高溫水蒸汽作用后長(zhǎng)焰煤細(xì)觀結(jié)構(gòu)的顯微CT研究

李海琪，馮子軍

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原030024；2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030024）

煤炭是我國(guó)重要的能源支柱，隨著社會(huì)的發(fā)展，通過(guò)煤炭發(fā)電等帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題逐漸受到關(guān)注，潔凈煤技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越受到重視[1-2]。煤是由孔隙和裂隙組成的雙重結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[3]，非均質(zhì)孔隙裂縫體系作為一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)，對(duì)非常規(guī)天然氣的儲(chǔ)集和采收率具有重要影響[4-6]。隨著煤礦開(kāi)挖深度的不斷增加，煤層及相關(guān)地層的溫度也會(huì)改變[7-8]，在高溫狀態(tài)下，煤層在熱應(yīng)力的作用下，孔裂隙必將發(fā)生變化，因此，分析高溫作用下煤體孔裂隙的演化特征對(duì)研究煤層中氣體的儲(chǔ)存及運(yùn)移有重要意義。目前，對(duì)于煤孔裂隙結(jié)構(gòu)的表征方法主要分為3類：一類是通過(guò)低溫液氮吸附法[9-10]和壓汞法[11-13]進(jìn)行孔隙大小及空間結(jié)構(gòu)的推算，這種方法只能定量描述開(kāi)放連通孔，對(duì)于封閉式孔的描述具有一定局限性，此外，利用液氮吸附及壓汞法測(cè)孔裂隙時(shí)，高壓破壞了煤體原生孔隙系統(tǒng)，造成測(cè)試結(jié)果偏大的現(xiàn)象；另外一種方法則是通過(guò)掃描電鏡進(jìn)行特定孔隙的測(cè)量[14]，這種測(cè)試方法只能提供特定層面煤樣的孔隙特征，不能系統(tǒng)的描述空間內(nèi)試樣孔隙結(jié)構(gòu)特征；因此，第3種測(cè)試方法顯微CT掃描逐漸受到人們的青睞，顯微CT的無(wú)損測(cè)量及精細(xì)定量化可以彌補(bǔ)前兩種測(cè)試方法的不足[15-16]。該測(cè)試方法可以靈活的對(duì)煤樣平面及立體的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量描述，且不受試樣結(jié)構(gòu)非均值的影響，是了解煤體空間結(jié)構(gòu)有效的方法。目前，利用顯微CT技術(shù)對(duì)高溫作用后煤體孔隙結(jié)構(gòu)的研究較少，其中，孟巧榮[17]、于艷梅[18]分別研究了常溫-600℃褐煤、瘦煤在干餾作用下煤體孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，研究表明，在低溫段煤體不會(huì)發(fā)生熱破裂現(xiàn)象，水分及空氣的散失導(dǎo)致孔隙增加，高溫段在熱應(yīng)力的作用下，礦物顆粒發(fā)生熱膨脹，且熱膨脹多產(chǎn)生在硬度較軟的煤體和硬質(zhì)礦物旁，層理面裂隙發(fā)育明顯高于垂直層理面的裂隙發(fā)育。上述研究表征了高溫作用下煤體的孔隙結(jié)構(gòu)，但是忽略了熱解作用對(duì)煤體孔隙結(jié)構(gòu)演化的影響。為此，基于高溫水蒸汽條件，通過(guò)顯微CT掃描，從熱破裂及有機(jī)質(zhì)熱解等角度分析了對(duì)流加熱條件下煤體二維及三維空間內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)的演化特征，揭示了煤體在對(duì)流加熱條件下的獨(dú)有特征，為研究氣體的存儲(chǔ)及運(yùn)移有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括高溫過(guò)熱水蒸汽熱解實(shí)驗(yàn)臺(tái)和顯微CT測(cè)試系統(tǒng)。2臺(tái)設(shè)備均由太原理工大學(xué)自主研發(fā)，高溫過(guò)熱水蒸汽熱解實(shí)驗(yàn)臺(tái)用于長(zhǎng)焰煤試樣的熱解，熱解最高溫度可達(dá)600℃；熱解后的試樣經(jīng)過(guò)ICT225kVFCB CT測(cè)試分析系統(tǒng)完成X-CT掃描，該測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種金屬和非金屬材料的三維CT掃描分析。

