屈 晶 申 建 韓 磊 季長(zhǎng)江 程慧杰

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院3. 國(guó)家能源煤與煤層氣共采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

煤層中裂隙作為煤層氣主要的滲流通道，深刻影響到煤層氣的解吸、擴(kuò)散、滲流、產(chǎn)出等特征，其精細(xì)表征對(duì)于煤層氣的勘探開發(fā)具有重要意義[1-4]。壓汞法[5-13]、氣體吸附法[8-16]及掃描電鏡法[8-9,11-12,17]等方法被大量用于煤中孔裂隙研究。然而，前兩者對(duì)樣品體積有著嚴(yán)格要求，無(wú)法準(zhǔn)確描述多尺度發(fā)育裂隙的直觀形態(tài)與產(chǎn)狀，掃描電鏡法等光學(xué)方法則只能對(duì)樣品表面特定區(qū)域的裂隙進(jìn)行研究，識(shí)別尺度有限且無(wú)法進(jìn)行三維透視表征[18-20]。

計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT）因其無(wú)損、三維可視化、計(jì)算能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外裂隙測(cè)量和表征中被廣泛使用。蔣長(zhǎng)寶等[21]通過(guò)對(duì)飽水前樣品、飽水后樣品以及飽水后干燥樣品進(jìn)行CT掃描，通過(guò)最大球算法提取孔裂隙等價(jià)網(wǎng)絡(luò)模型，提出飽水和飽水后干燥處理均提高了孔裂隙體積。宋黨育等[2,19]通過(guò)CT技術(shù)與壓汞法對(duì)煤樣的孔裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，認(rèn)為CT掃描的結(jié)果更為準(zhǔn)確。賈小寶等[22]通過(guò)微焦點(diǎn)CT定量分析了不同煤體結(jié)構(gòu)煤的孔裂隙特征。王登科等[23-24]通過(guò)CT掃描，研究了受載煤樣的裂隙演化及滲流特征。Han等[25]通過(guò)CT掃描技術(shù)測(cè)定了不同尺度下不同宏觀煤巖類型中裂隙的幾何參數(shù)并建立了裂隙的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型。Jing等[26-29]通過(guò)CT掃描灰度差異，將其分為亮色條帶（富鏡質(zhì)組）和暗色條帶（富惰質(zhì)組），建立了隨機(jī)數(shù)字煤模型，研究了煤中裂隙礦物充填程度對(duì)滲透率的影響。Yao等[30]分析了煤中礦物、孔裂隙、煤基質(zhì)的CT數(shù)，對(duì)裂隙的孔徑、間距、空間分布及礦物形態(tài)進(jìn)行定量表征，指出通過(guò)CT技術(shù)測(cè)出的孔隙度與氣測(cè)孔隙度具有較好的相關(guān)性。

Zhong等[31]統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)煤礦中裂隙發(fā)育情況，提出裂隙密度自鏡煤、亮煤、暗煤到絲炭依次減小。Han等[25]基于CT技術(shù)劃分不同宏觀煤巖類型，提出相較于半亮煤和半暗煤，光亮煤中裂隙開度、裂隙孔隙度、分型維數(shù)等均較高，且隨著樣品體積的減小，裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育程度降低。胡咤咤等[32]借助掃描電鏡顯微裂隙分析、熒光顯微鏡顯微裂隙統(tǒng)計(jì)、X射線衍射分析等手段，提出沁水盆地南部顯微裂隙發(fā)育，常見(jiàn)張性裂隙、堿性裂隙，通常發(fā)育于鏡質(zhì)組中，裂隙密度隨變質(zhì)程度的升高呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

基于CT掃描巖石學(xué)組成及裂隙表征主要通過(guò)灰度數(shù)據(jù)閾值分割獲取。然而，由于巖石學(xué)組成不同，裂隙與煤基質(zhì)的灰度差異往往較小，準(zhǔn)確界定裂隙極具挑戰(zhàn)性，尤其是接近圖像分辨率極限的裂隙和宏觀煤巖組分。因此，亟需建立一種適宜的煤巖石學(xué)類型劃分及裂隙與煤基質(zhì)間灰度差異的方法。前人[33-35]研究發(fā)現(xiàn)加入造影劑后裂隙灰度得到增強(qiáng)，能有效地突出裂隙?；诖耍P者利用CT掃描技術(shù)對(duì)比飽和造影劑溶液前后樣品的圖像特征，根據(jù)不同宏觀煤巖組分灰度值之間的差異，分析不同宏觀煤巖組分及宏觀煤巖類型中裂隙的發(fā)育特征及其差異，以期為煤巖石學(xué)與裂隙精確三維識(shí)別提供思路和方法。

