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文章历程
2016年6月23日收到，以修改后的形式于2016年11月13日收到，2016年11月13日正式接受，2016年11月16日网上公布。
关键词：割理几何，图像处理，煤炭属性，CT扫描
文章摘要
裂隙网络的表征是评估水力和机械接缝性质的基础，而煤层性质又是地下采煤过程中变动的地质力学建模的基础。其中发生了矿化和未矿化夹层的裂隙和裂隙网络几何形状可以被描述为频率，孔径，尺寸，相对于原位应力的取向，连通性和孔隙度的函数。为了描述这些性质，对澳大利亚昆士兰州中部Bowen盆地煤岩岩心样品进行了CT扫描分析。
一种独特的图像处理工作流程方法被提出：提取二维图像中垂直的端割理和面割理的关键统计参数。由于面割理和端割理具有不同的特征，所提出的方法通过方向区分面割理和端割理，并提供两种裂隙类型的详细数据。其对比结果包括裂隙长度，孔径，尺寸，强度，密度，形状参数，间距，方向和连接性，因此比以前的裂隙描述更全面。本研究主要考察三种基本不同的裂隙几何形状，其中一个样品研究相互垂直的面割理和端割理，第二种是两个面割理与端割理交叉，第三个仅为相互平行的面割理。
目 录
第1章 介绍 1
1.1煤炭裂隙网络 1
1.2裂隙几何测量的相关性 2
1.3通过CT成像研究裂隙结构 3
第2章样品材料和方法 5
2.1样本来源和准备 5
2.3图像采集 5
第3章分析 6
3.1图像处理 6
3.1.1预处理 7
3.1.2裂隙检测的断点方法 10
3.1.3重新连接的特征集聚 12
3.2裂隙属性的统计分析 14
3.2.1 裂隙长度，孔径和尺寸分布 14
3.2.2 裂隙强度和密度 15
3.2.3 裂隙形状 15
3.2.4裂隙间距 16
3.2.5 裂隙方向 17
3.2.6裂隙连通性 17
第4章结论 19
4.1 样本来源和裂隙几何 19
4.1.1 样品E1 19
4.1.2 样品E2 19
4.1.3 样品H1 19
4.2 裂隙长度，孔径和尺寸分布 21
4.2.1 样品E1 21
4.2.2 样品E2 21
4.2.3样品H1 21
4.3裂隙强度和密度 22
4.3.1样本E1裂隙的强度和密度 22
4.4裂隙形状 22
4.4.1样本E1 22
4.4.2样本E2 22
4.4.3样本H1 22
4.5裂隙间距 23
4.5.1样本E1 23
4.5.2样本E2 26
4.5.3样本H1 27
4.6裂隙方向 28
4.6.1样本E1 28
4.6.2样品E2 28
4.7裂隙连通性 29
4.7.1样本E1 29
4.7.2样本E2 29
第5 章讨论 30
5.1 裂隙特征 30
5.2图像处理方法的讨论 31
第6章结论 32
致谢 33
参考文献 34
第1章 介绍
1.1煤炭裂隙网络
煤炭其独特的多孔基体的低渗透性特性是由端割理和面割理网络相交的微观结构影响决定的。割理是煤层内天然的开放式裂缝。这些小尺度裂缝与断层相关的和采矿引起的大规模断裂一起，为煤层内地下水和气体流动提供了主要渗透源（Laubach等，1998）。与断裂不同的是，较小的割理系统不能切割邻近煤层的碎屑岩相（Dron，1925）。割理的区分方式分为两种（图1a）。面割理占主导地位，平行于层面。当遇到面割理时，端割理通常会终止（Laubach等，1998）。最初端割理的形成被认为是面割理为适应松弛的压力而形成。这导致两种类型之间的垂直性（Golab等，2013）。大部分的研究都是在这个正交裂隙系统上完成的。 例如，罗伯逊（Robertson）和克里斯蒂安森（Christiansen，2006）将裂隙系统描述为由立方矩阵块组成的系统。然而，1995年尼克等人观察到更复杂的结构系统，这些系统需要不同的表征，如Pattison等人，在1996已经描述了的二叠纪昆士兰煤层中的各种夹层样式。 Turner在2015年根据CT扫描和核心照片又确定了四组裂隙形态（图1b）。