為保證試樣掃描的分辨率，以煤樣中軸為基準(zhǔn)進(jìn)行錐束掃描，掃描電壓80 kV，電流100μA，掃描速率為0.9（°）/單位振幅（共400個(gè)單位）。采用連續(xù)掃描法將煤樣垂直切成1 500層，每層的測(cè)量像素為2 048×2 048，由于眼睛對(duì)灰度微弱遞變的分辨能力較低，難以有效揭示CT灰度圖片中隱含的眾多微觀信息，也無(wú)法將孔隙結(jié)構(gòu)的尺度變化過(guò)程進(jìn)行數(shù)值量化。因此，掃描后的圖片采用大錐角重建為0～255共256階的灰度圖。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)焰煤試樣取自山西省河曲縣榆泉煤礦，現(xiàn)場(chǎng)取樣后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，將試樣加工成直徑5 mm，高10 mm的圓柱形試件，借助太原理工大學(xué)自主研制的高溫過(guò)熱水蒸汽熱解臺(tái)對(duì)試樣進(jìn)行熱解試驗(yàn)，蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生高溫過(guò)熱水蒸汽，到達(dá)裝有試樣的熱解管，熱解管上等間距布置有溫度傳感器，便于蒸汽溫度的檢測(cè)，試驗(yàn)中熱解溫度分別為300、400、500、550℃4個(gè)溫度點(diǎn)，蒸汽達(dá)到預(yù)期溫度后，維持2 h保證試樣充分熱解，熱解結(jié)束后，對(duì)25、300、400、500、550℃下長(zhǎng)焰煤試樣進(jìn)行顯微CT掃描，對(duì)重建后的圖片進(jìn)行大錐角重建，得到1 500層連續(xù)垂直切片。

2 長(zhǎng)焰煤試樣在不同熱解溫度下裂隙演化特征

不同熱解溫度下長(zhǎng)焰煤試樣二維平面圖像如圖1。圖中白色物質(zhì)為硬質(zhì)礦物，黑色區(qū)域則為孔裂隙，不同熱解溫度下，孔裂隙的破裂機(jī)理、破裂表現(xiàn)形式、破裂位置及擴(kuò)展方式不同。

圖1 不同熱解溫度下長(zhǎng)焰煤試樣二維平面圖像Fig.1 Two-dimensional plane images of long-flame coal sam ples at different pyrolysis tem peratures

常溫狀態(tài)下，試樣均質(zhì)性較好，顯微CT切片圖像上有大小不一、分布不均的硬質(zhì)礦物，無(wú)明顯孔裂隙；熱解溫度達(dá)到300℃時(shí)，CT切片圖像上出現(xiàn)孤立的細(xì)小裂紋及孔洞，部分硬質(zhì)礦物邊緣煤體熱解產(chǎn)生微小孔洞；熱解溫度達(dá)到400℃時(shí)，出現(xiàn)1條貫穿平面的大裂紋和若干條分支裂紋及孤立裂紋，形成氣體流動(dòng)的通道；當(dāng)熱解溫度達(dá)到500℃時(shí)，熱解產(chǎn)生大量的孔裂隙，孔裂隙之間相互貫通形成小面積裂隙網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)熱解溫度達(dá)到550℃時(shí)，長(zhǎng)焰煤試樣熱解最為充分，孔裂隙發(fā)育良好，熱解出現(xiàn)大面積連通的孔隙，大孔與小孔相互貫通，形成連貫的通道。

