基于CT 掃描的煤樣圖像處理及裂隙形態(tài)表征

李小二，王 鵬，靳翔飛，陳新明，張將令

（1.焦作煤業(yè)集團趙固一礦，河南 焦作 454150；2.河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454150；3.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454150）

煤炭作為支撐我國經(jīng)濟發(fā)展的基礎能源，其開采和利用關系到中國社會現(xiàn)代化長遠發(fā)展[1]。隨著煤炭工業(yè)生產(chǎn)的進行，煤炭開采逐漸轉向深部地層發(fā)展，隨之而來的是復雜的地應力環(huán)境以及開采難度的增加[2]。煤體內部裂隙的存在是影響煤層整體穩(wěn)定性的內在因素[3]。計算機科學技術的快速發(fā)展，為眾多學者在研究深部巖體孔裂隙微觀結構方面提供了新的研究手段[4-6]。

隨著可視化工具的發(fā)展，探索物質微觀特性的手段更加豐富。煤作為一種典型的多孔介質材料，其內部含有大量裂隙、孔隙，且分布規(guī)律和形態(tài)特征較為復雜，眾多裂隙結構的存在是影響煤體整體穩(wěn)定性的關鍵原因。高分辨率CT 成像技術和可視化軟件技術的發(fā)展為探究煤體微觀形態(tài)提供了新方法[7-8]。

毛偉澤[9]等利用CT 掃描技術對于花崗巖礦物成分微觀分析，基于不同物質灰度值差別原理，通過三值化分割手段對花崗巖的礦物組成及空間分布狀態(tài)進行定量分析；宋黨育[10]等運用DTM 灰度閾值分割法對CT 圖像閾值點進行精確調節(jié)，采用Avizo 軟件對煤中孔裂隙進行重構，并通過壓汞法對重構結果進行對比，驗證了CT 掃描分析的可靠性；李長圣[11]等通過MATLAB 軟件對土石混合體CT 圖像進行表面點云數(shù)據(jù)提取，重構出礫石塊網(wǎng)格模型，并通過FLAC3D進行剪切受力模擬；王登科[12]等對溫度沖擊前后煤的裂隙發(fā)育和分布情況進行了定量表征，研究了煤體損傷與裂隙擴展之間的關系。CT 技術憑借其無損檢測等優(yōu)點而越來越多的應用于巖土工程等領域[13]，巖土工程中CT 技術的應用為眾多學者深入探究巖土微觀特征提供了新思路。為此，通過對比分析分水嶺閾值分割法，利用Image J 圖像處理軟件，通過圖像切割、灰度化、二值化等手段，對CT 圖像進行精細表征，最后通過Avizo 軟件對CT 圖像進行重建，得到煤體內部三維孔裂隙結構，為準確地識別煤樣中的孔裂隙提供研究方法和思路。

1 CT 掃描系統(tǒng)

試驗所用的工業(yè)CT 掃描系統(tǒng)Phoenix v｜tome｜x s 產(chǎn)自美國通用電氣有限公司，是一個多功能的高分辨率系統(tǒng)，用于二維X 射線檢測和三維計算機斷層掃描以及三維測量。該系統(tǒng)配備GE 檢測科技公司研發(fā)的科研平臺。工業(yè)CT 廣泛應用于電子元件、油氣儲存、渦輪葉片檢測等，配備有高功率微米焦點和高分辨率納米焦點的獨特雙射線管，可進行小于0.5 μm 的細節(jié)觀測，既可以掃描小尺寸巖心，也可以完成對大尺寸乃至不規(guī)則巖心的掃描成像，廣泛應用于對低吸收材料的極高分辨率掃描以及對高吸收物體的三維分析，具有高度的靈活性、實現(xiàn)高精度、高密度檢測等特點。相比較于醫(yī)用CT，工業(yè)CT的穿透性更強，射線源更加穩(wěn)定，掃描能量和精度更高。CT 掃描工藝參數(shù)為：①最大管電壓：240 kV；②最大管功率：320 W；③細節(jié)分辨能力：1 μm；④最小掃描距離：4.5 mm；⑤最大分辨率：＜2 μm；⑥幾何放大倍數(shù)：1.46～180；⑦物體最大載荷：10 kg。