1 樣品采集與實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品準(zhǔn)備與實(shí)驗(yàn)方案

樣品采自于沁水盆地下二疊統(tǒng)山西組3號(hào)煤層，是全區(qū)分布最穩(wěn)定，單層厚度最大的煤層。其裂隙發(fā)育具有明顯的方向性，總體呈北東—南西向和北西—南東向。受斷層、褶皺影響，構(gòu)造部位附近的外生裂隙異常發(fā)育，其發(fā)育密集帶具有近乎等間距發(fā)育的特點(diǎn)，大部分外生裂隙均切穿整個(gè)或大部分煤層，但不切穿煤層頂?shù)装?。而?nèi)生裂隙具有明顯的等間距或近乎等間距的發(fā)育特性，其發(fā)育受煤巖成分的制約[36]。

從該區(qū)和瑞礦井下新鮮采煤工作面煤壁采集3塊邊長(zhǎng)約為30 cm的大塊煤樣，通過(guò)肉眼觀察分別定義為光亮煤、半亮煤和半暗煤，沿每個(gè)大塊樣品垂直煤層層理方向鉆取直徑25 mm、高度50 mm的圓柱形樣品，共鉆取32個(gè)圓柱樣品。取部分樣品開展基本測(cè)試，實(shí)驗(yàn)煤樣的鏡質(zhì)組反射率為2.94%，屬典型高階煤。從中挑選3個(gè)與大塊煤樣宏觀煤巖類型及裂隙發(fā)育情況相近的樣品用于本次實(shí)驗(yàn)研究，命名為Hr-1、Hr-2和Hr-3（圖1）。

圖1 樣品照片

Hr-1樣品為灰黑色，光澤相對(duì)較暗，以暗煤和絲炭為主，夾鏡煤與亮煤，為半暗煤。Hr-2樣品為深灰色，光澤相對(duì)較強(qiáng)，以鏡煤與亮煤為主，夾部分暗煤和絲炭，為半亮煤。Hr-3樣品為深灰色，光澤最強(qiáng)，以鏡煤和亮煤為主，夾少量暗煤和絲炭，為光亮煤。肉眼觀察3個(gè)樣品的裂隙與層面高角度相交，其中Hr-1樣品的裂隙較發(fā)育，部分被礦物充填，未見(jiàn)有穿過(guò)宏觀煤巖組分的裂隙；Hr-2和Hr-3樣品裂隙發(fā)育，少量被礦物充填，裂隙從樣品底部連通至樣品頂部。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，先對(duì)樣品進(jìn)行干燥處理，然后進(jìn)行第一次CT掃描成像。通過(guò)前期多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn) 1.5 mol/L 的 NaCl和 1.0 mol/L 的 KI的混合溶液造影效果最佳，利用真空覆壓飽和儀將此濃度混合溶液造影劑飽和進(jìn)本次實(shí)驗(yàn)樣品中，并進(jìn)行第二次CT掃描成像。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理及方法

在CT掃描成像實(shí)驗(yàn)中，X射線照射到不同物質(zhì)上時(shí)會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)等復(fù)雜的物理過(guò)程，經(jīng)過(guò)樣品的發(fā)射、散射和吸收等作用而發(fā)生不同級(jí)別的衰減。信號(hào)轉(zhuǎn)換器將接收到的X射線衰減信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。X射線衰減的過(guò)程服從Lambert-Beer定律：

式中I表示衰減后的X射線強(qiáng)度；I0表示初始入射時(shí)的X射線強(qiáng)度；u表示物質(zhì)的衰減系數(shù)；x表示物體的厚度。u又可以被定義為：