无论裂隙系统如何，裂隙的几何形状都可以描述为频率，孔径，尺寸，相对于其他裂隙的原位置应力的取向以及它们的连通性和孔隙度的函数（Close，1993）此外，割理的连通性和空间分布，胶结，充填和风化会影响地质力学和水力特性。在地下，经过漫长地质时间之后，碳酸盐，石英或其它水泥可能沉积在裂隙两侧，这经常干扰网络的连接。裂隙空隙也可以充填有机材料，树脂和自生矿物质，如粘土，石英和碳酸盐岩，这些材料可以封堵或保留裂缝孔隙（Laubach et al。，1998）。
而对于许多煤炭裂缝系统来说，裂缝的孔隙度取决于应力场，因此开放式裂隙的深度相对于其应力场来说不一定相统一或在某些方向更具渗透性。事实上，天然的开放式裂缝的取向取决于裂隙和主体材料的相对刚度。澳大利亚东部的大多数煤炭测量数据表明几乎没有原生孔隙。澳大利亚东部大约75％的煤层孔隙度是由中孔和微孔（小于50 nm）尺寸范围内的孔隙结构形成（Faiz and Aziz，1992）。
图1. a 正交割理系统的示意图（Laubach等，1998）。 b 如Turner（2015）所述的裂隙系统。
1.2裂隙几何测量的相关性
“裂隙”一词是指煤层中的开放式裂缝。除了裂隙系统，下面的文献综述也包括了其他地质材料的断裂系统。 因此，术语“裂隙”和“断裂”是同义词，“裂隙”研究指的是对煤炭中典型小尺度结构的研究。
裂缝之间的缝隙已被作为裂缝流动的主要影响参数之一进行讨论。裂缝孔隙覆盖范围广泛，因为它们的变化受到系统中机械和化学作用的影响（Bonnet et al。，2001）。 Philip等人在2002年数值模拟研究了成岩作用对裂缝系统初始流动特性的影响，特别是成岩作用对裂缝网络连通性的影响。结果表明，裂缝渗透率对裂缝模式和连通性比隙缝更为敏感。隙缝和渗透率之间最常用的关系是立方定律（Witherspoon等人提出，1979）Long和Witherspoon（1985）声称裂缝长度和密度与流速有关。 具有较长断裂长度和较低断裂密度的网络表现出较高的连接性，因此具有比较短断裂长度和较高密度所形成的网络就有更高的渗透性。
对于裂缝流体流动建模的常用方法是根据已知的分布随机生成人造裂缝组（De Dreuzy等人提出2001）。 Galindo-Torres等人（2015）对随机生成的二维裂缝网络进行了研究，结果表明连通性与每个裂缝之间的连通性与宏观连通性有关，因此可以用通用函数来描述。渗透率的预测在经济上至关重要，因为它决定了是否可以实现工业天然气生产率。天然气储存在煤层中，并且系统中的地下水是通过裂隙运输到生产井（斯科特，2002）。因此煤层渗透率是煤矿稳定性，适应性，气井性能和排水性能的决定性因素，是安全和高效的采矿必不可少的因素。Huyetal指出，在渗透率测量过程中需要更好地表示裂缝特征（2010）。此外，割理网络的结构会影响接缝的承载能力等地质力学性能，从而影响采矿过程。 因此，裂缝系统在微观尺度上的关键作用要求合适的图像分析工具，以便对裂缝系统进行流线化，高效化，全面化和差异化的描述。
1.3通过CT成像研究裂隙结构
尽管图像处理已经被广泛用于描述多孔介质的结构性质（例如Vogel和Roth（2001），Khan等（2012）），但是关于用于分析煤炭样本的裂隙结构的图像处理方法的文献是相当稀疏的。 基于抛光样品的扫描电子显微镜，Karacan和Okandan（2000）已经研究和描述了孔径分布。 Weniger等人 （2016）使用扫描抛光部分的光学显微镜拍摄的图像来量化裂隙孔径，间距，高度和频率数据，并基于立方定律推导与孔径和间距相关的渗透率。
