基于CT掃描技術(shù)對煤巖的孔隙結(jié)構(gòu)的提取和研究

邢 敏，吳金隨，張辭源，李更川，高 嵩

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.準(zhǔn)格爾旗云飛礦業(yè)有限責(zé)任公司 串草圪旦煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010400)

0 引言

煤炭資源是我國現(xiàn)階段最主要的原料和能源，是我國現(xiàn)階段必不可少的經(jīng)濟(jì)來源，促進(jìn)著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長[1]。盡管現(xiàn)在有很多新能源的利用，但煤炭資源在未來的很長時間內(nèi)在供給人類生活所需和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中仍然處于主要地位，因此煤礦企業(yè)是促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的重要的力量之一，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略作用。要想合理的使用煤炭資源，就需要在對煤礦中的煤層進(jìn)行深入的研究。

煤巖作為煤層中的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，類型多種多樣?？紫妒敲簬r中的重要結(jié)構(gòu)，通過研究煤的孔隙特征，可以了解煤的很多特性。為了更清楚地了解孔隙的相關(guān)特性，現(xiàn)階段可以采用壓汞法、核磁共振法等方法直接測出樣品參數(shù)[2-5]，除此之外，為了直觀地看到孔隙模型，對孔隙進(jìn)行可視化分析，還可以采用三維數(shù)字巖心技術(shù)利用CT提取出樣品數(shù)據(jù)，運(yùn)用計算機(jī)完成重構(gòu)，將重構(gòu)數(shù)據(jù)與可視化軟件結(jié)合，建立孔隙模型，測量出孔隙參數(shù)，然后就可以利用相關(guān)參數(shù)研究孔隙的特性[6-9]。鄧遠(yuǎn)剛等運(yùn)用CT掃描技術(shù)對典型脆性巖樣單軸壓縮破壞后破裂面及全斷面進(jìn)行掃描，獲取全斷面的細(xì)觀形態(tài)，分析和總結(jié)了典型脆性巖樣破壞細(xì)觀裂紋擴(kuò)展的發(fā)展規(guī)律[10]；查明等利用CT掃描技術(shù)從三維角度表征儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)、裂縫分布、微觀流體特征等，定量分析巖石物性參數(shù)，動態(tài)地監(jiān)測微觀流體驅(qū)替、巖石裂縫的延伸規(guī)律[11]；黃宛瑩等利用三維動態(tài)CT圖像數(shù)據(jù)，通過圖像切割、圖像分割等處理步驟，以團(tuán)簇為基本表征單位，表征不同形狀、大小孔隙的動態(tài)變化過程，分析對比全部孔隙、大團(tuán)簇、小團(tuán)簇和裂隙型小團(tuán)簇的動態(tài)圖像[12]。

本次實驗首先使用CT掃描儀對采集的煤樣樣品進(jìn)行掃描，經(jīng)重構(gòu)后得到相關(guān)數(shù)據(jù)；然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維可視化軟件Avizo中，在Avizo中選取合適的交互式閾值，閾值分割后使用Axis Connectivity、Arithmetic等運(yùn)算模塊提取孔隙結(jié)構(gòu)模型和球棍模型；最后，在各個模型的基礎(chǔ)上計算出孔隙度、連通孔隙度、孤立孔隙度、配位數(shù)等參數(shù)，由此展開對所采集的煤樣孔隙的分析。

1 煤樣數(shù)據(jù)采集

本文選擇在準(zhǔn)格爾旗云飛礦業(yè)有限公司串草圪旦煤礦不同區(qū)域中采集的4個煤樣作為本次實驗樣品，為便于分析，分別標(biāo)號為coal-1、coal-2、coal-3、coal-4。

煤樣采集完成后，采用天津三英科技公司生產(chǎn)的Nano Voxel 3000高分辨率臺式CT掃描儀對所要分析的煤樣進(jìn)行掃描，按照操作步驟掃描完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，重構(gòu)后得到相關(guān)數(shù)據(jù)和圖像。本文以coal-1為例展示孔隙結(jié)構(gòu)的圖像，重構(gòu)后得到的煤樣切片和煤樣三維渲染圖像如圖1所示。

圖1 煤樣切片及三維渲染圖像

2 煤樣孔隙結(jié)構(gòu)的提取

為了提取煤樣中的有效孔隙結(jié)構(gòu)，在將重構(gòu)完成的煤樣數(shù)據(jù)導(dǎo)入Avizo之后，首先要對樣品進(jìn)行剪裁，一方面，由于樣品數(shù)據(jù)比較大，為了便于Avizo軟件的運(yùn)行與對煤樣孔隙結(jié)構(gòu)的分析，需要對其進(jìn)行剪裁；另一方面，通過剪裁可以去掉樣品周圍的空氣部分并剪切成規(guī)則的形狀，從而確保不會因含有無效空隙而影響煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)提取，致使樣品的孔隙度受到影響。