式中ρe表示材料的密度；E表示X射線的能量，keV，與入射電壓與入射電流有關(guān)；Z表示材料的有效原子序數(shù)；a表示Klein-Nishina系數(shù)；b表示常數(shù)，取值 9.8×10－24。

在保證掃描參數(shù)及樣品厚度不變的情況下，X射線衰減后的強(qiáng)度只與材料的密度及原子序數(shù)相關(guān)。利用造影劑的高原子序數(shù)、高電子密度及流體特征，可以突出煤中裂隙與基質(zhì)的差異。

本次實(shí)驗(yàn)所采取的設(shè)備為德國(guó)GE公司生產(chǎn)的微型 CT 系統(tǒng)（Phoenix V/tome/x S），其最低分辨率可達(dá)1 μm。為減少實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，兩次掃描均采用相同的掃描參數(shù)，電壓和電流分別為140 kV 和 120 μA，分辨率達(dá) 27.27 μm。

2 裂隙空間分布及定量表征

2.1 宏觀煤巖組分識(shí)別與類型劃分

煤中不同宏觀煤巖組分之間密度的差異導(dǎo)致其在CT中呈現(xiàn)不同的灰度。鏡煤與亮煤因富含低密度的鏡質(zhì)組分和殼質(zhì)組分從而在CT圖像中呈現(xiàn)深灰色，暗煤與絲炭則因富含高密度的惰質(zhì)組分從而在CT圖像中呈現(xiàn)淺灰色[26,37]。

基于三維重構(gòu)軟件Avizo，對(duì)掃描后的干燥樣品及飽和造影劑樣品進(jìn)行三維重構(gòu)（圖2-a），使用非線性各向異性擴(kuò)散濾波器（AD）來(lái)去除圖像中的噪點(diǎn)（圖2-b），再采用銳化算法來(lái)提高圖像的對(duì)比度（圖2-c）。利用分水嶺算法識(shí)別出鏡煤＋亮煤、暗煤＋絲炭以及礦物之間的灰度邊界，并進(jìn)行分割（圖2-d）。

圖2 宏觀煤巖組分及礦物分割流程圖

分割完成后，計(jì)算宏觀煤巖組分的含量（表1）。從Hr-1—Hr-3，鏡煤＋亮煤含量一直升高，分別定義為半暗煤、半亮煤和光亮煤，與肉眼觀察結(jié)果一致。

表1 樣品宏觀煤巖組分及礦物含量表

2.2 裂隙識(shí)別與分割

對(duì)常規(guī)干燥樣品（圖3-a）使用閾值分割和頂帽分割相結(jié)合的方式對(duì)裂隙進(jìn)行分割（圖3-b）。然后以常規(guī)干燥樣品的灰度數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，將飽和造影劑溶液樣品與其對(duì)齊（圖3-c），將兩者相減，得到差異圖像（圖3-d）。通過(guò)飽和溶液與空氣的灰度值差異來(lái)突出樣品中的裂隙，并采用與常規(guī)干燥樣品相同的分割方式在差異圖像中分割裂隙（圖3-e）。

圖3 裂隙分割流程與對(duì)比圖

將常規(guī)干燥樣品與差異圖像的灰度圖進(jìn)行對(duì)比，干樣灰度圖中只見(jiàn)少量裂隙，裂隙不連續(xù)，且其與基質(zhì)之間的差異不明顯；而差異圖像中裂隙數(shù)量多，裂隙連續(xù)，與基質(zhì)之間的差異明顯。將其分割效果圖進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)直接對(duì)干樣進(jìn)行分割，分割出來(lái)的裂隙相較于差異圖像裂隙數(shù)量少、裂隙不連續(xù)且開度也更小。由于在飽和造影劑溶液階段，溶液與煤之間的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，如礦物溶解、元素的吸附—解吸、有機(jī)質(zhì)的攜帶作用等，使煤中裂隙產(chǎn)生和擴(kuò)展[21]；煤中部分有機(jī)質(zhì)灰度值較低，無(wú)法將其與裂隙區(qū)分，由于造影劑溶液的高原子序數(shù)、高電子密度等特征，可增加裂隙與有機(jī)質(zhì)之間的灰度值差異，更加有效厘定煤中裂隙[35]。