2 CT 圖像處理

試驗所用的煤樣來自焦作煤業(yè)集團趙固二礦14030 工作面的優(yōu)質無煙煤，煤質呈灰黑色，內生裂隙較為發(fā)育，視密度為1.52 g/cm3，具有高熱量低硫分等特點。該煤巖整體外生裂隙發(fā)育。煤層原生結構大部分因構造作用而破壞，裂隙面縱橫交錯。將采集的大塊煤樣鉆取并打磨成直徑25 mm，高度25 mm 的圓柱狀煤樣，進行CT 掃描分析。

2.1 煤樣CT 掃描圖像概述

CT 掃描得到的圖像像素為1 024×1 024，煤體CT 原始圖像略。由于煤樣中氣相、固相的密度相差很大，故兩者的灰度值相比差別很大，掃描得到的圖像中可以清晰地分辨出煤體、雜質和裂隙的分布狀態(tài)。裂隙以空氣的形式存在于煤體中，其密度為0，在CT 圖像中呈現(xiàn)完全黑色的線裝結構；有機質是組成煤體的主要物質，在圖像中呈現(xiàn)出均勻的灰黑色；煤體存在少量的礦物雜質，其密度最大，在圖像中呈現(xiàn)為白色。

2.2 圖像預處理

由于原始CT 圖像中通常存在噪聲點，在細節(jié)分辨上效果不佳，后期在重構過程中會出現(xiàn)誤差影響重構結果，所以需要圖像預處理來降低噪聲點，提高圖像質量。預處理是為了提高圖像中重點關注部分的識別度，并對不需要的部分進行剔除[14]。影響圖像質量的因素眾多，應該根據(jù)圖像特點以及實際需求進行分析，確定最佳處理方法。采用Image J 軟件對原始CT 圖像進行預處理。

利用Image J 軟件進行預處理可排除圖像干擾信息。Image J 軟件是基于Java 語言開發(fā)的圖像處理軟件，廣泛用于醫(yī)學及生物學圖像處理領域，能夠分析和處理8 位、16 位、32 位的圖片，支持多種圖片格式。Image J 可以以多線程的形式層疊多個圖像，并以序列形式同時圖像進行編輯，除了基本的縮放、平滑操作，還可以進行圖像區(qū)域面積及像素個數(shù)的統(tǒng)計。

1）灰度化處理。圖像的灰度化處理就是將彩色圖像轉化為灰度圖。CT 掃描成像是根據(jù)不同密度的物質，利用X 射線衰減程度，將射線信號轉化為圖像[15]。被掃描樣品中，不同物質的CT 值差異使CT圖像中呈現(xiàn)處不同信息。CT 值是1 個相對值，它的大小與物質的密度成正比，CT 值越大，圖像越明亮，代表物質的密度越大；CT 值越小，圖像越昏暗，物質的密度越小[16]。煤樣中孔裂隙和煤基質的共同存在表現(xiàn)出來就是CT 值的變化和圖像灰度值的變化。

2）對比度增強。增強圖像對比度實際是增強原圖的各部分反差。實際中CT 圖像往往通過增強原圖中的某2 個灰度值的動態(tài)范圍來實現(xiàn)[17]。基于圖像的灰度分布直方圖，依據(jù)灰度分布范圍，按照Image J 軟件中預先設置好的算法改變灰度值的變化范圍，達到使圖像更加清晰、易于識別的目的。使用不同對比度增強處理后的CT 圖像效果如圖1。

圖1 CT 圖像對比度增強結果Fig.1 CT images contrast enhancement results

3）圖像二值化處理。受射線源穩(wěn)定性、運動誤差和電子器件噪聲等因素的影響，使掃描得到的圖像存在噪聲點，無法直接進行矢量操作，必須對圖像進行預處理。通過對圖像濾波和清除噪點后再經(jīng)過增強、二值化處理，有利于圖片中真實信息的表達和圖像的準確分割[18]。圖像二值化處理過程如圖2。經(jīng)過處理后，圖像中的干擾信息被有效排除，二值化之后的圖像由黑白2 種顏色構成，其中黑色區(qū)域表示為孔裂隙結構，白色區(qū)域表示為煤體。

