煤炭科学技术

作者：王刚, 陈雪畅, 褚翔宇, 秦相杰, 韩冬阳, 陈昊, 张晏铭,

关键词：煤层注水, 微纳孔隙结构, 图像重建, 渗流机制, 数字图像,

煤层注水是粉尘、瓦斯等灾害源头治理的关键技术。煤体复杂孔裂隙结构直接影响煤层注水效果，明确煤体微观结构分布及其内部水渗流机理至关重要。在众多煤结构探测手段中，扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束扫描电镜（FIB-SEM）、计算机断层扫描（CT）等数字图像技术以可视化、可定量等优势被广泛应用于煤体孔裂隙的分析与研究。基于此，分析了数字图像技术的原理、观测尺度、图像处理过程，论述了其在煤岩体孔裂隙表征及水渗特性分析中的应用效果，在此基础上进一步展望了数字图像在煤岩体渗流领域的发展方向。SEM、FIB-SEM、CT等数字图像技术共同构成了从纳米到微米尺度表征煤体孔裂隙结构的核心技术体系。SEM主要用于表面二维形貌分析，FIB-SEM可实现纳米孔隙的三维无损探测，CT则适用于微米级孔裂隙的三维可视化。表征单元体（REV）有效解决了煤体数字图像中微观孔裂隙非均质性与宏观工程参数的尺度关联问题，基于多结构参数协同确定的REV尤为重要。数字图像需要经过降噪、阈值分割、三维重构等步骤才能有效观测孔裂隙结构。在分割过程中，MP-Otsu和基于U-net的深度学习方法展现出显著优势。基于数字图像三维重建模型的渗流模拟，是揭示孔裂隙结构与水渗行为内在机制的有效途径。通过数字图像人造裂隙技术等可控方法的研究表明，孔裂隙形状是影响渗透率的关键因素，且不同形状的贡献度存在明显差异；裂隙开度对渗流的影响存在非线性分段特征，并与表面粗糙度产生耦合效应。连通孔裂隙是水分运移的主要通道，极大增进了对煤体内水分分布真实状态的认识。当前数字图像技术在煤体注水渗流研究中仍面临现有孔裂隙表征方法对煤岩等有机岩石的适用性不足、渗透率REV难以界定、图像分辨率与视场范围存在矛盾等关键挑战。未来研究应聚焦于开发新型原位动态成像技术、建立多尺度耦合的渗流预测模型，并大力发展基于人工智能的多尺度图像融合与超分辨率重建算法，以推动煤层注水技术的精准和高效发展。

来源：2026年第2期

《煤炭科学技术》期刊编辑部

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