張良飛

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 官地礦， 山西 太原 030022)

CT即電子計(jì)算機(jī)斷層掃描儀器，自X射線被發(fā)現(xiàn)后，醫(yī)學(xué)上就開(kāi)始用它來(lái)檢測(cè)人體病變。現(xiàn)在，基于X射線的醫(yī)用CT機(jī)已經(jīng)發(fā)展到了第五代，不僅成像時(shí)間短，而且層數(shù)多、分辨率高，最主要的是成像物質(zhì)可為動(dòng)態(tài)，提高了圖像成像質(zhì)量。工業(yè)CT是電子計(jì)算機(jī)斷層掃描在工業(yè)方面的應(yīng)用，被國(guó)際公認(rèn)為最佳無(wú)損傷檢測(cè)和無(wú)損傷評(píng)估技術(shù)，大量應(yīng)用于工業(yè)部件內(nèi)部損傷探查、在線部件實(shí)時(shí)檢測(cè)以及彈藥、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等類型部件的無(wú)損檢測(cè)。近年來(lái)，工業(yè)CT也逐漸應(yīng)用到煤巖體微觀結(jié)構(gòu)研究中，為煤巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究、損傷模型確立提供了一種手段[1-2].

蔡太義等[3]對(duì)土壤孔隙微結(jié)構(gòu)特征的CT研究表明，顯微CT成像技術(shù)可以很好的用來(lái)表征物質(zhì)的微觀孔隙變化；賈小寶等[4]的研究表明CT成像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同煤體結(jié)構(gòu)煤中孔裂隙系統(tǒng)的三維可視化精細(xì)定量描述，定量分析不同煤種滲透性能的差異性；王登科等[5]的CT掃描結(jié)果顯示，溫度沖擊后煤體內(nèi)部裂隙擴(kuò)展伸長(zhǎng)、加寬，并萌生新裂隙，裂隙寬度顯著增加。這些研究均表明，CT掃描成像作為一種新的研究煤巖體內(nèi)部孔裂隙的手段，效果良好。本文基于前人研究[6-7]，利用CT成像技術(shù)，對(duì)采用了液態(tài)二氧化碳預(yù)裂爆破技術(shù)后不同區(qū)域的煤體CT掃描成像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，對(duì)其爆破效果進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 CT成像原理

CT成像技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)重建，將某一材料一定位置處一定厚度的密度信息以電子數(shù)字圖像的形式高清晰度地顯示出來(lái)。當(dāng)發(fā)射器發(fā)出的X射線經(jīng)過(guò)材料后，由于不同位置處材料密度不同，所以透射過(guò)的X射線所具有的能量就不同，根據(jù)探測(cè)器上不同透射方向上、材料不同位置處的X射線衰減系數(shù)，可得到不同的數(shù)字矩陣，然后通過(guò)模擬轉(zhuǎn)換器，將這些矩陣中的不同數(shù)字轉(zhuǎn)換為不同灰度的黑白方塊，也就是像素，并且根據(jù)原先的排列呈現(xiàn)出來(lái)，得到CT重建圖像。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

該次實(shí)驗(yàn)圖像成像采用太原理工大學(xué)高精度微焦點(diǎn)顯微CT系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由發(fā)射X射線的X光機(jī)、接受X射線的平板探測(cè)器、高精度高控制載物機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)、數(shù)據(jù)采集和圖像處理的電子學(xué)系統(tǒng)組成。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可觀測(cè)直徑1～50 mm的試件，放大倍數(shù)為1～400倍，可以分辨出0.5 um的孔裂隙，同時(shí)具有精度<0.01 mm的高定位精度轉(zhuǎn)臺(tái)，重建時(shí)間1 min的快速圖像成像電子系統(tǒng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，通過(guò)對(duì)距預(yù)裂孔不同位置處煤體孔裂隙的演變情況反應(yīng)爆破影響范圍。

1) 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。

液態(tài)二氧化碳預(yù)裂爆破后，距預(yù)裂孔不同位置處煤體破壞情況即裂隙成型情況肯定不同。采用距預(yù)裂孔不同位置處煤體孔裂隙像素占比來(lái)反應(yīng)孔隙率，研究液態(tài)二氧化碳預(yù)裂爆破后裂隙的演變情況。煤樣CT掃描原圖見(jiàn)圖1a)，采用Photoshop首先對(duì)其固定位置固定半徑范圍進(jìn)行截圖，所截圖像為31 428像素，然后設(shè)定一個(gè)孔裂隙色階閾值，最后求出該閾值下色階總像素與圖像總像素的比值。photoshop處理流程見(jiàn)圖1. 西山煤電集團(tuán)官地礦2#煤層孔隙率在6%作用，色階閾值設(shè)定為9，此時(shí)未預(yù)裂孔孔裂隙率在10%左右，因?yàn)殂@孔、取樣等對(duì)樣品有影響。

