基于CT扫描的煤岩裂隙特征分析

马尚权，王科迪，许育铭

(华北科技学院，北京 东燕郊 101600)

基于CT扫描的煤岩裂隙特征分析

马尚权，王科迪，许育铭

(华北科技学院，北京 东燕郊 101600)

本文通过实验研究，对煤样进行CT扫描，研究了煤岩裂隙的发育情况。同时应用Matlab对实验得到的CT图像进行处理，其中包括Canny算子边缘检测、图像二值化处理，使图像特征更加明显。利用盒维数法，定量化的描述煤岩裂隙的发育情况。通过对煤裂隙系统的分形特征在二维空间进行精确描述，得出1号煤样与2号煤样不同断面分形维数特征，找出了煤样图片数据中裂隙发育最为复杂的断面。

CT扫描；图像处理；分形维数

0 引言

煤储层是一种非连续、非均质、各向异性体，是由宏观裂隙、显微裂隙和煤岩基质块中的孔隙组成的三元孔、裂隙介质，其孔、裂隙结构直接影响煤层气的吸附和渗流。利用 X 射线工业CT扫描系统在静态下对煤岩心不同断面进行扫描，利用图像分割及边缘检测提取煤岩CT图像细观裂隙(割理)的整体与各向异性特征，利用分形理论计算相应的煤岩总体与各个方向占优的孔隙度、分形维数，从而给出煤岩的细观裂隙系统结构的全面、精细的描述。由此得出的煤岩各向异性孔隙度、分维数等参数，可以作为煤岩细观裂隙系统的渗透率张量随机模拟的出发点，对认识煤储层瓦斯渗流机理具有重要意义。煤储层孔隙结构特征的研究方法主要有毛细管压力法、扫描电镜法、原子力显微镜及 CT 扫描法等。CT 扫描法又叫层析成像法，是利用射线源(χ射线或γ射线)在被检测物体无损状态下从多个方向以扫描方式透射被测物体的断层，并把扫描断面以二维灰度图像形式表现出来的一种新型检测技术。与常规实验研究方法相比，CT扫描能给出与试件材料、几何结构、组分及密度特性相对应的断层图像，具有成像直观、分辨率高、不受试件结构限制的优点。人们利用工业 CT 对煤储层多孔介质结构开展了许多研究工作。

1 工业CT的基本原理

工业CT是采用计算机断层扫描技术对产品进行无损检测(NDT)和无损评价(NDE)的最佳手段，ICT技术能准确地再现物体内部的三维立体结构，能够定量地提供物体内部的物理、力学等特性，如缺陷的位置及尺寸、密度的变化及水平、异型的形状及精确尺寸，物体内部的杂志及分布等。工业CT技术广泛应用于兵器工业、汽车、造船、钢铁、石油钻探、精密机械、管道、地质、考古、安检等行业[1]。

工业CT机一般由射线源、机械扫描系统、探测器系统、计算机系统和屏蔽设施等部分组成。射线源提供CT扫描成象的能量线束用以穿透试件，探测器测量射线透过物体的强度变化(即探测器计数和的变化)，然后输入计算机，通过CT图像重建运算，重组出被检测部位的横断面图像，即获得该层上下无重叠、对比度很高的清晰图像[2]。煤样CT的图像处理包括煤样的制备、CT图像数据的获得以及图像处理三个部分[3]。

2 煤样CT图像处理

2.1 煤样的制备

本文使用煤样取自峰峰集团大淑村矿，按照GB/T23561.1-2009煤和岩石物理力学性质测定方法国家标准中煤岩采样的一般办法，在井下工作面煤壁处选取完整性较好，未风化的代表性煤块，并将煤块用塑料膜包裹，锯末隔离装箱从而避免运输过程煤块的破损和损伤。在实验室用标准的煤样钻孔取样机获得直径50mm的煤样(图1)，然后用磨轮机将煤样上下两端切割成平整的表面并用砂纸进行进一步打磨处理。获得标准样后对煤样进行标号。

图1 实验中使用的原煤样

本实验使用的煤样尺寸如表1：

表1 型煤的尺寸

2.2 实验装置

本实验采用太原理工大学采用的工业CT(图2)是中国工程物理研究院应用电子研究所在太原理工大学矿业工程学院于2007年8月调试安装完成的225kv显微CT系统(μCT225FCB)本系统由以下部分组成：(1)225kv微焦X光机(Directional型靶)、(2)PaxScan430A数字平板探测器、(3)精密机械平台(系统总装图见图2)[4]。

