载作用全过程的实时 CT 扫描试 验， 给出了应力损伤阈值， 引入初始损伤影响因子和 闭合影响系数对损伤变量进行了修正［9－10 ］。基于对 煤岩各个阶段的 CT 图像和 CT 数的分析， 将应力－ 应变全过程曲线分为 4 段， 从工程实践角度出发， 给 出了峰前各段损伤演化本构方程［11－12 ］。随后， 多家 单位引进了 CT 扫描试验机， 对煤岩进行了不同应 力加载路径下的 CT 扫描试验， 取得了一些成果。 例如 葛修润等 ［13 ］、 郑孝军等［14 ］进行了岩石疲劳损 伤扩展规律的研究， 发现岩石疲劳破坏存在门槛值， 得到了岩石细观疲劳损伤扩展的初步规律; 任建喜 等 ［15－16 ］对连续加载实验条件下和卸去围压作用下 砂岩破坏细观机理进行对比， 发现岩石卸荷演化破 坏更具有突发性; 蔡小虎等 ［17 ］、 李树春等［18 ］借助 CT 实验结果分别对岩石冲击荷载和循环荷载下的 损伤规律进行了研究。除此之外， 近年来 CT 扫描 技术也被应用于冻土受荷损伤的研究中， 目前虽有 不少学者针对各类冻土进行了单轴压缩、 三轴剪切、 冻土正融等过程的细观损伤 CT 试验 ［19－21 ］， 但是相 对于普通煤岩方面的研究成果仍比较缺乏。 总结近 20 年来 CT 扫描技术在岩石损伤演化领 域的研究成果发现， 缺乏既能精确控温、 又符合 CT 实 验机使用要求的辅助装置是制约 CT 扫描技术在冻 土 ［22 ］、 煤田火区演化［23 ］、 CO 2压裂油气增产 ［24－25 ］等相 关领域应用的主要原因。如何利用CT 试验结果来解 释煤岩体在低温、 高温、 高压等作用下内部细观结构 发生的变化， 仍有很多技术问题需要解决。在这种背 景下， 笔者从 CT 测试的发展历程出发， 总结了 CT 扫 描技术在煤岩损伤领域的研究成果和存在的问题及 未来值得关注的研究方向， 希望为 CT 扫描技术在煤 岩领域的进一步发展提供基础。 1CT 扫描技术装备的发展 自 1969 年 Hounsfield 教授成功完成 CT 扫描装 置设计， 1972 年在放射学会上公布以后， CT 扫描技 术掀起了医学图像领域的一场革命［23 ］。1989 年日 本学者 Teda 等开创性地将 CT 扫描技术引入到岩石 力学研究领域 ［6 ］。自此基于医用 CT 机配合辅助加 载设备的 CT 测试系统初步形成并得到了进一步的 发展， 其扫描系统如图 1a 所示。国内最早建立 CT 测试系统并将其应用于岩土工程领域的是中国科学 院寒区旱区环境与工程研究所， 该机构于 1990 年利 用美国通用 GE8800CT 机和葛修润院士主持研制的 加载装置建立了冻土研究工作站［23 ］。并先后于 1998 年 和 2010 年 分 别 引 进 了 德 国 西 门 子 SOMATOM－PLUS 螺旋 CT 机和荷兰皇家飞利浦 Brilliance16 多能量螺旋 CT 机， 这为煤岩损伤实时 动态高精度测量提供了良好的技术基础［26 ］。 图 1常见的 CT 扫描系统 Fig．1Common system of CT Scanning Technology 除了基于医用 CT 机发展而来的 CT 扫描测试 系统外。目前在我国比较典型的还有中国矿业大学 北京 煤炭资源与安全开采国家重点实验室购置 的 X 射线工业 CT 检测实验系统 ACTIS300－320/ 225［27 ］， 如图 1b 所示。在此基础上， 该试验研究团 队设计和开发了能够在 CT 试验台上对尺寸为 25 mm25 mm50 mm 和 25 mm50 mm 的 2 种试件 进行远程实时加载的试验装置［28 ］。