不同熱解溫度下，長(zhǎng)焰煤試樣裂紋破裂形式及擴(kuò)展方式有差異，原因如下：當(dāng)溫度低于300℃時(shí)，高溫過(guò)熱水蒸汽致使煤樣內(nèi)部的自由水及氣體散失，形成不規(guī)則的細(xì)小裂紋及孔洞；當(dāng)熱解溫度達(dá)到400℃時(shí)，煤體有機(jī)質(zhì)開(kāi)始熱解，有機(jī)質(zhì)的不充分熱解形成一定數(shù)量的細(xì)長(zhǎng)裂紋，此外，在高溫作用下，礦物顆粒熱膨脹的非均勻性使得礦物顆粒之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力大于礦物顆粒之間的結(jié)合力時(shí)，顆粒之間便產(chǎn)生裂紋，煤體顆粒之間的結(jié)合力小于硬質(zhì)礦物之間的結(jié)合力，因此在熱應(yīng)力作用下，裂紋擴(kuò)展主要集中在煤體表面，部分硬質(zhì)礦物周?chē)霈F(xiàn)熱解孔洞，在溫度的持續(xù)作用下，熱解裂隙向弱面逐漸擴(kuò)展，形成細(xì)長(zhǎng)的裂紋；當(dāng)熱解溫度達(dá)到500℃時(shí)，熱解作用充分，煤體內(nèi)部結(jié)合水散失、有機(jī)質(zhì)熱解，形成圓形或橢圓形的孔洞和大裂紋；當(dāng)熱解溫度達(dá)到550℃時(shí)，熱解作用最為充分，整個(gè)平面內(nèi)充滿了圓形或橢圓形的孔隙，形成了相互貫通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，為熱解產(chǎn)物的運(yùn)移提供的通道。

3 孔隙結(jié)構(gòu)的定量表征

為了更直觀表征熱解后長(zhǎng)焰煤試樣的孔隙結(jié)構(gòu)，利用3D數(shù)字巖心技術(shù)對(duì)試樣進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)分析和三維重建?；驹砣缦拢簩?duì)顯微CT掃描后的二維圖像進(jìn)行重新采樣，疊加不同切片圖像，得到煤體的三維圖像。三維圖像中孔裂隙的表征是基于二維圖像實(shí)現(xiàn)，對(duì)二維圖像進(jìn)行二值化處理，利用圖像中要提取的目標(biāo)區(qū)域與其背景在灰度特性上的差異，把圖像看作具有不同灰度級(jí)的兩類區(qū)域（目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域）的組合，選取合理的背景區(qū)域，從而產(chǎn)生相應(yīng)的二值圖像，統(tǒng)計(jì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所包含的所有像素點(diǎn)便得到二維平面內(nèi)煤樣的孔隙率，通過(guò)標(biāo)記分析，識(shí)別單個(gè)孔隙邊界，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記，從而生成孔隙空間標(biāo)記圖像，借助3D數(shù)字巖心技術(shù)，生成孔隙結(jié)構(gòu)的三維空間圖，用以定量描述孔隙結(jié)構(gòu)。

對(duì)25、300、400、500、550℃熱解溫度下的顯微CT圖片進(jìn)行二值化處理，考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，統(tǒng)計(jì)不同熱解溫度下700～899層顯微CT切片圖像，計(jì)算不同熱解溫度下不同層位的面孔隙率。結(jié)果顯示：25℃下，長(zhǎng)焰煤試樣的面孔隙率范圍為0.61%～2.62%，平均值為1.26%；當(dāng)熱解溫度增加至300℃時(shí)，煤樣面孔隙率范圍為2.99%～11.15%，平均值為7.06%，相較常溫狀態(tài)下增長(zhǎng)1.36倍；當(dāng)熱解溫度增加至400℃時(shí)，煤樣面孔隙率范圍為8.13%～17.66%，平均值為11.98%，相較常溫狀態(tài)下增長(zhǎng)3倍；當(dāng)熱解溫度增加至500℃時(shí)，煤樣面孔隙率范圍為11.12%～27.24%，平均值為19.15%，相較常溫狀態(tài)下增長(zhǎng)5.4倍；當(dāng)熱解溫度增加至550℃時(shí)，煤樣面孔隙率范圍為20.04%～49.24%，平均值為32.35%，相較常溫狀態(tài)下增長(zhǎng)9.82倍；整體而言，高溫過(guò)熱水蒸汽大幅增加了煤樣的孔隙率。

體孔隙率隨熱解溫度的變化曲線如圖2。將孔隙率的變化分為3個(gè)階段：熱解溫度低于300℃、熱解溫度范圍在300～500℃、熱解溫度高于500℃3個(gè)階段。熱解溫度低于300℃時(shí)，煤樣體孔隙率的變化幅度小，從常溫的1.26%增加至300℃的7.06%；當(dāng)熱解溫度范圍在300～500℃時(shí)，體孔隙率出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，這一階段，體孔隙率增加明顯，相較常溫狀態(tài)孔隙率增加了5.4倍；當(dāng)熱解溫度高于500℃時(shí)，體孔隙率大幅度增加，相較常溫狀態(tài)孔隙率增加了9.82倍。由此可見(jiàn)，熱解溫度閾值為300℃，300℃后，有機(jī)質(zhì)大量熱解，增加了煤樣的孔隙率，隨著熱解溫度的增加，有機(jī)質(zhì)熱解充分，孔隙率持續(xù)增加，550℃時(shí)熱解最為充分，因此試樣的孔隙率最大。