在使用Avizo進(jìn)行孔隙參數(shù)的提取前，首先要分離出孔隙。數(shù)據(jù)體剪裁后選擇中值濾波進(jìn)行過濾，然后采用交互式閾值分割分離出孔隙。交互式閾值是整個分析過程中最重要的步驟之一，調(diào)整好交互式閾值是后期分析孔隙結(jié)構(gòu)的各種參數(shù)的基礎(chǔ)。每個煤樣尺寸不同，切片渲染效果也不完全相同，因此對于每個樣品都需要通過對比其切片圖像調(diào)整交互式閾值，對于coal-1、coal-2、coal-3、coal-4等四個樣品分別將閾值調(diào)整為12411、21466、2560、19600進(jìn)行分割。如圖2是對coal-1的煤樣切片及交互式閾值分割圖像。

圖2 煤樣切片及交互式閾值分割圖像

在對煤樣進(jìn)行交互式閾值分割后，分離出本次研究所需要的孔隙，方便下一步從孔隙結(jié)構(gòu)中分離出連通孔隙與孤立孔隙。本次實驗分別從兩個視角進(jìn)行展示，渲染后的孔隙結(jié)構(gòu)如圖3。

在分離出孔隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用Avizo中的Axis Connectivity運(yùn)算模塊提取出連通孔隙，渲染后的連通孔隙結(jié)構(gòu)如圖4。連通孔隙是樣品中的是氣和水流通的孔隙結(jié)構(gòu)部分，由孔喉結(jié)構(gòu)組成。提取連通孔隙是進(jìn)一步分析孔喉結(jié)構(gòu)特性和煤樣滲透率的關(guān)鍵步驟。研究連通孔隙不論是在通過研究滲透率來幫助分析煤頂板突水的情況，還是對研究礦井內(nèi)瓦斯流動從而進(jìn)一步防治礦井瓦斯方面都有很重要的作用，因此研究連通孔隙的特性具有重要的意義。

下一步在連通孔隙的基礎(chǔ)上運(yùn)用Avizo里的運(yùn)算模塊計算出煤樣的球棍模型，通過調(diào)整孔喉的參數(shù)來展示球棍模型，可供選擇調(diào)整的參數(shù)有體積、面積和等效半徑。本次實驗選擇調(diào)整孔喉的等效半徑，調(diào)整前后的球棍模型如圖5。

孤立孔隙不與外界連通，利用Avizo中的Arithmetic數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊分離出孤立孔隙，渲染后的孤立孔隙結(jié)構(gòu)如圖6。

圖3 煤樣孔隙結(jié)構(gòu)

圖4 煤樣連通孔隙結(jié)構(gòu)

圖5 球棍模型

圖6 煤樣孤立孔隙結(jié)構(gòu)

為了更直觀的看出煤樣中連通孔隙和孤立孔隙各自的分布情況，再運(yùn)用Avizo軟件中的數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊進(jìn)行連通孔隙和孤立孔隙的渲染，將其放到一起展示，并且為了更好地觀察連通孔隙和孤立孔隙的結(jié)構(gòu)分布，增加x-z、y-z視角的渲染圖像如圖7所示，其中紅色孔隙結(jié)構(gòu)部分為連通孔隙，綠色孔隙結(jié)構(gòu)部分為孤立孔隙。

圖7 煤樣孔隙多視角渲染圖像

3 煤樣孔隙參數(shù)的提取與分析

在運(yùn)用Avizo提取出孔隙結(jié)構(gòu)后，下一步進(jìn)行孔隙參數(shù)的提取。

(1) 煤樣孔隙度及所占比例

在使用Avizo提取出孔隙、連通孔隙和孤立孔隙后，即可提取出與之對應(yīng)的孔隙度以及連通孔隙和孤立孔隙在總孔隙中的占比情況，如表1是本次研究的四個煤樣的孔隙度及占比情況。

表1 煤樣孔隙度匯總表

通過以上分析所得的孔隙度發(fā)現(xiàn)，coal-1的連通孔隙度為11.49%，在四個煤樣中最大，且該煤樣的連通孔隙在總孔隙中占比也較高，這表明該煤樣的連通性較好；此外，coal-3的連通孔隙度為4.90%，在四個煤樣中最小，且該煤樣的連通孔隙在總孔隙中占比較低，因此該煤樣的連通性較差。此外，連通性越好的煤樣一般滲透性能也越好，因此，coal-1的滲透性也越好。