此外， 太原理工 大学联合中国工程物理研究院应用电子学研究所共 同研制了 μCT225kvFCB 型高精度 μm 级 显微 CT 试验系统 ［29 ］， 如图 1c 所示。 这些 CT 扫描技术能够对煤岩高温热解、 低温 冷冻、 高压环境下吸附气体、 冻土冻融等条件下的损 伤进行实时动态高精度的测试， 势必对煤岩损伤领 域的研究发展起到更大的推动作用， 为解决复杂的 工程问题提供有力的科学依据。 2煤岩损伤的 CT 扫描研究现状 根据损伤力学中的定义， 损伤是由外载或环境 54 2019 年第 1 期煤 炭 科 学 技 术 第 47 卷 所引起的材料体积单元破坏、 宏观力学行为劣化的 现象。煤岩体中常见的损伤形式包括弹性损伤、 弹 塑性损伤、 蠕变损伤、 疲劳损伤、 循环荷载损伤、 腐蚀 损伤、 爆炸冲击损伤、 高温及冷冻损伤等。自 CT 扫 描技术引入到岩土工程领域， 国内外学者针对上述 各种损伤的初始特性及损伤扩展规律进行了大量的 研究， 取得了丰硕的研究成果。 2．1利用 CT 图像和 CT 数进行煤岩损伤分析 CT 扫描是由 X 射线源发射一束精确准直的 X 射线， 并使其从四周对煤岩试件某一层位进行扫描， 通过收集 X 射线穿过物体之后的衰减程度重建 CT 图像， 进而推断出煤岩损伤程度。如果假设被测试 件的密度为 ρ， 其对 X 射线的质量吸收吸收系数为 μm， 那么该试件对 X 射线的吸收系数 μ 可用下式表 示为 μρμm 1 相应地， 借助 μm与 μ， CT 数可表示为 ［30 ］ CT 1 000 μ－μw μw 2 式中 μw为煤岩中水分的质量吸收系数。 将式 2 代入式 1 中， 被测物体的 X 射线吸收 系数 μ 可表示为 μρμmμw CT 1 000 1 3 而被测物体的密度 ρ 可表示为 ρ μw μm CT 1 000 1 4 由式 3 可得， 被测物体对 X 射线的吸收系数 与其 CT 数成正比， 式 4 反应了被测物体的密度与 CT 数成正比。因此 CT 图像在一定程度上可以反 应被 测 物 体 的 密 度 分 布［30 ］。 早 在 1989 年 ＲAYNAUD S 等 ［31 ］采用 CT 扫描技术给出了多种岩 石在三轴压缩破裂后扫描断面的 CT 图像， 发现岩 石密度与 CT 数有一定的关系。但是， 由于人眼对 于灰度分辨的限制， 加之初始阶段煤岩损伤较小， 单 纯利用 CT 图像研究损伤具有一定的局限性。只有 当损伤扩展到一定阶段， 岩样产生明显变化时， CT 图像才会相较初始发生明显变化、 因此， 想要借助 CT 图像分析煤岩损伤， 常辅以 CT 图像处理技术和 CT 数变化。KAWAKATA H 等 ［32 ］采用重复采样的 方法首次实现了 CT 图像的三维重构; UETAK 等 ［33 ］ 完成了室内砂体受剪切时砂体内部产生的剪切带的 空间三维图像及其演化过程; 而杨更社等 ［34 ］首次将 CT 扫描技术应用到岩石损伤检测的研究中， 并且提 出了一种 CT 图像分析方法， 即先利用数字图像增 强技术和灰度直方图技术对 CT 图像进行增强， 增 加人眼对岩石损伤演化直观感受的同时还可准确、 定量地分析损伤演化过程和演变规律。结合 CT 图 像和 CT 数的变化， 得出岩体的初始细观损伤主要 与成岩条件和环境条件有关。不同的岩石， 其损伤 形式不同， 同一种岩石， 不同扫描层面的损伤也不 同。煤样与砂岩和石灰岩的损伤呈现出不同的方 式， 除了孔洞引起的损伤外， 主要是微裂隙和界面引 起的损伤。肖旸等［23 ］通过对比煤田火区试样升温 过程中不同温度下的 CT 扫描图像和二值化图像， 研究了煤岩体热破坏裂隙扩展及分布规律。