圖2 CT 圖像處理過程Fig.2 CT image processing

3 CT 圖像重構

3.1 CT 圖像重構原理

CT 圖像的多層面重建技術（Multiplanar Reconstruction），簡稱MPR，基于離散/堆積的原理，將CT圖像各個截面輪廓按照順序疊加成三維實體。通過對原始圖像進行二值化處理，提取煤體骨架、裂隙結構的斷面圖像，將二維圖像層層疊加重構為三維立體圖像，這一系列操作過程就是三維體數(shù)據(jù)的可視化操作[19]。

通過對二值化處理的圖像進行三維重構，然后對煤體裂隙結構進行提取，對裂隙結構的可視化和裂隙分布情況進行研究，煤體裂隙三維重構示意圖如圖3。

圖3 煤體裂隙三維重構原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of 3D reconstruction principle of coal fracture

3.2 CT 圖像重構

1）CT 圖像截取。由于煤體CT 圖像總量過多，占用內存較大，在進行重構分析過程中若進行整體序列導入分析計算過于繁瑣，因此僅需對圖像中某部分特定的、具有獨特性質的區(qū)域進行分析，也就是煤體裂隙、雜質較為集中發(fā)育的部分。為了辨識和分析目標，需要將裂隙和雜質從煤體中提取分離出來，在此基礎對目標進一步利用。圖像截取是根據(jù)原始CT 圖像反應出的信息，依據(jù)圖像中灰度、紋理、幾何形狀等特征反映出的相似性，將圖像劃分為若干個互不相交的區(qū)域，在選定的區(qū)域中將目標從背景中提取出來，以便進一步處理。對CT 圖像進行截取，選擇其中的目標區(qū)域進行重建，然后對獲得的重建體進行更詳細的劃分，進行下一步分析和觀察。圖像切割處理就是在在最終的整體三維重構圖像中，提前選定特定的幾何體區(qū)域，進行進一步分析研究。CT 圖像截取部分重建示意圖如圖4。

圖4 CT 圖像截取部分重建示意圖Fig.4 Reconstruction of CT image capture part

2）重構結果。經(jīng)過CT 掃描得到樣品中每個細部單元的空間位置和灰度信息，經(jīng)過二值化處理后可提取孔裂隙的分布形態(tài)。將經(jīng)過二值化處理的圖像輸入三維重構軟件，經(jīng)過圖像堆棧組合，最終得到三維立體圖形。煤體裂隙重構三維圖像如圖5。從裂隙重構圖像中可以看出，在整個取樣煤柱中，煤體裂隙分布呈現(xiàn)“片狀”形態(tài)，裂隙較為明顯且連續(xù)，幾乎貫穿整個掃描樣品，裂隙發(fā)育長度占整個煤柱模型高度的70%以上，中間存在部分斷裂現(xiàn)象。經(jīng)計算樣品中裂隙體積占煤樣總體積的2.23%，孔隙度占總體積的12.28%。其中通過可視化結果，可以很明顯分辨出裂隙的空間分布狀態(tài)、裂隙走向及發(fā)育狀況。

圖5 不同方向上的煤體裂隙三維圖像Fig.5 Three dimensional images of coal body fractures in different directions

4 結 語

1）利用工業(yè)顯微CT 掃描技術，通過圖像處理和三維重建手段，得到趙固二礦焦煤煤樣數(shù)字煤心孔隙度，約為12.28%。在整個取樣煤柱中，煤體裂隙分布呈現(xiàn)“片狀”形態(tài)，裂隙較為明顯且連續(xù)，中間存在部分斷裂現(xiàn)象，該礦煤樣內生裂紋網(wǎng)絡結構較為發(fā)育，當煤體受到外力情況時，裂隙面為受力較為薄弱點，易發(fā)生擴展破壞。

2）CT 掃描技術構建數(shù)字煤心的可靠性取決于對對實際孔裂隙結構信息的準確提取，精確的閾值分割是提取物體內部構造信息的關鍵。利用Image J圖像處理軟件可去除圖像中的干擾因素，通過圖像切割、灰度化、二值化等手段使裂隙信息得到精確表征。采用Avizo 三維重構軟件可以對煤中孔裂隙進行精準提取，使裂隙得到形象可視化。

3）基于CT 掃描的煤樣圖像精細處理過程和三維重建所得到的數(shù)字煤心，能以最直觀地方式將裂縫和礦物在煤樣內部立體空間的分布形態(tài)展現(xiàn)出來。該研究手段對于多種材料混合體的內部結構探索，如混凝土等，可提供新的研究方法和思路。