計(jì)算煤樣中裂隙孔隙度（煤中裂隙體積占比）如表2所示，常規(guī)干燥樣品的裂隙孔隙度分布在1.41%～2.78%，飽和造影劑樣品的總裂隙孔隙度介于3.01%～6.49%，氣測(cè)孔隙度介于4.17%～6.93%。通過(guò)對(duì)差異圖像分割出來(lái)的總裂隙孔隙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)干燥樣品，且對(duì)分割出來(lái)的裂隙孔隙度與氣測(cè)孔隙度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)對(duì)差異圖像進(jìn)行分割得出的結(jié)果更接近其氣測(cè)孔隙度值，說(shuō)明采用飽和造影劑溶液的方法厘定煤裂隙結(jié)構(gòu)其結(jié)果更為準(zhǔn)確。隨著煤樣中鏡煤＋亮煤含量的增加，樣品的裂隙孔隙度也隨之增加，與宏觀煤巖類型呈現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，表現(xiàn)為光亮煤中裂隙孔隙度最高，半暗煤中裂隙孔隙度最低。

表2 煤樣中裂隙孔隙度表

2.3 宏觀煤巖組分與裂隙分布特征

2.3.1 宏觀煤巖組分分布特征

2.3.1.1 灰度特征

將采集到的煤樣原始灰度圖像進(jìn)行灰度標(biāo)準(zhǔn)化，使其灰度值介于0～255?；?.1中分割得到的不同宏觀煤巖組分二值化數(shù)據(jù)，對(duì)灰度標(biāo)準(zhǔn)化后的圖像進(jìn)行遮蔽，即可得到不同宏觀煤巖組分的灰度圖像，進(jìn)而得到其灰度分布（圖4）。

圖4 不同煤樣中宏觀煤巖組分灰度分布圖

由圖4可見(jiàn)，鏡煤＋亮煤中灰度值呈單峰分布，Hr-1樣品中鏡煤＋亮煤的灰度值主要分布在90～100，峰值位于94；Hr-2樣品中鏡煤＋亮煤的灰度值主要分布在70～80，峰值位于76；Hr-3樣品中鏡煤＋亮煤的灰度值主要分布在77～86，峰值位于82。暗煤＋絲炭中灰度值除Hr-1樣品呈雙峰分布，其余2個(gè)樣品均呈單峰分布，Hr-1樣品中暗煤＋絲炭的灰度值主要分布在92～116，第一個(gè)峰位于97，第二個(gè)峰位于102；Hr-2樣品中暗煤＋絲炭的灰度值主要位于74～96，峰值位于77；Hr-3樣品中暗煤＋絲炭的灰度值主要位于82～95，峰值位于84。

不同宏觀煤巖組分中灰度值分布具有明顯差異，鏡煤＋亮煤中灰度值分布明顯小于暗煤＋絲炭，這是由于兩者之間的密度差異所造成的。而暗煤＋絲炭中灰度值分布跨度范圍卻明顯高于鏡煤＋亮煤，說(shuō)明暗煤＋絲炭中物質(zhì)組成更為復(fù)雜，造成其密度跨度大。

2.3.1.2 組合模式

不同宏觀煤巖類型中樣品的宏觀煤巖組分含量不同，導(dǎo)致其展布規(guī)律不同。分析其展布形態(tài)（圖5），Hr-1樣品中鏡煤＋亮煤與暗煤＋絲炭呈現(xiàn)出寬條帶狀互層結(jié)構(gòu)，鏡煤＋亮煤分為4層，平均分層厚度為6.4 mm，夾少量扁平狀透鏡體絲炭；暗煤＋絲炭分為3層，平均分層厚度為7.82 mm。Hr-2樣品中鏡煤＋亮煤與暗煤＋絲炭呈現(xiàn)出寬條帶狀與細(xì)條帶狀互層結(jié)構(gòu)，鏡煤＋亮煤共分為2層，平均分層厚度為19.5 mm，為寬條帶狀結(jié)構(gòu)，夾少量線理狀和透鏡狀絲炭；暗煤＋鏡煤分為2層，平均分層厚度為2.4 mm，為細(xì)條帶狀結(jié)構(gòu)。Hr-3樣品中以鏡煤＋亮煤為主，夾少量透鏡狀和線理狀絲炭。

