熱解無煙煤三維裂隙重構及定量表征研究

王 勇，孟巧榮，高 力，張永鋒

(太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024)

無煙煤是一種煤化程度高、固定碳含量高、揮發成分低，成形速度慢的優質煤。隨著智能化開采技術的進步，無煙煤埋藏淺層的煤炭資源日益減少，開發利用逐漸向埋藏深煤層方向發展。深層無煙煤受到多場耦合的影響，具有“三高一低”的地質特征。這一特征不僅嚴重影響了無煙煤的開采，而且限制了其共生資源煤層氣的抽采。研究表明，無煙煤不僅儲量豐富，而且蘊藏豐富的煤層氣資源。無煙煤中孔裂隙用于煤層氣運移，其孔隙的空間連通性和發育狀況影響著煤層氣的滲透性。為了能夠解決深部煤層資源綠色開發和最大化利用問題，目前主要的開采手段有煤氣共采技術、煤氣化開采技術及其注熱增滲技術。通過溫度可以改變煤層中孔裂隙的滲透性，從而提高煤層氣的抽采率，因此開展熱解無煙煤三維孔裂隙定量表征研究對注熱增滲提高煤層氣抽采具有重要的現實意義。

許多國內外學者運用壓汞法、液氮吸附法及CT法對煤巖孔裂隙參數表征進行了多層次研究。由于CT能夠進行無損檢測，現被廣泛運用于礦業及地質等領域的研究。其中基于CT掃描技術，付裕等[1]分析了煤巖內部裂隙結構發育狀況，得出裂隙數量隨著直徑的增大而減小。馬尚權等[2]利用分形維數對煤巖裂隙二維空間進行了分析，得出分形維數越大煤巖裂隙發育越發達且分形維數值越趨于2.金智敏等[3]利用MATLAB對煤巖CT圖進行了處理，得出孔隙直徑主要分布在0.1～0.2 μm且隨著直徑的增大孔隙數減少。李相臣等[4]通過CT值分布對煤巖孔裂隙空間分布進行了定性描述。MAYO et al[5]對煤中滲透率進行了研究并分析了所含氣體的擴散情況。傳統實驗法對煤巖裂隙分布發育狀況表征在三維空間測試上有局限，不能夠精準描述裂隙三維空間孔裂隙滲透特性。隨著計算機可視化技術的興起，基于CT圖像及其可視化數值模型分析技術對煤巖孔裂隙結構進行三維重構分析方法被廣泛應用。王登科等[6]通過VG Studio Max可視化技術對不同受載作用下煤巖裂隙發育狀況進行研究。王剛等[7]、張平等[8]運用CT三維重構技術對煤巖裂隙進行了三維構建，分析了煤巖內部孔裂隙的空間分布規律，研究表明一般條件下孔隙率與滲透率呈正比。ZHANG et al[9]利用可視化技術對煤巖孔隙網絡進行構建，分析了孔隙度與滲透率的關系。陳彥君等[10]、熊健等[11]借助AVIZO可視化軟件對煤巖孔裂隙進行了重構，并對三維裂隙結構進行了表征。BAUER et al[12]、ZHANG et al[13]、PENG et al[14]構建了三維裂隙網絡，并進行了定量分析。馮子軍等[15]對在熱力耦合條件下無煙煤滲透率進行了分析研究。已有學者運用CT可視化技術對煤巖滲透結構進行了系統評價，其研究成果對煤巖孔裂隙的空間分布和定量分析有重要作用，并為煤巖微細觀結構研究奠定了基礎。但是，目前通過該技術對熱解作用下無煙煤三維孔裂隙定量表征鮮有研究。

本文利用高精度μCT225 kVFCB顯微系統對熱解條件下的晉城無煙煤進行了實時掃描，采用三維可視化技術，實現煤樣的三維重構。利用由裂隙矢量面確定的裂隙三維特征參數(長、寬、高)，定量地描述裂縫的空間分布和演化，并研究了裂隙體積、等效直徑等變量與溫度的關系，探究了熱解作用下晉城無煙煤內部的微細觀結構隨溫度演化規律，為晉城無煙煤提高煤層氣的注熱增滲率提供了理論依據。