发现无 烟煤煤样从 200 ℃时开始形成裂隙， 且随温度的升 高裂隙逐渐增多、 加宽、 扩展; 刘慧等 ［35 ］用了 Visual C实现了冻结岩石 CT 图像的伪彩色增强， 充分利 用 CT 图像包含的细观物理信息， 对岩石损伤的大 小以及空间位置做出了定量的评价。许多研究学者 通过对煤岩单轴压缩的实时 CT 扫描试验， 建立了 CT 扫描图像、 CT 数与煤岩应力应变曲线的对应关 系， 如图 2 所示， 为中小裂纹的起裂门槛值的求解及 煤岩损伤演化规律的分析提供了依据［6， 36－37 ］。 图 2 CT 图像与应力－应变的对应关系 Fig. 2Ｒelationship between stress－strain and CT image 李廷春 ［38 ］、 李术才等［39 ］通过对含有不同数量 和形状的预置裂隙试件进行单轴和三轴压缩试验， 借助试件预置裂隙边缘位置的横、 纵向 CT 扫描图 像， 采用扫描层面上同心圆、 等圆和等椭圆区域内的 CT 数、 CT 数方差及 CT 数－应变关系分析了荷载作 用下裂隙扩展的时空演化规律， 推导了适用于裂隙 岩体的三位断裂损伤本构关系， 并进行了工程验证。 综合来看， 利用 CT 图像和 CT 数分析损伤演化 过程， 主要是通过对比煤岩试件在不同试验阶段同 一扫描位置处 CT 图像和 CT 数的变化来实现的。 2．2CT 数与煤岩损伤变量的关系 对煤岩损伤开展更深入的研究， 需要引入损伤 变量这一表征材料或结构裂化程度的物理量， 以此 来建立煤岩微结构特征和宏观力学性能间的关系。 目前损伤变量的定义角度大致可以分为微观和宏观 两个角度。微观角度主要是通过微缺陷的面积、 体 64 文虎等 煤岩损伤研究的 CT 扫描技术发展现状及展望2019 年第 1 期 积、 数目和分形法等来定义， 而宏观角度的定义依据 检测方法的不同可采用弹性模量、 超声波波速、 密度 的变化、 应变等来描述。 杨更社等 ［4， 40 ］在国内较早的开始了 CT 扫描技 术在煤岩损伤的研究， 根据扫描图像的 CT 数分布， 建立了 CT 数分布规律的数学模型， 推导了用 CT 数 表达损伤变量的公式， 即 D 1 m2 0 Δρ ρ0 1 m2 0 ρ 0 －ρi ρ0 5 将式 5 中的密度分别用式 1 代替可得 D 1 m2 0 1 － 1 000 CTi 1 000 CT0 6 其中 m0为 CT 机的空间分辨率， Δρ 为煤岩损 伤演化过程中的密度变化， ρ0为岩石初始密度， ρi为 某一应力状态下的煤岩密度， CT0、 CTi分别为初始和 某一应力状态下的 CT 数。式 5 相比 Bellion 所证 明的 Kachanor 损伤变量－Δρ/ρ0和 Lemaitre 基于球 形胞元假设提出的损伤变量 －Δρ/ρ0 2/3更具有普 遍性， 且随着 CT 分辨率的提高， 能识别更细观的损 伤， 充分考虑了损伤的尺度问题。葛修润等 ［9 ］指出 上式没有考虑初始损伤对 D 的影响， 建议在式子右 端乘以影响因子 e 来考虑初始损伤对 D 的影响， 即 D e m2 0 1 － 1 000 CTi 1 000 CT0 7 其中 e 的值应大于 1， 其值大小可由试验得到 的应力－应变关系曲线与本构模型理论公式拟合确 定。任建喜等 ［10 ］针对有些煤岩在单轴压缩过程中 会出现对应于裂隙压密的 CT 数增加的情况， 引入 闭合影响系数 αc对式 7 进行了修正， 得 D e m2 0 1 － 1 000 CTi 1 000 αcCT0 8 其中 αc的值取决于试件在加载初期被压密的 程度， 其值可用压密时的 CT 数与初始未加载时的 CT 数相比求得， 从本质上来说 αc是由岩石的孔隙 率决定的。