圖5 煤樣中宏觀煤巖組分展布形態(tài)示意圖

通過(guò)對(duì)煤中分層厚度進(jìn)行分析，總結(jié)并建立了圖6所示的宏觀煤巖組分組合模式。自半暗煤—光亮煤，鏡煤＋亮煤的分層厚度越來(lái)越大，暗煤＋絲炭的分層厚度越來(lái)越小，透鏡狀絲炭含量更高；組合方式也由半暗煤的互層組合轉(zhuǎn)換為光亮煤的以鏡煤＋亮煤為主、夾少量線理狀或透鏡狀暗煤＋絲炭的組合方式。

圖6 宏觀煤巖組分組合模式圖

2.3.2 裂隙特征

2.3.2.1 裂隙開度

使用Avizo三維可視化軟件拆分對(duì)象算法，將連通的大裂隙拆分為若干個(gè)小裂隙（圖7），通過(guò)計(jì)算單個(gè)裂隙的等效直徑來(lái)代替直接計(jì)算大裂隙的裂隙開度。

圖7 裂隙拆分三維圖像

式中Deq表示等效直徑，μm；V表示單個(gè)裂隙的體積，μm3。

頻率分析結(jié)果顯示（圖8）：鏡煤＋亮煤中裂隙的等效直徑主要分布在25～600 μm，暗煤＋絲炭中裂隙的等效直徑主要分布在25～400 μm。樣品鏡煤＋亮煤中裂隙等效直徑呈雙峰分布，分別位于50 μm和170 μm處。除了半暗煤（Hr-1樣品）中暗煤＋絲炭中裂隙等效直徑呈雙峰分布，分別位于50 μm和170 μm處；半亮煤（Hr-2樣品）和光亮煤（Hr-3樣品）中暗煤＋絲炭?jī)H呈單峰分布，位于50 μm處。鏡煤＋亮煤和暗煤＋絲炭中裂隙的分布曲線存在一個(gè)交點(diǎn)，位于100 μm左右，當(dāng)裂隙等效直徑小于此交點(diǎn)時(shí)，暗煤＋絲炭中裂隙頻率大于鏡煤＋亮煤。

圖8 不同煤樣中宏觀煤巖組分裂隙等效直徑頻率分布圖

不同煤樣中裂隙等效直徑主要分布在25～700 μm，分布曲線呈雙峰式展布，表明煤中主要發(fā)育2個(gè)尺度的裂隙。位于第一個(gè)峰值時(shí)，Hr-2樣品（半亮煤）的裂隙頻率最大，位于第二個(gè)峰值時(shí)，Hr-3樣品（光亮煤）的裂隙頻率最大（圖9）。

圖9 不同煤樣中裂隙等效直徑頻率分布圖

綜上可知：鏡煤＋亮煤中開度較大的裂隙在頻率上占優(yōu)勢(shì)，而暗煤＋絲炭中開度較小的裂隙在頻率上占優(yōu)勢(shì)，反映鏡煤＋亮煤中裂隙開度總體上大于暗煤＋絲炭，對(duì)應(yīng)于樣品中不同宏觀煤巖組分灰度值的分布規(guī)律。不同樣品的裂隙開度分布曲線與鏡煤＋亮煤的分布曲線類似，說(shuō)明煤中裂隙開度主要受鏡煤＋亮煤中裂隙的影響。光亮煤中開度較大的裂隙在頻率上占優(yōu)勢(shì)，半亮煤中開度較小的裂隙在頻率上占優(yōu)勢(shì)。其開度變化規(guī)律為：光亮煤＞半亮煤＞半暗煤，說(shuō)明樣品中裂隙開度受鏡煤＋亮煤含量的影響，含量越高，其裂隙開度越大。

據(jù)前人研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該區(qū)3號(hào)煤層顯微裂隙等效直徑主要分布在0～50 μm，同樣呈現(xiàn)雙峰特征，發(fā)育2個(gè)尺度的顯微裂隙[38]。宏觀裂隙與顯微裂隙均顯現(xiàn)出明顯的組分選擇性，宏觀裂隙一般在鏡煤和亮煤中發(fā)育，鏡質(zhì)組中顯微裂隙發(fā)育較惰質(zhì)組具有明顯優(yōu)勢(shì)，與本次研究結(jié)果一致[36]。