1 實驗設備與過程

1.1 煤樣制備

實驗煤樣取至晉城礦區無煙煤，在太原理工大學原位改性采礦教育部重點實驗室對煤樣進行制備。用鉆孔取樣機對大塊煤樣進行加工，該取樣機可獲取圓柱煤巖試樣直徑范圍為Φ5～10 mm，煤樣最大長度為60 mm.將塊煤固定在鉆孔機拖臺上，選用Φ7 mm的鉆頭鉆取圓柱體煤樣，再通過切割機將Φ7 mm圓柱體進行切高工序，為了保證煤巖試樣的使用性能，在對煤芯切高時，留有2 mm余量，總高為12 mm.最后利用端面磨石機對2 mm余量進行研磨，制成Φ7 mm×10 mm的圓柱試樣。

1.2 實驗設備

本文采用太原理工大學原位改性采礦教育部重點實驗室的μCT225 kVFCB型高精度CT掃描試驗系統[16]，如圖1所示。該系統掃描參數：空間最小掃描分辨率0.485 μm，電流75 μA，電壓60 kV，掃描速率3 s/幅。對Φ7 mm×10 mm的晉城無煙煤煤樣進行了掃描，得到灰度圖像1 500幅，單層大小15.8 MB，像素分辨率2 041×2 041.

圖1 μCT225 kVFCB型高精度CT實驗系統

煤樣試件的熱解試驗，采用自主研制的高溫氣氛爐進行加熱。該裝置主要由加熱底盤、旋轉托架及調位支柱3部分組成。主要參數：爐膛20 mm×80 mm，功率300 W，升溫速率10 ℃/min，精度范圍-1 ℃～+1 ℃.氣氛爐與CT掃描系統相結合，煤樣置于氣氛爐中央，將爐固定在旋轉托架上，通過旋轉托架與調位支柱對氣氛爐的位置進行調節，氣氛爐與CT機裝配位置，如圖2所示。

圖2 加熱時CT機和高溫氣氛爐位置圖

1.3 試驗過程

本實驗溫度段為常溫到600 ℃(7個加熱溫度)，實驗主要過程為試樣固定—加熱—CT掃描。具體操作步驟如下。

1) 卡盤固定：將制備完封存的煤樣取出，放入直徑為10 mm石英管。用具有優異耐溫膠密封管口，待膠凝固。將石英管裝載至CT機固定臺，三爪卡盤進行固定。

2) CT掃描：固定完成，設置CT掃描參數。其中掃描電流75 μA，電壓60 kV，幀頻1 fps，幀數2，設置結束對常溫煤樣進行初次掃描。

3) 高溫氣氛爐加熱：初次掃描結束后，調節高溫氣氛爐位置，將煤樣置于加熱爐膛的中心,進行充氣，當氬氣注入完成，以10 ℃/min升溫速率進行加熱。當溫度達到100 ℃，停止加熱設定半小時恒溫時間，保溫結束經自然冷卻，CT掃描。

4)不同溫度煤樣掃描：重復步驟3)，對其余5個溫度煤樣依次進行加熱—恒溫—冷卻—掃描。

5) 掃描結束：除常溫不需要加熱外，其余6個溫度重復步驟3)和4)，直至掃描結束。

2 三維裂隙可視化及定量分析

2.1 三維裂隙重構定量分析

經過CT掃描系統得到的圖像不能夠反映煤樣內部結構演化特征，所以為了能準確地研究煤樣內部裂隙結構在熱解作用下的發育規律并進行定量分析，利用三維可視化軟件AVIZO對CT圖像進行處理，建立煤樣內部孔裂隙三維網絡模型。對煤樣掃描后，不同的物質所對應的灰度值不同，孔裂隙灰度值較小，如圖3所示。

圖3 煤樣CT灰度圖

從圖3中可以看出，煤中不同物質具有不同的灰度值。在此基礎上，提出了一種基于分水嶺閾值分割的方法，該方法對煤樣中孔裂隙與煤基質進行分割，并得出了最優分割值28.93，分割結果如圖4所示。

圖4 分水嶺分割結果

利用Non-Local Means算法對CT圖像進行濾波，提取煤樣的孔裂隙結構，研究煤樣在高溫熱解作用下的三維孔隙發育情況。在三維孔裂隙結構中，由于裂隙各向異性，其幾何參數不易直接測量，所以在三維孔裂隙結構研究中利用與裂隙體積相等的球體直徑定義為裂隙的等效直徑[17]，其計算公式如下：

(1)

式中：Deq為等效直徑，μm；VF為裂隙體積，μm3.

