热解无烟煤三维裂隙重构及定量表征研究

王 勇，孟巧荣，高 力，张永锋

(太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024)

无烟煤是一种煤化程度高、固定碳含量高、挥发成分低，成形速度慢的优质煤。随着智能化开采技术的进步，无烟煤埋藏浅层的煤炭资源日益减少，开发利用逐渐向埋藏深煤层方向发展。深层无烟煤受到多场耦合的影响，具有“三高一低”的地质特征。这一特征不仅严重影响了无烟煤的开采，而且限制了其共生资源煤层气的抽采。研究表明，无烟煤不仅储量丰富，而且蕴藏丰富的煤层气资源。无烟煤中孔裂隙用于煤层气运移，其孔隙的空间连通性和发育状况影响着煤层气的渗透性。为了能够解决深部煤层资源绿色开发和最大化利用问题，目前主要的开采手段有煤气共采技术、煤气化开采技术及其注热增渗技术。通过温度可以改变煤层中孔裂隙的渗透性，从而提高煤层气的抽采率，因此开展热解无烟煤三维孔裂隙定量表征研究对注热增渗提高煤层气抽采具有重要的现实意义。

许多国内外学者运用压汞法、液氮吸附法及CT法对煤岩孔裂隙参数表征进行了多层次研究。由于CT能够进行无损检测，现被广泛运用于矿业及地质等领域的研究。其中基于CT扫描技术，付裕等[1]分析了煤岩内部裂隙结构发育状况，得出裂隙数量随着直径的增大而减小。马尚权等[2]利用分形维数对煤岩裂隙二维空间进行了分析，得出分形维数越大煤岩裂隙发育越发达且分形维数值越趋于2.金智敏等[3]利用MATLAB对煤岩CT图进行了处理，得出孔隙直径主要分布在0.1～0.2 μm且随着直径的增大孔隙数减少。李相臣等[4]通过CT值分布对煤岩孔裂隙空间分布进行了定性描述。MAYO et al[5]对煤中渗透率进行了研究并分析了所含气体的扩散情况。传统实验法对煤岩裂隙分布发育状况表征在三维空间测试上有局限，不能够精准描述裂隙三维空间孔裂隙渗透特性。随着计算机可视化技术的兴起，基于CT图像及其可视化数值模型分析技术对煤岩孔裂隙结构进行三维重构分析方法被广泛应用。王登科等[6]通过VG Studio Max可视化技术对不同受载作用下煤岩裂隙发育状况进行研究。王刚等[7]、张平等[8]运用CT三维重构技术对煤岩裂隙进行了三维构建，分析了煤岩内部孔裂隙的空间分布规律，研究表明一般条件下孔隙率与渗透率呈正比。ZHANG et al[9]利用可视化技术对煤岩孔隙网络进行构建，分析了孔隙度与渗透率的关系。陈彦君等[10]、熊健等[11]借助AVIZO可视化软件对煤岩孔裂隙进行了重构，并对三维裂隙结构进行了表征。BAUER et al[12]、ZHANG et al[13]、PENG et al[14]构建了三维裂隙网络，并进行了定量分析。冯子军等[15]对在热力耦合条件下无烟煤渗透率进行了分析研究。已有学者运用CT可视化技术对煤岩渗透结构进行了系统评价，其研究成果对煤岩孔裂隙的空间分布和定量分析有重要作用，并为煤岩微细观结构研究奠定了基础。但是，目前通过该技术对热解作用下无烟煤三维孔裂隙定量表征鲜有研究。

本文利用高精度μCT225 kVFCB显微系统对热解条件下的晋城无烟煤进行了实时扫描，采用三维可视化技术，实现煤样的三维重构。利用由裂隙矢量面确定的裂隙三维特征参数(长、宽、高)，定量地描述裂缝的空间分布和演化，并研究了裂隙体积、等效直径等变量与温度的关系，探究了热解作用下晋城无烟煤内部的微细观结构随温度演化规律，为晋城无烟煤提高煤层气的注热增渗率提供了理论依据。