2.3.2.2 裂隙間距

對(duì)樣品主裂隙的間距進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算其平均值，如圖10所示。自Hr-1—Hr-3樣品，鏡煤＋亮煤中平均裂隙間距分別為 2 391 μm、2 533 μm 和 2 816 μm，暗煤＋絲炭中平均裂隙間距分別為 3 484 μm、3 259 μm和3 012 μm，總樣品中裂隙平均間距分別為2 077 μm、2 321 μm 和 2 631 μm。自半暗煤—光亮煤，鏡煤＋亮煤中平均裂隙間距一直增大，暗煤＋絲炭中一直減小，樣品中平均裂隙間距一直增大。

圖10 裂隙平均間距圖

鏡煤＋亮煤中平均裂隙間距低于暗煤＋絲炭（圖10），因此，在鏡煤＋亮煤中裂隙更為發(fā)育，對(duì)應(yīng)于樣品中不同宏觀煤巖組分灰度值的分布規(guī)律，前人有關(guān)顯微裂隙的研究結(jié)果也印證了此結(jié)果[39]。前人研究結(jié)果普遍認(rèn)為裂隙是內(nèi)力、外力共同作用的結(jié)果，而鏡質(zhì)組脆性較大，當(dāng)受到外力作用時(shí)，更易產(chǎn)生裂隙[40-41]。而鏡質(zhì)組本身在煤化作用過(guò)程中，由于自身的生烴、排水等過(guò)程更易產(chǎn)生裂縫，而惰質(zhì)組分排水較少，不易產(chǎn)生裂隙[42-44]。因此，富含鏡質(zhì)組分的鏡煤＋亮煤中裂隙更為發(fā)育，樣品中裂隙的發(fā)育情況主要受鏡煤＋亮煤中裂隙的影響。

模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果證實(shí)，若負(fù)載條件及巖層其他條件相似，薄巖層形成的天然裂縫比厚巖層更為密集[45]，而高階煤中凝膠化作用基本完成，構(gòu)造作用成為裂隙密度變化的主要因素[42]。由圖6可知，自半暗煤—光亮煤，鏡煤＋亮煤的分層越來(lái)越厚，暗煤＋絲炭的分層越來(lái)越薄。因此，鏡煤＋亮煤中裂隙間距越來(lái)越大，暗煤＋絲炭中裂隙間距越來(lái)越小，樣品中裂隙間距受鏡煤＋亮煤中裂隙的影響，間距越來(lái)越小。

與本文研究結(jié)果相比，該區(qū)3號(hào)煤層宏觀裂隙發(fā)育具有明顯的等間距或近乎等間距特性，構(gòu)造發(fā)育部位會(huì)發(fā)育外生裂隙密集帶，自暗淡煤分層至光亮煤分層，宏觀裂隙密度不斷減小，間距不斷增加，與本次研究結(jié)果一致[36]。而有關(guān)顯微裂隙的研究結(jié)果卻呈現(xiàn)相反的結(jié)論，即鏡質(zhì)組含量越高，顯微裂隙密度越大，裂隙間距也越小，認(rèn)為顯微裂隙多為內(nèi)力作用的結(jié)果，其形成主要受煤化作用的影響，鏡質(zhì)組含量增高導(dǎo)致其裂隙間距變小[40]。與低階煤相比，本文所研究的高階煤在裂隙密度上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，較中階煤則有所不如。處于煤化作用早期的低階煤只有較少裂隙生成，裂隙密度小，裂隙間距大；伴隨著煤化作用進(jìn)行，由于煤中生烴、排水等過(guò)程的進(jìn)行，煤中裂隙大量產(chǎn)生，造成中階煤裂隙密度高，裂隙間距??；而到了煤化作用后期，由于壓實(shí)作用占主導(dǎo)地位，造成高階煤中大量裂隙趨于閉合，裂隙密度變低，裂隙間距變大[42]。