在本研究中通过使用的煤样的X射线计算机断层扫描（CT）扫描，从而通过从三个不同方向采集投影图像来非破坏性地观察样本，样品的内部取决于它们的X射线衰减。通过堆叠二维图像的切片，获得三维数据集。由于X射线的衰减主要是材料的能量，密度和原子序数的函数（Ketcham和Iturrino，2005），因此可以区分充满空气或液体的煤基质和孔隙空间。也可以检测裂缝/割理以及它们通过岩芯煤样的长度的变化，并且可以量化尺寸，孔径和割理连通性等参数。Mazumder等人 （2006）使用CT扫描来描述煤样中的裂缝方向和割理孔径和间距。 这种方法已被推广到推断煤炭密度和无机物质的分布（Klawitter等，2013）。 Wolf等人 （2008）比较了钻孔切割的裂隙角度分布与相同煤层煤块CT扫描的割理分布。
论文提出旨在提供一个图像处理工作流程，以系统的方式获得煤中管理的几何特性。 CT扫描是用于图像和网络模型的测试和校准的有效工具（Kumar等人，2010）。 基于CT扫描的材料表征和过程监测的创新综合应用将有助于研究非均质岩石性质（如孔隙度，导水率和扩散系数）对流体运移过程和地质力学特性的影响（Cnudde＆Boone，2013）。我们正在引入一个基于图像处理的工作流程，以确定煤层的割理几何参数，并讨论不同的裂隙几何形状。 如Laubach等人所示（1998），面割理和端割理具有不同的特征。 我们已经开发了一种方法，通过方向区分面割理和端割理（Busse et al。，2015），并提供两种裂隙类型的详细数据。结果包括裂隙长度，孔径，尺寸，强度，密度，形状参数，间距，取向和连接性。 因此，所提出的方法提供了比以前的分割描述方法更全面的信息。
第2章样品材料和方法
2.1样本来源和准备
本研究中使用的煤样是在Hail Creek矿的扩建工地采集的。 该矿位于澳大利亚东海岸，位于昆士兰州麦凯西南120公里处，由澳大利亚力拓煤矿运营。目前，从Rangal煤层的两个煤层中提取次烟煤; 平均厚度为6.4米的Elphinstone煤层和Hynds Seam平均厚度为8.3米。其次是Fort Cooper煤层。 它们沿着Hail Creek向斜的西北侧延伸（Clarke，2007）。Elphinstone煤层由明亮的带状煤组成，煤层与薄煤带夹在煤层底部。Hynds煤层由一段凝灰质粘土岩交汇而成，凝灰质粘土层将上层明亮带状煤与暗淡带状煤分开 Hynds煤层的基底部分非常光滑，泥质的煤层与薄的石带交织在一起。目前的坩埚膨胀数（CSN）大于5，这两个煤层都被认为是硬焦煤。Rangal煤层中的镜质组含量（镜质体百分比）比Bowen盆地其他煤田低百分之四十五到六十，其中镜质组反射率（R 0 Max）是用于确定煤的等级的参数。较老的Hynds煤层是稍高一些的煤，具有较高的镜质体含量，更多的酸性灰分和因此更高的焦炭回收率（CSR）。Elphinstone煤层的流动性较低，其中最高流动性值以分度每分钟（MF（ddpm））表示，两条煤层在西部边缘呈南北向递减趋势。 Hynds煤层的原料灰含量约为25％，Elphinstone煤层约为20％。 Hynds煤层的平均产量比Elphinstone煤层低10％（Holwell，2007）。
本研究对三个取自正常层理和141米至396米深度的岩心钻孔样品进行了研究：两个Elphinstone（E1和E2）和一个Hynds缝（H1）样品。 取心后，煤样用塑料薄膜和胶带包裹，存放在阴凉的环境中。在扫描之前，将样品切成小块，每块约6厘米（cm）。作为样品处理的结果，原位样品的方位取向是未知的。因此，裂隙方向仅相对于彼此进行分析。
2.3图像采集
以4.24cmtimes;4.24cm的图像进行预处理之后得到的分辨率为53微米（mu;m），尺寸为2048times;2048像素的CT扫描。使用Inveon Multimodality PET / CT系统（西门子），X射线源的电压设置为80kV，电流为500mu;A。 扫描采
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