1 实验设备与过程

1.1 煤样制备

实验煤样取至晋城矿区无烟煤，在太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室对煤样进行制备。用钻孔取样机对大块煤样进行加工，该取样机可获取圆柱煤岩试样直径范围为Φ5～10 mm，煤样最大长度为60 mm.将块煤固定在钻孔机拖台上，选用Φ7 mm的钻头钻取圆柱体煤样，再通过切割机将Φ7 mm圆柱体进行切高工序，为了保证煤岩试样的使用性能，在对煤芯切高时，留有2 mm余量，总高为12 mm.最后利用端面磨石机对2 mm余量进行研磨，制成Φ7 mm×10 mm的圆柱试样。

1.2 实验设备

本文采用太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室的μCT225 kVFCB型高精度CT扫描试验系统[16]，如图1所示。该系统扫描参数：空间最小扫描分辨率0.485 μm，电流75 μA，电压60 kV，扫描速率3 s/幅。对Φ7 mm×10 mm的晋城无烟煤煤样进行了扫描，得到灰度图像1 500幅，单层大小15.8 MB，像素分辨率2 041×2 041.

图1 μCT225 kVFCB型高精度CT实验系统

煤样试件的热解试验，采用自主研制的高温气氛炉进行加热。该装置主要由加热底盘、旋转托架及调位支柱3部分组成。主要参数：炉膛20 mm×80 mm，功率300 W，升温速率10 ℃/min，精度范围-1 ℃～+1 ℃.气氛炉与CT扫描系统相结合，煤样置于气氛炉中央，将炉固定在旋转托架上，通过旋转托架与调位支柱对气氛炉的位置进行调节，气氛炉与CT机装配位置，如图2所示。

图2 加热时CT机和高温气氛炉位置图

1.3 试验过程

本实验温度段为常温到600 ℃(7个加热温度)，实验主要过程为试样固定—加热—CT扫描。具体操作步骤如下。

1) 卡盘固定：将制备完封存的煤样取出，放入直径为10 mm石英管。用具有优异耐温胶密封管口，待胶凝固。将石英管装载至CT机固定台，三爪卡盘进行固定。

2) CT扫描：固定完成，设置CT扫描参数。其中扫描电流75 μA，电压60 kV，帧频1 fps，帧数2，设置结束对常温煤样进行初次扫描。

3) 高温气氛炉加热：初次扫描结束后，调节高温气氛炉位置，将煤样置于加热炉膛的中心,进行充气，当氩气注入完成，以10 ℃/min升温速率进行加热。当温度达到100 ℃，停止加热设定半小时恒温时间，保温结束经自然冷却，CT扫描。

4)不同温度煤样扫描：重复步骤3)，对其余5个温度煤样依次进行加热—恒温—冷却—扫描。

5) 扫描结束：除常温不需要加热外，其余6个温度重复步骤3)和4)，直至扫描结束。

2 三维裂隙可视化及定量分析

2.1 三维裂隙重构定量分析

经过CT扫描系统得到的图像不能够反映煤样内部结构演化特征，所以为了能准确地研究煤样内部裂隙结构在热解作用下的发育规律并进行定量分析，利用三维可视化软件AVIZO对CT图像进行处理，建立煤样内部孔裂隙三维网络模型。对煤样扫描后，不同的物质所对应的灰度值不同，孔裂隙灰度值较小，如图3所示。

图3 煤样CT灰度图

从图3中可以看出，煤中不同物质具有不同的灰度值。在此基础上，提出了一种基于分水岭阈值分割的方法，该方法对煤样中孔裂隙与煤基质进行分割，并得出了最优分割值28.93，分割结果如图4所示。

图4 分水岭分割结果

利用Non-Local Means算法对CT图像进行滤波，提取煤样的孔裂隙结构，研究煤样在高温热解作用下的三维孔隙发育情况。在三维孔裂隙结构中，由于裂隙各向异性，其几何参数不易直接测量，所以在三维孔裂隙结构研究中利用与裂隙体积相等的球体直径定义为裂隙的等效直径[17]，其计算公式如下：

(1)

式中：Deq为等效直径，μm；VF为裂隙体积，μm3.