在7個溫度作用下，掃描后的三維裂隙網絡重建結果如圖5所示。

從圖5(a)可以看出，在常溫下，只有1條微裂隙，等效直徑為101.6 μm，且裂隙體積為5.5×105μm3；100 ℃時煤樣處于脫水脫氣階段，溫度對孔裂隙結構變化的影響稱之熱破裂。因受到熱破裂作用，原先微裂隙擴展發育直徑變大，體積增加同時伴隨著新裂隙的產生,裂隙數量增加(如圖5(b)所示)；200 ℃煤樣熱解反應開始，原始裂隙發育劇烈，同比增長率0.9；滲流裂隙產生，裂隙數量為11條，最大等效直徑729.566 μm，體積為2.17×108μm3(如圖5(c)所示)；300 ℃～600 ℃時，圖5(d)中滲流裂隙不斷發育，體積呈上升趨勢；熱破裂作用下，300 ℃時等效直徑300 μm以下裂隙數量為5，隨著溫度升高，該尺度下裂隙數減少，裂隙體積增加；體積微裂隙空間擴展延伸與紅色大裂隙形成一條連通的裂隙，如圖5(g)所示，等效直徑增加到1 456.1 μm，體積為1.60×109μm3，為煤層氣的高效抽采提供了有效的運移通道。

圖5 三維裂隙參數隨溫度演化規律

由此可知，在熱解作用下，煤樣內部裂隙結構一直在發育連通，當溫度達到600 ℃時，形成連通的滲流裂隙網絡，同時伴隨著新生裂隙的產生。由圖5(a)-(g)可以看出，原生微裂隙存在于煤樣邊緣，隨著溫度的升高，原生裂隙延伸發育呈“板條”狀，熱解作用下新生裂隙邊緣發育較為明顯，可以預測裂隙由外向內衍生，發育縱橫交錯，分布復雜。從裂隙等效直徑可以明確得出，在300 ℃時大裂隙數量增加，總的裂隙數量減少，煤樣中裂隙融合貫通形成大的裂隙；因此可以預測煤樣在熱破裂作用下無煙煤裂隙發育以擴展為主，而在300 ℃以后，裂隙等效直徑持續增長，體積變大，且裂隙數量也呈上升趨勢，故可以預測煤樣在熱解作用下，其內部孔裂隙結構擴展同時伴隨著新生裂隙的產生。

2.2 三維單裂面數值模型建立

裂隙幾何尺寸是煤層氣擴散滲透的一個指標，裂隙的長、寬、深代表其空間發育尺度，三者的積與滲透率成正相關關系,而主裂隙面的矢量則代表著裂隙的發展方向。孔-裂隙結構及獨立裂隙空間相互延展連通，構成了三維裂隙網絡，因此裂隙的連通性是衡量滲透性優劣的另一指標。根據裂隙三維幾何參數、傾斜角及其連通性對煤樣裂隙結構進行量化表征。為了能夠準確說明煤樣裂隙面之間的貫通關系，基于AVIZO三維可視化技術，對三維裂隙面進行網格劃分，利用裂隙面點云法，建立主裂隙面，并在球坐標系下對點進行測量，如圖6所示。其中圖6(a)方位角θ與天頂角φ的測量方向分別為沿逆時針方向與從上到下順時針方向。P為所建立的主裂隙面，AB為主裂隙面上的最長徑；圖6(b)為主裂隙面所建立數值模型面。

圖6 主裂隙面數值模型

本文研究長度L>1 000 μm單裂隙的空間演化規律，常溫與100 ℃下不存在該尺度的單裂隙，因此，單裂隙空間演化從200 ℃開始分析。 圖7為不同溫度下單裂隙提取。由圖7可知受溫度作用，200 ℃時，煤樣內部結構發生變化，產生長度L>1 000 μm的3條裂隙，隨著溫度的升高裂隙1，裂隙3空間體積增大，長度增加，新的裂隙不斷與其貫通；裂隙1不斷的延伸擴張，裂隙3層理和面割理相互垂直，形成貫通網絡；由于裂隙結構不同，裂隙2近似垂直煤樣層理，在低溫下發育劇烈，300 ℃開始，由于熱解反應的發生，裂隙2有裂解現象，主裂隙面上的次生裂隙變少。