丁卫华等 ［41 ］据式 7 给出了密度损伤 增量 ΔD 的表达式为 ΔD CTi－ CT0 1 000 CT0 9 并借助密度损伤与体应变的关系， 推导出岩石 内部裂纹宽度的普适性计算公式［42－43 ］为 d － πbΔD 2 1 ΔD 10 这种确定裂纹宽度的方法相比 Ｒobert 等所采 用的在 CT 图像上与己知实际裂纹相比较的方 法 ［44 ］， 实现了裂纹宽度的定量计算。上述基于 CT 数的损伤变量表示为定量研究煤岩损伤提供了有力 的理论依据， 被广大学者所接收和使用。除此之外 另外还有一些适用于某些特殊岩体工程的损伤变量 的表达形式， 陈蕴生等 ［45 ］针对工程中常见的存在于 非贯通裂隙岩体中由规则的裂隙造成的奇异损伤和 由随机分布的孔隙、 裂隙造成的分布损伤定义了损 伤变量。其中奇异损伤变量 Df是根据 CT 数的变化 来定义的可表示为 Dfλ ΔCT /CT0 11 其中 ΔCT 为裂隙带 CT 数均值变化量。而分 布损伤变量 Dm由非裂隙区孔隙、 微裂隙面积与总面 积的比值来定义， 可表示为 Dm A/A0 12 朱赛楠等 ［46 ］根据泥岩试件某截面数值为 0 的 像素点个数 N与截面图像总像素个数 N 的比值来 定义损伤变量; 刘小红等 ［47 ］通过粉砂岩在三轴应力 状态下的 CT 扫描试验， 发现在围压恒定逐渐增加 轴压条件下， 粉砂岩经历压密、 扩容直至破坏， 其中 岩石的损伤演化需要经历相对较长的应力段， 是一 个量变不断积累的过程， 而裂纹的产生及扩展是损 伤积累到一定阶段的质变过程， 具有突发性。损伤 变量 D 在压密阶段显示为正， 扩容阶段和破坏后显 示为负。赵淑萍等 ［48 ］对冻结饱水兰州黄土试样进 行了不同温度下的单轴压缩试验， 推导出了冻土塑 性应变 εp与损伤力学中连续性变量  之间的关系  aε pb， a、 b 为回归常数， 又借助损伤力学中关于 连续性变量  与损伤变量 D 之间的关系 D 1－， 得出了损伤演化方程 D 1 － aε p b 槡 和损伤 耗散势函数。 2．3煤岩损伤的应力－应变本构关系 煤岩损伤力学研究的核心目标是建立煤岩损伤 本构理论， 该理论主要包括 2 方面内容 煤岩应力－ 应变关系和损伤演化方程， 只有 2 个方程都建立起 来， 损伤本构理论才得以建立［49 ］。由于损伤变量的 定义形式不同， 构建的损伤本构理论也呈现不同的 形式。为使材料在考虑损伤后的本构方程的建立得 以简化， 法国著名学者 Lemaitre 教授提出了等效应 变假设 ［2 ］。杨更社等［11 ］针对在同样损伤扩展应力、 应变状态下由 CT 扫描和 Lemaitre 假设计算出的损 伤变量的不一致性进行分析， 发现 Lemaitre 假设对 于不同形式的损伤变量并不总是直接满足的。张全 胜等 ［50 ］将 Lemaitre 假设推广为更具普遍性的等效 应变原理认为材料在基准损伤状态下的有效应力作 用于后续损伤状态下引起的应变等价于后续损伤状 态下的有效应力作用于基准损伤状态引起的应变。 74 2019 年第 1 期煤 炭 科 学 技 术 第 47 卷 那么受力 F 作用的煤岩体初始损伤状态和后续损 伤下的有效应力 σ、 σ， 弹性模量 E、 E和有效承载 面积 A、 A存在以下关系为 ε σ/E σ/E F σA σA D A － A /A { 13 联立式 13 ， 求得损伤本构方程为 σ Eε 1 － D 14 式 14 相比传统损伤本构方程， 弹性模量比较 容易测量， 因此体现一定的优势。刘增利等 ［49 ］针对 冻土单轴压缩实时 CT 试验， 假设冻土在受载过程 中塑性硬化与损伤演化过程相分离， 采用连续介质 力学和热力学方法建立了单轴压缩情况下的冻土含 损伤的应力－应变关系为 σ Eε e 1－D 15 式中 E 为未损伤冻土初始状态下的弹性模量; εe为 其弹性应变。 