在7个温度作用下，扫描后的三维裂隙网络重建结果如图5所示。

从图5(a)可以看出，在常温下，只有1条微裂隙，等效直径为101.6 μm，且裂隙体积为5.5×105μm3；100 ℃时煤样处于脱水脱气阶段，温度对孔裂隙结构变化的影响称之热破裂。因受到热破裂作用，原先微裂隙扩展发育直径变大，体积增加同时伴随着新裂隙的产生,裂隙数量增加(如图5(b)所示)；200 ℃煤样热解反应开始，原始裂隙发育剧烈，同比增长率0.9；渗流裂隙产生，裂隙数量为11条，最大等效直径729.566 μm，体积为2.17×108μm3(如图5(c)所示)；300 ℃～600 ℃时，图5(d)中渗流裂隙不断发育，体积呈上升趋势；热破裂作用下，300 ℃时等效直径300 μm以下裂隙数量为5，随着温度升高，该尺度下裂隙数减少，裂隙体积增加；体积微裂隙空间扩展延伸与红色大裂隙形成一条连通的裂隙，如图5(g)所示，等效直径增加到1 456.1 μm，体积为1.60×109μm3，为煤层气的高效抽采提供了有效的运移通道。

图5 三维裂隙参数随温度演化规律

由此可知，在热解作用下，煤样内部裂隙结构一直在发育连通，当温度达到600 ℃时，形成连通的渗流裂隙网络，同时伴随着新生裂隙的产生。由图5(a)-(g)可以看出，原生微裂隙存在于煤样边缘，随着温度的升高，原生裂隙延伸发育呈“板条”状，热解作用下新生裂隙边缘发育较为明显，可以预测裂隙由外向内衍生，发育纵横交错，分布复杂。从裂隙等效直径可以明确得出，在300 ℃时大裂隙数量增加，总的裂隙数量减少，煤样中裂隙融合贯通形成大的裂隙；因此可以预测煤样在热破裂作用下无烟煤裂隙发育以扩展为主，而在300 ℃以后，裂隙等效直径持续增长，体积变大，且裂隙数量也呈上升趋势，故可以预测煤样在热解作用下，其内部孔裂隙结构扩展同时伴随着新生裂隙的产生。

2.2 三维单裂面数值模型建立

裂隙几何尺寸是煤层气扩散渗透的一个指标，裂隙的长、宽、深代表其空间发育尺度，三者的积与渗透率成正相关关系,而主裂隙面的矢量则代表着裂隙的发展方向。孔-裂隙结构及独立裂隙空间相互延展连通，构成了三维裂隙网络，因此裂隙的连通性是衡量渗透性优劣的另一指标。根据裂隙三维几何参数、倾斜角及其连通性对煤样裂隙结构进行量化表征。为了能够准确说明煤样裂隙面之间的贯通关系，基于AVIZO三维可视化技术，对三维裂隙面进行网格划分，利用裂隙面点云法，建立主裂隙面，并在球坐标系下对点进行测量，如图6所示。其中图6(a)方位角θ与天顶角φ的测量方向分别为沿逆时针方向与从上到下顺时针方向。P为所建立的主裂隙面，AB为主裂隙面上的最长径；图6(b)为主裂隙面所建立数值模型面。

图6 主裂隙面数值模型

本文研究长度L>1 000 μm单裂隙的空间演化规律，常温与100 ℃下不存在该尺度的单裂隙，因此，单裂隙空间演化从200 ℃开始分析。 图7为不同温度下单裂隙提取。由图7可知受温度作用，200 ℃时，煤样内部结构发生变化，产生长度L>1 000 μm的3条裂隙，随着温度的升高裂隙1，裂隙3空间体积增大，长度增加，新的裂隙不断与其贯通；裂隙1不断的延伸扩张，裂隙3层理和面割理相互垂直，形成贯通网络；由于裂隙结构不同，裂隙2近似垂直煤样层理，在低温下发育剧烈，300 ℃开始，由于热解反应的发生，裂隙2有裂解现象，主裂隙面上的次生裂隙变少。