圖1 photoshop處理流程圖

2) 實(shí)驗(yàn)煤樣選取。

結(jié)合液態(tài)二氧化碳預(yù)裂爆破現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)工程地質(zhì)條件，爆破影響范圍在4～6 m，所以首先在官地礦22613工作面正巷6#孔預(yù)裂爆破后，從與其相鄰的孔間距分別為5 m、6 m的5#、7#孔內(nèi)距孔口15 m、25 m處取煤樣進(jìn)行CT掃描成像，并分析裂隙演變情況，然后根據(jù)結(jié)果進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。5#、7#孔預(yù)裂結(jié)果顯示孔裂隙占比分別為14%、10%，表明距爆破孔5 m處裂紋稍微有點(diǎn)變化，而6 m處則無(wú)變化，所以猜測(cè)該條件下的影響范圍應(yīng)該在4 m、5 m范圍內(nèi)，并且設(shè)計(jì)該礦22612工作面正巷孔間距為4 m，單號(hào)孔爆破預(yù)裂，從未預(yù)裂的20#、30#、40#、50#、60#孔內(nèi)取樣分析。煤樣取樣位置圖見(jiàn)圖2.

圖2 煤樣取樣位置圖

2 CT掃描結(jié)果分析

統(tǒng)計(jì)分析CT原圖見(jiàn)圖3，統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，圖4. 該方法雖不是從具體的、實(shí)際的孔裂隙變化去分析問(wèn)題，但是通過(guò)一些條件的設(shè)定，也可反應(yīng)裂隙演變情況。

圖3 距爆破孔4 m處CT原圖

距預(yù)裂孔4 m、5 m、6 m處煤樣第600、800、1000切片孔裂隙像素見(jiàn)表1，因?yàn)閳D片為固定大小，所以總像素為固定值，即31 428，通過(guò)孔裂隙像素與總像素的比值，從宏觀上對(duì)微觀裂隙進(jìn)行研究。從表1中可以看出，在色階閾值為9時(shí)，未采取液態(tài)二氧化碳爆破技術(shù)的煤樣，孔裂隙像素在3 000上下浮動(dòng)，占總像素的比值也就是煤樣孔裂隙率在10%上下波動(dòng)，這個(gè)比值就是該次實(shí)驗(yàn)假定的原始煤層孔隙率，之所以定為10%是因?yàn)樵诖蜚@和取樣的過(guò)程中難免會(huì)對(duì)煤樣造成破壞，再結(jié)合前人對(duì)孔裂隙色階的研究和該次實(shí)驗(yàn)煤樣地質(zhì)資料中的孔隙率，定為10%是較合理的，即色階閾值調(diào)為9是非常正確的。

表1 CT圖像處理數(shù)據(jù)表

圖4 CT圖像處理柱狀圖

從表1，圖4可以看出，采取液態(tài)二氧化碳預(yù)裂爆破后，在距預(yù)裂孔6 m位置處的煤樣，孔裂隙像素皆很接近3 000，比值在10%左右，與原始煤層孔裂隙率基本一致。這表明在這個(gè)范圍內(nèi)，煤體受預(yù)裂爆破的影響非常小或者說(shuō)沒(méi)有影響；而在距預(yù)裂孔5 m位置處的煤樣，孔裂隙像素增加到了4 000以上，比值約為13%，比原始煤層孔裂隙率增加了3%左右，這表明在該范圍處的煤體受到了爆破的影響，但影響程度較?。辉诰囝A(yù)裂孔4 m位置處的煤樣，孔裂隙像素增加到了6 000多，比值在20%左右，比原始煤層的10%大了許多，這充分說(shuō)明該范圍處的煤層，裂隙得到了很好的擴(kuò)展。所以，液態(tài)二氧化碳預(yù)裂爆破影響范圍有4 m之外，且4 m范圍內(nèi)裂隙擴(kuò)展非常明顯。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)距預(yù)裂孔不同位置處的煤樣進(jìn)行CT掃描成像分析，得到在距預(yù)裂孔5 m位置處，孔裂隙像素占比增加3%左右；在距預(yù)裂孔4 m位置處，孔裂隙像素占比增加10%左右，孔裂隙增加了1倍.表明采用了液態(tài)CO2預(yù)裂爆破技術(shù)后，在距預(yù)裂孔4 m范圍內(nèi)的煤體裂隙得到了充分發(fā)育，為礦井瓦斯抽采提供依據(jù)，確保了安全生產(chǎn)。