代高飞等 ［51 ］基于假设 损伤是弹性与塑性损伤 的耦合， 损伤的主体在应力主轴方向， 损伤演化是应 力或应变状态的某种幂函数关系。认为煤岩在单轴 压缩应力状态下损伤变量 D 与应变的关系可表示 为 Dmεn， m、 n 为材料参数， ε 为轴向压应变， 将此 式代入到式 14 中则有 σ Eε 1 － mεn 16 若假设 εs m－1/n ， 那么有 m 1/εs n， 则损伤 变量可表示为 D ε/εs n 17 相应的本构方程可表示为 σ Eε［ 1 － ε/εs n］ 18 以上各种表达形式的损伤本构模型大都是针对 煤岩应力－应变的某一特定阶段而构建的。想要构 建 1 个损伤本构模型及演化方程能普遍反映多种材 料在各个阶段的损伤演化机理几乎是不可能的。因 此， 从细观动态实验出发， 构建具有一定精度而又能 够用于指导工程实践的损伤演化方程无疑是 1 种可 行性方法。其中将应力－应变曲线先进行分段， 然 后再分别求其损伤演化方程的方法最为普遍。任建 喜等 ［12 ］、 代高飞等［51 ］认为岩石应力－应变曲线的压 密阶段和弹性阶段可合并为准线性阶段， 再加上其 后的损伤演化并稳定发展阶段、 损伤加速发展阶段， 岩石峰值前的应力－应变曲线可分为 3 段。对以上 3 个阶段绘制损伤变量 D 与应变 ε 的关系曲线并采 用线性函数、 指数函数、 幂指函数分段拟合进而给出 各个阶段的损伤演化方程。张全胜等 ［50 ］用文献 ［ 30］ 所得到的试验结果对所求的演化方程进行了 验证， 发现在求解基准弹性模量时应尽量使每级荷 载与前一级荷载相比增量较小， 保证由各次扫描计 算的斜率均是在微裂隙、 微孔扩展之前求得， 这样采 用平均斜率法求解的斜率相对准确。陈蕴生等 ［45 ］ 采用弹性闭合原件和弹性变形原件的串联模型表示 试件的总应变， 结合相应的应力条件求出了含裂隙 试件的损伤本构方程， 经过试验验证对其进行了客 观分析和评价。 3存在问题及解决方法 CT 扫描技术已被证明是进行岩石损伤检测的 有效工具。它不仅使任意应力下岩石内部细观裂纹 的观测变成了可能; 而且填补了从常规 SEM 尺度到 肉眼可见的宏观尺度之间裂纹演化过程观测的空 白， 更为重要的是 CT 的观测结果可以更直接的与 岩石试件的应力应变曲线相联系， 用于岩石本构关 系和损伤演化方程的推导。CT 扫描具有如此多的 优势， 这些优势都是建立在高质量图像的基础之上 的。目前， 受限于时空分辨率、 图像重构算法以及噪 声等因素， 高质量 CT 图像的获取也相对较难， 因此 基于 CT 扫描的损伤本构关系的建立仍有不少问题 需要解决。主要表现在以下 2 方面。 1 CT 扫描仪器的空间分辨率主要由其焦点尺 寸和检测器分辨率所决定， 通常提高分辨率的做法 是缩小样品尺寸或扫描区域。而进行物理力学性质 测定的煤岩试件尺寸是固定不变的， 因此上述方法 在煤岩损伤 CT 检测方面的应用会受到限制。而改 变 CT 机的扫描电压可改变 X 射线的波长， 进而针 对同一扫描试件可以获得不同的 CT 数。经常可以 通过改变扫描电压对煤岩进行多次扫描从而获得高 质量的图像。目前应用在岩石损伤检测中的 CT 扫 描测试系统最大分辨率通常为几百微米， 小于以上 尺寸的裂隙和孔洞则无法检测。未来将多能量、 高 分辨率 CT 机引入到煤岩损伤检测将是一种趋势。 2 和任何成像技术一样， 伪影同样也会影响 CT 图像的质量， 伪影是多方面的原因造成的， 主要有 CT 射束硬化伪影、 噪声伪影、 环状伪影和运动伪影 等 ［1 ］。尽管伪影本身会对图形的质量造成很大的 影响， 但是通过计算机软件处理技术或者一些新型 的算法可以实现 CT 图像的过滤、 噪音的消除和被 破坏像素点的修复。