图7 单裂隙空间演化规律

主裂隙面的确定，用于表征裂隙在不同温度作用下裂隙空间位置及张量的变化。表1为单裂隙主裂隙面矢量统计。由表1可知，不同温度作用下，裂隙1主裂隙面角的变化范围为305.83°～345.51°；裂隙2的主裂隙面角的变化350.38°～354.37°，裂隙3的主裂隙面角没有发生变化，其次生裂隙发育较为剧烈。因此，不同单裂隙的主裂隙面空间位置变化不大，主要发育为层理扩张与次生裂隙，600 ℃时，次生裂隙与主裂隙相互贯通形成渗透性较好的网络。

2.3 不同温度下等效直径最大裂隙演化定量分析

本文研究的目的是热解作用下，煤样内部裂隙几何结构变化，从而预测煤层渗透性。根据霍多特[18]对裂隙的划分，直径大于100 μm属于渗透裂隙。基于煤样三维裂隙，对其三维几何参数特性参数(L、B、D)进行了提取，其三维示意如图8所示。

对不同温度下等效直径最大单裂隙随温度的发育演化进行量化分析，如图9所示。从图9(a)可以看出，不同温度下最大裂隙等效直径尺度变化范围为101.600 μm～1 456.100 μm，200 ℃时煤样内部裂隙发生聚变，产生等效直径为652.270 μm的大裂隙，且随着温度的升高裂隙等效直径呈上升趋势。由图9(b)可得，随着温度的升高，裂隙沿层理方向发育最为剧烈；且在300 ℃与600 ℃时，裂隙空间长、宽、深发育差值Δl最大；图9表明在20 ℃和100 ℃时，等效直径较小属微裂隙，裂隙几何尺度均匀，空间位置小；200 ℃时，最大裂隙为裂隙2且开始发育，扩展长度L占煤样直径48%，径向方向扩展深度D为813.080 μm；且随着温度的上升裂隙沿割理方向发育缓慢。综合单裂隙提取可知，空间裂隙在层理方向属于延伸扩展型发育，而在割理方向属于突变型发育，从200 ℃到600 ℃，同一裂隙割理方向裂隙深度延伸增量40.140 μm.在200 ℃之前裂隙主要由热破裂作用所致，裂隙空间发育平缓，长、宽、深变化细微。300 ℃开始，裂隙产生主要致裂因素为热解，最大裂隙为裂隙1长度增量134.872 μm；宽度与常温相比同期增长率为18%，渗透率增加。温度600 ℃时，裂隙长、宽、深三个方向的发育开度达到最大，裂隙与裂隙相互连通，形成裂隙网络，渗透性最好。

表1 单裂隙主裂隙面矢量统计

图8 三维几何特征参数示意图

图9 (a) 不同温度下最大等效直径随温度变化曲线；(b) 最大等效直径单裂隙三维几何参数随温度的变化曲线

3 三维渗透裂隙定量分析

基于三维裂隙网络的构建，对煤样渗透裂隙进行了提取。上述分析表明在不同温度下，裂隙沿层理发育较快，故根据长度L可将裂隙类别分为3类：1 μm

图10 不同类型裂隙数量随温度演化规律

4 结论

基于AVIZO三维可视化重构技术，对无烟煤内部裂隙结构进行了三维重构，通过对裂隙的三维几何参数统计分析，得出如下结论：

1) 通过对无烟煤煤样裂隙三维可视化重构，精准描述了裂隙空间几何分布特征。可知，长度L>1 000 μm裂隙主要分布在煤样的边缘，随着温度的升高裂隙开始延伸扩展并伴随着新裂隙的产生。

2) 不同温度阶段，对煤样裂隙发育的影响也不同。300 ℃之前，裂隙发育主要为热破裂引起，对裂隙2发育影响较大，主要沿层理、割理扩展延伸为主；随着温度的升高，裂隙2发生裂解现象，裂隙1、3受热解作用，发育主要为次生裂隙的衍生及贯通，在600 ℃时，形成等效直径为1 456.1 μm的裂隙网络，渗透性最好。

3) 不同温度下，煤样内部裂隙总共分为三类。其中1 μm