图2 225kv显微CT系统

2.3 CT图像数据的获取

本文通过图像增强技术与区域分割得出需要的部分进行分析。工业CT扫描获得图像数据的结果如图所示(图3)。

图3 工业CT 扫描数据

2.4 CT图像Canny算子边缘检测

本文通过图像增强技术与区域分割对实验所需部分进行分析。CT扫描获得图像数据的结果如图所示(图4)Canny算子进行边缘检测的方法是寻找图像梯度的局部极大值，梯度是用高斯滤波器的导数计算的[5]。它使用两个阀值来分别检测边缘何弱边缘，而且仅当弱边缘与强边缘相连时，弱边缘才会包含在输出中[6]。所以这种方法不轻易受到噪声的干扰，能够检测到真正的弱边缘(图4)。

3 分形理论与计算

设F是平面上的一个有界点集，包含在一个

图4 canny算子进行边缘检测效果

矩形之中，将这个矩形分割成若干个边长为ε的小方格，于是必有某些小方格内包含F中的点，记包含F中点的小方格总数为N()，然后不断改变尺度ε，求出相应的N()，由此得到一系列的ε-N()对应值[7]，定义容量维为：

3.1 对图像数据进行二值化处理

二值形态学中的运算对象是集合，也是二值矩阵，但在实际上的涉及两个二值矩阵时，并不把它们看做是对策的，通常设A为图像矩阵，B为结构元素矩阵，数学形态运算是用B对A进行操作[8]。实际上，机构元素本身也是一个矩阵。我们对每个结构元素矩阵指定一个原点，在MATLAB中称做中心像素，它是结构元素参与形态运算的参考点。图像的二值处理结果如下图所示(图5)。

图5 二值图像处理结果

3.2 分维计算

处理后的不同时刻裂纹素描图尺寸为160×160 mm，盒维数实际求测过程中，结合素描图，依次按80×80 mm、40×40 mm、20×20 mm、10×10 mm划分为若干个小网格，即依次将网格变长对半分割，细化为越来越密的正方形网格(图6)，统计不同尺度ε下，裂纹迹线穿过的网格数N()，在N()和ε的双对数坐标上回归直线的斜率，即为盒维数D。分维计算结果见下表(表2、表3)。

图6 盒维数法网格划分图

经盒维数法对获得的煤样细微裂纹的图像数据进行计算，得到1、2号煤样断裂面纹理的总体分形维数D(见表2、表3)，平面曲线的分形维数是介于1和2之间的分数。由于平面分形维数的几何意义可得，分形维数越接近于2，煤岩石的裂隙越复杂，孔隙分布越发达。表中分形维数值说明该煤岩具有良好的分形几何结构。

表2 1号煤样分维值结果表

表3 2号煤样分维值计算结果表

4 结论

(1) 盒维数法对图像数据分形维数的获取实现了对煤样细微裂隙观测的定量化手段。

(2) 1号煤样的分形维数总体大于2号煤样，表明1号煤样孔隙发育程度较高，孔隙分布的非均匀性较强。

(3) 1号煤样分形维数最大值出现在第4个断面处、2号煤样分形维数最大值出现在6号断面处，两个煤样分形维数最小值均出现在第3个断面，各个断面分形维数的不同说明煤层空间结构的非均质性，即煤储层空间分布的孔隙发育程度及均匀程度不同。

(4) 选取不同煤样，扫描断面的分形维数存在差异，取自同一煤样的不同断面分形维数也不相同。利用盒维数法与Canny算子边缘检测对工业CT扫描获取图片数据进行分析，可以对煤裂隙系统的分形特征在二维空间进行精确描述。

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Analysis of the Coal-rock Fracture Image Characteristics Based on CT Scan

MA Shang-quan, WANG Ke-di，XU Yu-ming

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China)

With experimental research, this paper examines the coal fracture development situation by the CT scanning of the coal sample. The CT images obtained from experiment are dealt with Matlab at the same time, including the Canny operator edge detection and image binaryzation, to make the image more obvious. The box dimension method is used to descript the development situation of coal fracture quantitatively. With the precise description of the coal fractal characteristics of fissure system in 2D space, the fractal dimension character of different sections between No.1 and No.2 coal sample are obtained, so that the section of the most complicated fracture development is found in coal sample image data.

CT scanning; image processing; fractal dimension

2016-04-10

中央高校基本科研业务费资助(3142014113)

马尚权(1968-)，男，山西大同人，博士，教授，华北科技学院教务处处长，研究方向：安全工程。E-mail：2812102845@qq.com

TU452

A

1672-7169(2016)03-0107-04