圖2 體孔隙率隨熱解溫度的變化曲線Fig.2 The change curve of porosity of the body w ith pyrolysis tem perature

熱解產(chǎn)生的孔隙連通度是煤層氣和熱解產(chǎn)物運(yùn)移的重要通道，因此，研究溫度熱解后長(zhǎng)焰煤試樣的三維空間的孔隙連通度有重要意義。為了減少煤樣CT圖像中邊界噪音的影響及二維圖像疊加計(jì)算量大的問(wèn)題，采用圖像裁剪的方法選擇最合適的REV，大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)表明，REV尺寸為200×200×200時(shí)，試樣的孔隙率不受尺寸影響[19]。借助數(shù)字巖心技術(shù)，根據(jù)Otsu閾值分割結(jié)果，重復(fù)疊加圖片，得到200×200×200像素的三維數(shù)字模型。氣孔及裂隙三維渲染圖如圖3。

圖3 氣孔及裂隙三維渲染圖Fig.3 Three-dimensional rendering of pores and cracks

從圖3中可以看出，25℃下，多孔團(tuán)簇在三維空間內(nèi)連通度較差，在任意方向都沒(méi)有形成貫穿的滲流通道，當(dāng)熱解溫度達(dá)到300℃時(shí)，水平層理方向形成較大的連同孔隙團(tuán)，但并沒(méi)有貫穿平面，垂直層理面熱解效果較差，沒(méi)有形成連通孔隙團(tuán)；當(dāng)熱解溫度達(dá)到400℃時(shí)，水平層理和垂直層理面都出現(xiàn)貫穿的孔隙團(tuán)，不同孔隙團(tuán)之間相互貫穿，形成一定面積的孔隙網(wǎng)絡(luò)；熱解溫度高于500℃時(shí)，孔裂隙發(fā)育更為明顯，各方向孔裂隙高度發(fā)育，孔隙網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)大，不僅為高溫過(guò)熱水蒸汽及有機(jī)質(zhì)熱解產(chǎn)物的運(yùn)移提供了通道，而且加快了煤樣內(nèi)部的熱交換，為傳熱提供了場(chǎng)所。

4結(jié)論

1）熱解溫度低于300℃時(shí)，長(zhǎng)焰煤試樣自由水及氣體的散失，形成規(guī)則不一的孔洞和裂紋；熱解溫度達(dá)到400℃時(shí)，有機(jī)質(zhì)熱解形成的裂隙多以細(xì)長(zhǎng)裂紋展現(xiàn)；熱解溫度高于500℃時(shí)，礦物顆粒的熱膨脹和有機(jī)質(zhì)的充分熱解，形成圓形或橢圓形的孔洞和大裂紋，裂隙網(wǎng)絡(luò)相互貫通，為熱解產(chǎn)物及高溫水蒸汽的運(yùn)移提供了通道。

2）通過(guò)對(duì)不同熱解溫度下700～899層顯微CT切片圖像的分析，得到有機(jī)質(zhì)的熱解隨溫度變化明顯，溫度越高，有機(jī)質(zhì)熱解越充分，且煤體內(nèi)有機(jī)質(zhì)的熱解具有隨機(jī)性，導(dǎo)致不同切片的面孔隙率不同。

3）統(tǒng)計(jì)不同熱解溫度下長(zhǎng)焰煤試樣的體孔隙率，得到550℃熱解溫度作用后煤樣的體孔隙率達(dá)到32.35%，較25℃下煤樣的體孔隙率提高了9.82倍，300℃是長(zhǎng)焰煤試樣熱解的閾值溫度點(diǎn)，熱解溫度高于300℃時(shí)，不同層理面裂隙發(fā)育完全，孔隙團(tuán)之間相互貫穿形成了孔隙網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)熱解作用的同時(shí)，為熱解產(chǎn)物提供了運(yùn)移通道。