2.3.2.3 裂隙連通性

選取煤中代表性體積單元作為研究區(qū)域，構(gòu)建球棍模型，計(jì)算其配位數(shù)，定量表征了裂隙的連通性（圖11）。結(jié)果顯示（圖12）：鏡煤＋亮煤中裂隙配位數(shù)主要分布在0～13，呈單峰分布，Hr-1樣品的峰值位于2，Hr-2樣品的峰值位于6，Hr-3樣品的峰值位于4。暗煤＋絲炭中裂隙配位數(shù)主要分布在0～8，其分布曲線一直減??；且與鏡煤＋亮煤中裂隙配位數(shù)的分布曲線存在一個(gè)交點(diǎn)，位于2左右，當(dāng)裂隙配位數(shù)小于此交點(diǎn)時(shí)，暗煤＋絲炭中裂隙的相對(duì)頻率高于鏡煤＋亮煤。

圖11 裂隙巖體表征單元體（RVE）與球棍模型圖

圖12 不同煤樣中宏觀煤巖組分裂隙配位數(shù)頻率分布圖

不同樣品的裂隙配位數(shù)頻率分布曲線如圖13所示，主要分布在0～15，分布曲線與鏡煤＋亮煤類似，均呈單峰分布。Hr-1樣品的峰值位于2.5，Hr-2樣品位于7.5，Hr-3樣品位于5.0。

圖13 不同煤樣中裂隙配位數(shù)頻率分布圖

鏡煤＋亮煤中配位數(shù)較大的裂隙在頻率上占優(yōu)勢(shì)，暗煤＋絲炭中配位數(shù)較小的裂隙在頻率上占優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明鏡煤＋亮煤中裂隙的連通性高于暗煤＋絲炭，對(duì)應(yīng)于樣品中不同宏觀煤巖組分灰度值的分布規(guī)律。不同樣品的裂隙配位數(shù)分布曲線與鏡煤＋亮煤的分布曲線類似，說(shuō)明煤中裂隙連通性主要受鏡煤＋亮煤中裂隙的影響。半亮煤中配位數(shù)較大的裂隙在頻率上占優(yōu)勢(shì)，而半暗煤中配位數(shù)較小的在頻率上占優(yōu)勢(shì)，其連通性變化規(guī)律為：半亮煤＞光亮煤＞半暗煤，說(shuō)明樣品中裂隙的連通性不僅取決于其鏡煤＋亮煤的含量，也取決于宏觀煤巖組分的組合方式，圖6所示的半亮煤中宏觀煤巖組分的組合方式更利于產(chǎn)生連通性更大的裂隙。

3 結(jié)論

1）識(shí)別出宏觀煤巖組分，進(jìn)一步厘定宏觀煤巖類型。不同宏觀煤巖類型煤中宏觀煤巖組分組合方式不同，由半暗煤—光亮煤，暗煤＋絲炭由較寬的條帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)條帶狀或線理狀，且透鏡狀的絲炭含量增加。

2）相較于常規(guī)干燥樣品CT裂隙分割，采用飽和造影劑溶液的方法識(shí)別出煤裂隙更為準(zhǔn)確，接近氣測(cè)孔隙度。裂隙含量與宏觀煤巖類型具有較強(qiáng)的相關(guān)性，表現(xiàn)為光亮煤中裂隙含量最高，半暗煤中裂隙含量最低。

3）相較于暗煤＋絲炭，鏡煤＋亮煤中裂隙在開度、間距和連通性上均具有優(yōu)勢(shì)。不同宏觀煤巖類型煤中裂隙參數(shù)受煤中宏觀煤巖組分含量與組合方式影響。裂隙開度隨鏡煤＋亮煤含量的增加而變大。自半暗煤—光亮煤，鏡煤＋亮煤中分層厚度越來(lái)越大，暗煤＋絲炭中分層厚度越來(lái)越小，造成鏡煤＋亮煤中裂隙間距變大，暗煤＋絲炭中裂隙間距變小，樣品中裂隙間距受鏡煤＋亮煤中裂隙的影響而變大。樣品中裂隙連通性不僅受宏觀煤巖組分含量的影響，也與宏觀煤巖組分組合方式相關(guān)，表現(xiàn)為半亮煤中裂隙連通性最好，半暗煤中則最差。