基于X-Ray CT的煤矸顆粒細(xì)觀結(jié)構(gòu)及破損特性研究.pdf

1、煤炭開(kāi)采過(guò)程中會(huì)遇到眾多地質(zhì)層及多種巖石，且開(kāi)采出來(lái)的煤與矸石顆粒是具有各向異性的非均質(zhì)體，品種極多，性質(zhì)各異，因此煤矸顆粒選擇性破碎面對(duì)的是一龐大而復(fù)雜的集合體。根據(jù)煤與矸石顆粒的細(xì)觀結(jié)構(gòu)及宏觀物理機(jī)械性質(zhì)的差異，提出利用數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)煤與矸石顆粒內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其破損特性進(jìn)行研究，對(duì)提高煤矸破碎效率、降低破碎比能耗及實(shí)現(xiàn)煤矸高效分選具有重要意義。本文基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，以煤與矸石的形態(tài)參數(shù)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、物理力學(xué)性能參數(shù)為研究對(duì)象，

2、采用理論分析、數(shù)值仿真試驗(yàn)和顆粒沖撞實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)煤與矸石顆粒破損特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴借助不同的X-Ray CT掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同粒徑的煤與矸石顆粒CT掃描實(shí)驗(yàn)，并綜合利用傳統(tǒng)的閥值分割技術(shù)及基于特征提取的圖像分割技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同粒徑顆粒內(nèi)部各種品相礦物的含量、分布形態(tài)及空間位置的定量表征，為進(jìn)行煤矸顆粒的破損特性數(shù)值實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對(duì)不夾雜礦物的煤、不夾雜礦物的矸石、夾矸煤及具有高密度礦物結(jié)核的煤等四類(lèi)煤

3、與矸石顆粒CT值分布規(guī)律進(jìn)行分析研究。分析研究表明：煤與矸石顆粒CT值分布符合正態(tài)分布；通過(guò)對(duì)不同密度的煤與矸石顆粒進(jìn)行CT掃描實(shí)驗(yàn)，證明煤與矸石顆粒體的密度ρ與CT值成線性關(guān)系；建立了煤與矸石顆粒物理密度與CT值的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了煤與矸石顆粒密度的無(wú)損測(cè)定。
　?、铺岢隽死皿w繪制及marching cube方法實(shí)現(xiàn)煤與矸石顆粒的三維重構(gòu)，對(duì)不同粒徑區(qū)間內(nèi)的煤與矸石顆粒形態(tài)參數(shù)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、物理力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行定量表征及計(jì)

4、算。分析研究表明：煤與矸石顆粒的長(zhǎng)短度及Zingg指數(shù)兩個(gè)參數(shù)隨著顆粒粒徑的增加而增加，顆粒的扁平度隨著顆粒的粒徑的增加而減小，顆粒形狀不規(guī)則程度隨著球形度系數(shù)的減小而增加；顆粒內(nèi)部各橫截面裂隙細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)均不相同，煤與矸石顆粒內(nèi)部不同部位受損程度不同；顆粒內(nèi)部裂隙較多部位及顆粒內(nèi)部不同品相礦物結(jié)核與煤或矸石基體膠結(jié)的部位強(qiáng)度較弱，較易發(fā)生破碎。該研究成果實(shí)現(xiàn)了煤與矸石顆粒形態(tài)參數(shù)及細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量表征及計(jì)算，為煤矸顆粒破損特性研究提

5、供一種新的方法。
　?、翘岢隼糜邢藁旌戏植寄Ｐ图皬?fù)合材料混合率理論實(shí)現(xiàn)單顆粒煤與矸石顆粒物理力學(xué)參數(shù)的計(jì)算。分析研究表明：利用有限混合分布模型能夠?qū)崿F(xiàn)不夾雜其他礦物的煤、不夾雜其他礦物的矸石、夾雜單品相礦物的煤巖、夾雜多品相礦物的煤巖等四類(lèi)煤巖的密度分布的定量計(jì)算。計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)排水法測(cè)定的煤與矸石顆粒密度值基本一致，驗(yàn)證了基于有限混合分布方法測(cè)定單個(gè)煤與矸石顆粒的密度的可行性；利用復(fù)合材料混合率理論實(shí)現(xiàn)煤與矸石顆粒等效彈性模量

6、及等效泊松比的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明每個(gè)煤與矸石顆粒的物理力學(xué)參數(shù)均不相同，驗(yàn)證了煤與矸石顆粒材料的非均質(zhì)性。該研究成果為煤與矸石顆粒碰撞破碎仿真分析提供了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　?、炔捎秒x散單元法進(jìn)行了單顆粒煤巖材料的沖擊破碎行為仿真研究，建立了單顆粒煤巖材料沖擊破碎的離散元仿真模型，對(duì)非球形性煤巖顆粒破損特性的影響進(jìn)行分析研究。分析研究表明：煤巖破碎形態(tài)除與沖擊過(guò)程的時(shí)間有關(guān)外，還與煤巖顆粒的沖擊速度有關(guān)，絕大部分的破碎碎片集中在墻體-

7、顆粒碰撞區(qū)域附近，沖擊速度越高，墻體力及破碎率也隨之增加；非球形顆粒的碰撞破碎行為比球形顆粒復(fù)雜的多，在面沖擊碰撞模式下，最大墻體力及破碎率值隨著球形度系數(shù)的增加而減小；而在線沖擊及點(diǎn)沖擊碰撞模式下，最大墻體力及破碎率值隨著球形度系數(shù)的增加而增加；顆粒與被沖擊墻體的接觸面積對(duì)最大墻體力及破碎率有較大的影響，絕大多數(shù)非球形顆粒的最大墻體力及破碎率隨接觸面積的減小而逐漸減小，且絕大多數(shù)的非球形顆粒的最大墻體力及破碎率比球形顆粒的值大；具有較

8、小球形度系數(shù)的煤巖顆粒受碰撞模式影響較大，球形度系數(shù)的細(xì)微變化會(huì)導(dǎo)致非球形顆粒碰撞結(jié)果的巨大差異。
　　⑸通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)及有限元技術(shù)（DIP-FEM）構(gòu)建了煤與矸石顆粒真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，基于因次分析理論建立沖擊板—煤巖物料碰撞破碎有限元模型的無(wú)因次乘積組。對(duì)沖擊板質(zhì)量為無(wú)窮大的情況進(jìn)行分析研究，分析研究表明：煤巖顆粒沖擊力是無(wú)因次量E/V2ρ的函數(shù)。煤巖顆粒所需的沖擊力隨著沖擊速度的增加而增大；煤與矸石顆粒的沖擊破碎力隨