因此新型图像处理软件的改进 和算法的开发应是科学研究的关注重点。 实际工程实践中， 煤岩的受力情况比较复杂， 目 前实验室能实现煤岩加载和卸载方式仍相对较少， 加之 CT 扫描无法做到对损伤扩展部位和破坏时刻 84 文虎等 煤岩损伤研究的 CT 扫描技术发展现状及展望2019 年第 1 期 的精确定位， 损伤破坏细节的精确信息无法提取， 因 此与 CT 系统相适应的能够模拟各种复杂应力加载 路径的加载设备和具备局部精确扫描功能的 CT 系 统的研究也不应忽视。 4结语 自 20 世纪 90 年代 CT 扫描技术被引入岩石损 伤检测研究中， 诸多学者已针对普通煤岩损伤开展 了大量试验研究工作， 得出了煤岩在压缩、 冲击、 持 续、 周期荷载等作用下的损伤扩展规律。本文主要 介绍了 CT 扫描技术在煤岩损伤研究领域的应用历 史及主要研究成果， 说明 CT 扫描是研究煤岩内部 细观结构演化有效手段。指出提高 CT 扫描技术的 分辨率， 改进图像处理软件和算法， 实现复杂应力加 载路径的模拟和温度、 压力精确控制将是未来 CT 扫描技术的发展方向。 参考文献 Ｒeferences ［ 1］杨更社， 谢定义， 张长庆， 等．CT 扫描技术在岩石损伤检测中的 应用研究［J］．实验力学， 1998， 27 4 451－456． YANG Gengshe， XIE Dingyi， ZHANG Changqing， et al．Application of CT Technique in the damage detection of rock materials ［J］． Journal of Experimental Mechanics， 1998， 27 4 451－456． ［ 2］楼志文．损伤力学基础［ M］ ．西安 西安交通大学出版社， 1990． ［ 3］杨更社．岩石损伤检测技术及其进展［J］ ．长安大学学报 自然 科学版， 2003， 23 6 47－55． YANGGengshe．Advancesanddevelopmentofdamage measurement technique of rock［ J］ ．Journal of Chang’ an Universi- ty Natural Science Edition， 2003， 23 6 47－55． ［ 4］杨更社， 张长庆．岩体损伤及检测［M］ ．西安 陕西科学技术出 版社， 1998． ［ 5］朱红光， 谢和平， 易成， 等．岩石材料微裂隙演化的 CT 识别 ［J］．岩石力学与工程学报， 2011， 30 6 1230－1238． ZHU Hongguang， XIE Heping， YI Cheng， et al．CT Indentification of microcracks evolution for rock materials［J］ ．Chinese Journal of Ｒock Mechanics and Engineering， 2011， 30 6 1230－1238． ［ 6］任建喜， 葛修润， 杨更社．单轴压缩岩石损伤扩展细观机理 CT 实时试验［J］．岩土力学， 2001， 22 2 130－133． ＲEN Jianxi， GE Xiurun， YANG Gengshe．CT real－time on damage propagation microscopic mechanism of rock under uniaxial com- pression［J］．Ｒock and Soil Mechanics， 2001， 22 2 130－133． ［ 7］王常彬， 曹安业， 井广成， 等．