(2) 煤樣孔喉結(jié)構(gòu)的參數(shù)提取與分析

提取孔喉結(jié)構(gòu)可以分別得到孔喉的參數(shù)以及配位數(shù)，其中配位數(shù)即一個孔所連接的喉的個數(shù)。通過Avizo對四個煤樣提取孔喉結(jié)構(gòu)，可得coal-1的連通孔隙中有12個孔和21個喉道，coal-2的連通孔隙中有5個孔和5個喉道，coal-3的連通孔隙中有11個孔和23個喉道，coal-4的連通孔隙中有6個孔和8個喉道。本次實驗所分析的四個煤樣的連通孔隙中孔的參數(shù)和配位數(shù)見表2～表5。

另外，為了更直觀地觀察連通孔隙中的孔隙大小與配位數(shù)的變化關(guān)系，繪制出每個煤樣的連通孔隙體積與對應(yīng)的配位數(shù)變化圖像，如圖8～圖11。

表2 coal-1連通孔隙中孔的參數(shù)和配位數(shù)

表3 coal-2連通孔隙中孔的參數(shù)和配位數(shù)

表4 coal-3連通孔隙中孔的參數(shù)和配位數(shù)

表5 coal-4連通孔隙中孔的參數(shù)和配位數(shù)

圖8 coal-1連通孔隙體積變化及配位數(shù)變化圖

圖9 coal-2連通孔隙體積變化及配位數(shù)變化圖

圖10 coal-3連通孔隙體積變化及配位數(shù)變化圖

圖11 coal-4連通孔隙體積變化及配位數(shù)變化圖

從以上所得參數(shù)以及圖表中可以分析出：

四個煤樣中的孔和喉存在數(shù)量差異有兩部分原因，一部分原因可能是由于在分析前剪裁的樣品的體積不是完全相同的，致使其中連通孔隙的數(shù)量存在差異；另一部分原因由于每個樣品的孔隙特性不同導(dǎo)致孔喉個數(shù)的差異。

觀察以上四個煤樣的連通孔隙體積變化圖和對應(yīng)配位數(shù)變化圖像，發(fā)現(xiàn)二者變化的趨勢大致相同。通過對比二者圖像發(fā)現(xiàn)孔的體積越大，對應(yīng)的配位數(shù)一般越大，連接的喉越多，即體積越大的孔隙能夠連接到多個喉道的概率越大。在孔喉結(jié)構(gòu)提取的過程中，對每個孔進(jìn)行編號的作用是可以將煤樣中每個孔的體積與配位數(shù)一一對應(yīng)，方便觀察孔的體積與配位數(shù)的變化關(guān)系。

4 結(jié)論

(1) 在使用Avizo提取孔隙結(jié)構(gòu)時，選擇合適的交互式閾值分割，交互式閾值分割的界面有x-y、x-z、y-z三個界面的選擇，通過選擇發(fā)現(xiàn)，由于Avizo在分析導(dǎo)入的樣品數(shù)據(jù)時把其當(dāng)作一個整體來看，所以不論選擇哪個界面作為主界面，都不影響提取出來的孔隙度、連通孔隙度和孤立孔隙度。只有能提取出連通孔隙的樣品才能提取出球棍模型及孔喉參數(shù)。

(2) 通過使用Avizo提取煤樣中的孔隙結(jié)構(gòu)，再運(yùn)用數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊提取孔隙度、連通孔隙度和孤立孔隙度，觀察連通孔隙在總孔隙中的占比情況，可以知道：在四個煤樣中coal-1的連通孔隙度最大，為11.49%，連通孔隙占比較高，連通性最好，因此滲透性也更好；coal-3的連通孔隙度最小，為4.90%，連通性最差。

(3) 在提取出孔喉參數(shù)后，發(fā)現(xiàn)四個樣品的孔喉數(shù)量存在差異的原因有兩部分，一是每個煤樣本身的孔隙特性不同，二是每個煤樣剪切后的體積不同。

(4) 對比每個煤樣的連通孔隙體積變化圖和對應(yīng)的配位數(shù)變化圖像發(fā)現(xiàn)，煤樣中孔的體積越大，與之對應(yīng)的配位數(shù)一般越大，能夠連接到多個喉道的概率就越大。

(5) 使用CT掃描技術(shù)和Avizo提取煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)，可以得到直觀的、立體的孔隙渲染圖像和球棍模型，還可以通過相應(yīng)的運(yùn)算模塊計算出孔隙的相關(guān)參數(shù)，有助于從微觀層面上分析煤巖的孔隙特性，幫助分析煤層的組成成分，為防治礦井災(zāi)害提供理論支持，進(jìn)一步提高煤礦領(lǐng)域的生產(chǎn)作業(yè)的安全性。