圖7 單裂隙空間演化規律

主裂隙面的確定，用于表征裂隙在不同溫度作用下裂隙空間位置及張量的變化。表1為單裂隙主裂隙面矢量統計。由表1可知，不同溫度作用下，裂隙1主裂隙面角的變化范圍為305.83°～345.51°；裂隙2的主裂隙面角的變化350.38°～354.37°，裂隙3的主裂隙面角沒有發生變化，其次生裂隙發育較為劇烈。因此，不同單裂隙的主裂隙面空間位置變化不大，主要發育為層理擴張與次生裂隙，600 ℃時，次生裂隙與主裂隙相互貫通形成滲透性較好的網絡。

2.3 不同溫度下等效直徑最大裂隙演化定量分析

本文研究的目的是熱解作用下，煤樣內部裂隙幾何結構變化，從而預測煤層滲透性。根據霍多特[18]對裂隙的劃分，直徑大于100 μm屬于滲透裂隙?；诿簶尤S裂隙，對其三維幾何參數特性參數(L、B、D)進行了提取，其三維示意如圖8所示。

對不同溫度下等效直徑最大單裂隙隨溫度的發育演化進行量化分析，如圖9所示。從圖9(a)可以看出，不同溫度下最大裂隙等效直徑尺度變化范圍為101.600 μm～1 456.100 μm，200 ℃時煤樣內部裂隙發生聚變，產生等效直徑為652.270 μm的大裂隙，且隨著溫度的升高裂隙等效直徑呈上升趨勢。由圖9(b)可得，隨著溫度的升高，裂隙沿層理方向發育最為劇烈；且在300 ℃與600 ℃時，裂隙空間長、寬、深發育差值Δl最大；圖9表明在20 ℃和100 ℃時，等效直徑較小屬微裂隙，裂隙幾何尺度均勻，空間位置??；200 ℃時，最大裂隙為裂隙2且開始發育，擴展長度L占煤樣直徑48%，徑向方向擴展深度D為813.080 μm；且隨著溫度的上升裂隙沿割理方向發育緩慢。綜合單裂隙提取可知，空間裂隙在層理方向屬于延伸擴展型發育，而在割理方向屬于突變型發育，從200 ℃到600 ℃，同一裂隙割理方向裂隙深度延伸增量40.140 μm.在200 ℃之前裂隙主要由熱破裂作用所致，裂隙空間發育平緩，長、寬、深變化細微。300 ℃開始，裂隙產生主要致裂因素為熱解，最大裂隙為裂隙1長度增量134.872 μm；寬度與常溫相比同期增長率為18%，滲透率增加。溫度600 ℃時，裂隙長、寬、深三個方向的發育開度達到最大，裂隙與裂隙相互連通，形成裂隙網絡，滲透性最好。

表1 單裂隙主裂隙面矢量統計

圖8 三維幾何特征參數示意圖

圖9 (a) 不同溫度下最大等效直徑隨溫度變化曲線；(b) 最大等效直徑單裂隙三維幾何參數隨溫度的變化曲線

3 三維滲透裂隙定量分析

基于三維裂隙網絡的構建，對煤樣滲透裂隙進行了提取。上述分析表明在不同溫度下，裂隙沿層理發育較快，故根據長度L可將裂隙類別分為3類：1 μm

圖10 不同類型裂隙數量隨溫度演化規律

4 結論

基于AVIZO三維可視化重構技術，對無煙煤內部裂隙結構進行了三維重構，通過對裂隙的三維幾何參數統計分析，得出如下結論：

1) 通過對無煙煤煤樣裂隙三維可視化重構，精準描述了裂隙空間幾何分布特征?？芍L度L>1 000 μm裂隙主要分布在煤樣的邊緣，隨著溫度的升高裂隙開始延伸擴展并伴隨著新裂隙的產生。

2) 不同溫度階段，對煤樣裂隙發育的影響也不同。300 ℃之前，裂隙發育主要為熱破裂引起，對裂隙2發育影響較大，主要沿層理、割理擴展延伸為主；隨著溫度的升高，裂隙2發生裂解現象，裂隙1、3受熱解作用，發育主要為次生裂隙的衍生及貫通，在600 ℃時，形成等效直徑為1 456.1 μm的裂隙網絡，滲透性最好。

3) 不同溫度下，煤樣內部裂隙總共分為三類。其中1 μm