抽采孔液態CO2預裂效果顯微CT實驗研究

張良飛

(西山煤電(集團)有限責任公司 官地礦， 山西 太原 030022)

CT即電子計算機斷層掃描儀器，自X射線被發現后，醫學上就開始用它來檢測人體病變?，F在，基于X射線的醫用CT機已經發展到了第五代，不僅成像時間短，而且層數多、分辨率高，最主要的是成像物質可為動態，提高了圖像成像質量。工業CT是電子計算機斷層掃描在工業方面的應用，被國際公認為最佳無損傷檢測和無損傷評估技術，大量應用于工業部件內部損傷探查、在線部件實時檢測以及彈藥、飛機發動機等類型部件的無損檢測。近年來，工業CT也逐漸應用到煤巖體微觀結構研究中，為煤巖體內部結構研究、損傷模型確立提供了一種手段[1-2].

蔡太義等[3]對土壤孔隙微結構特征的CT研究表明，顯微CT成像技術可以很好的用來表征物質的微觀孔隙變化；賈小寶等[4]的研究表明CT成像技術能夠實現不同煤體結構煤中孔裂隙系統的三維可視化精細定量描述，定量分析不同煤種滲透性能的差異性；王登科等[5]的CT掃描結果顯示，溫度沖擊后煤體內部裂隙擴展伸長、加寬，并萌生新裂隙，裂隙寬度顯著增加。這些研究均表明，CT掃描成像作為一種新的研究煤巖體內部孔裂隙的手段，效果良好。本文基于前人研究[6-7]，利用CT成像技術，對采用了液態二氧化碳預裂爆破技術后不同區域的煤體CT掃描成像進行統計學分析，對其爆破效果進行研究。

1 試驗設備及方法

1.1 CT成像原理

CT成像技術是通過計算機重建，將某一材料一定位置處一定厚度的密度信息以電子數字圖像的形式高清晰度地顯示出來。當發射器發出的X射線經過材料后，由于不同位置處材料密度不同，所以透射過的X射線所具有的能量就不同，根據探測器上不同透射方向上、材料不同位置處的X射線衰減系數，可得到不同的數字矩陣，然后通過模擬轉換器，將這些矩陣中的不同數字轉換為不同灰度的黑白方塊，也就是像素，并且根據原先的排列呈現出來，得到CT重建圖像。

1.2 實驗設備

該次實驗圖像成像采用太原理工大學高精度微焦點顯微CT系統。該系統主要由發射X射線的X光機、接受X射線的平板探測器、高精度高控制載物機械轉臺、數據采集和圖像處理的電子學系統組成。

該實驗系統可觀測直徑1～50 mm的試件，放大倍數為1～400倍，可以分辨出0.5 um的孔裂隙，同時具有精度<0.01 mm的高定位精度轉臺，重建時間1 min的快速圖像成像電子系統。

1.3 實驗方法

采用統計學的方法，通過對距預裂孔不同位置處煤體孔裂隙的演變情況反應爆破影響范圍。

1) 統計學方法。

液態二氧化碳預裂爆破后，距預裂孔不同位置處煤體破壞情況即裂隙成型情況肯定不同。采用距預裂孔不同位置處煤體孔裂隙像素占比來反應孔隙率，研究液態二氧化碳預裂爆破后裂隙的演變情況。煤樣CT掃描原圖見圖1a)，采用Photoshop首先對其固定位置固定半徑范圍進行截圖，所截圖像為31 428像素，然后設定一個孔裂隙色階閾值，最后求出該閾值下色階總像素與圖像總像素的比值。photoshop處理流程見圖1. 西山煤電集團官地礦2#煤層孔隙率在6%作用，色階閾值設定為9，此時未預裂孔孔裂隙率在10%左右，因為鉆孔、取樣等對樣品有影響。

圖1 photoshop處理流程圖

2) 實驗煤樣選取。

結合液態二氧化碳預裂爆破現有工程經驗和實驗地點工程地質條件，爆破影響范圍在4～6 m，所以首先在官地礦22613工作面正巷6#孔預裂爆破后，從與其相鄰的孔間距分別為5 m、6 m的5#、7#孔內距孔口15 m、25 m處取煤樣進行CT掃描成像，并分析裂隙演變情況，然后根據結果進行下一步實驗設計。5#、7#孔預裂結果顯示孔裂隙占比分別為14%、10%，表明距爆破孔5 m處裂紋稍微有點變化，而6 m處則無變化，所以猜測該條件下的影響范圍應該在4 m、5 m范圍內，并且設計該礦22612工作面正巷孔間距為4 m，單號孔爆破預裂，從未預裂的20#、30#、40#、50#、60#孔內取樣分析。煤樣取樣位置圖見圖2.

圖2 煤樣取樣位置圖

2 CT掃描結果分析

統計分析CT原圖見圖3，統計分析數據見表1，圖4. 該方法雖不是從具體的、實際的孔裂隙變化去分析問題，但是通過一些條件的設定，也可反應裂隙演變情況。

圖3 距爆破孔4 m處CT原圖

距預裂孔4 m、5 m、6 m處煤樣第600、800、1000切片孔裂隙像素見表1，因為圖片為固定大小，所以總像素為固定值，即31 428，通過孔裂隙像素與總像素的比值，從宏觀上對微觀裂隙進行研究。從表1中可以看出，在色階閾值為9時，未采取液態二氧化碳爆破技術的煤樣，孔裂隙像素在3 000上下浮動，占總像素的比值也就是煤樣孔裂隙率在10%上下波動，這個比值就是該次實驗假定的原始煤層孔隙率，之所以定為10%是因為在打鉆和取樣的過程中難免會對煤樣造成破壞，再結合前人對孔裂隙色階的研究和該次實驗煤樣地質資料中的孔隙率，定為10%是較合理的，即色階閾值調為9是非常正確的。

表1 CT圖像處理數據表

圖4 CT圖像處理柱狀圖

從表1，圖4可以看出，采取液態二氧化碳預裂爆破后，在距預裂孔6 m位置處的煤樣，孔裂隙像素皆很接近3 000，比值在10%左右，與原始煤層孔裂隙率基本一致。這表明在這個范圍內，煤體受預裂爆破的影響非常小或者說沒有影響；而在距預裂孔5 m位置處的煤樣，孔裂隙像素增加到了4 000以上，比值約為13%，比原始煤層孔裂隙率增加了3%左右，這表明在該范圍處的煤體受到了爆破的影響，但影響程度較?。辉诰囝A裂孔4 m位置處的煤樣，孔裂隙像素增加到了6 000多，比值在20%左右，比原始煤層的10%大了許多，這充分說明該范圍處的煤層，裂隙得到了很好的擴展。所以，液態二氧化碳預裂爆破影響范圍有4 m之外，且4 m范圍內裂隙擴展非常明顯。

3 結 論

通過對距預裂孔不同位置處的煤樣進行CT掃描成像分析，得到在距預裂孔5 m位置處，孔裂隙像素占比增加3%左右；在距預裂孔4 m位置處，孔裂隙像素占比增加10%左右，孔裂隙增加了1倍.表明采用了液態CO2預裂爆破技術后，在距預裂孔4 m范圍內的煤體裂隙得到了充分發育，為礦井瓦斯抽采提供依據，確保了安全生產。