单轴受载下岩体破裂演化特征的 声发射 CT 成 像［J］ ． 岩 石 力 学 与 工 程 学 报，2016，35 10 2044－2053． WANG Changbin， CAO Anye， JING Guangcheng， et al．Evolution characteristics of rock fracture under uniaxial loading by combining acoustic emission and CT imaging ［J］ ．Chinese Journal of Ｒock Mechanics and Engineering， 2016， 35 10 2044－2053． ［ 8］佚名．终身奋斗在岩土一线 葛修润院士 三 ［B］ ．岩石力学 与工程学报， 2013， 32 6 222－223． ［ 9］葛修润， 任建喜， 蒲毅彬， 等．煤岩三轴细观损伤演化规律的 CT 动态试验［J］．岩石力学与工程学报， 1999， 18 5 497－502． GE Xiurun， ＲEN Jianxi， PU Yibin， et al． A real － in － time CT triaxial testing study of meso－damage evolution law of coal ［J］． Chinese Journal of Ｒock Mechanics and Engineering， 1999， 18 5 497－502． ［ 10］任建喜， 葛修润．岩石单轴细观损伤演化特性的 CT 实时分析 ［J］．土木工程学报， 2000， 33 6 99－104． ＲEN Jianxi， GE Xiurun．Ｒeal－time CT test on the meso－damage evolution of rock under uniaxial compression［J］．China Civil En- gineering Journal， 2000， 33 6 99－104． ［ 11］杨更社， 谢定义．岩石单轴受力 CT 识别损伤本构关系的探讨 ［J］．岩土力学， 1997， 18 2 29－34． YANG Gengshe， XIE Dingyi．The discussion about damage consti- tutive relation of rock under uniaxial stress identified by CT［J］． Ｒock and Soil Mechanics， 1997， 18 2 29－34． ［ 12］任建喜， 葛修润．单轴压缩岩石损伤演化细观机理及其本构模 型研究［J］．岩石力学与工程学报， 2001， 20 4 425－431． ＲEN Jianxi， GE Xiurun．Study of rock meso－damage evolution law and its constitutive model under uniaxial compression loading ［J］．Chinese Journal of Ｒock Mechanics and Engineering， 2001， 20 4 425－431． ［ 13］葛修润， 任建喜， 蒲毅彬， 等．岩石疲劳损伤扩展规律 CT 细观 分析初探［J］．岩土工程学报， 2001， 23 2 191－195． GE Xiurun， ＲEN Jianxi， PU Yibin， et al．Primary study of CT real－ time testing of fatigue meso－damage propagation la