基于X-Ray CT的煤矸顆粒細觀結構及破損特性研究.pdf

1、煤炭開采過程中會遇到眾多地質層及多種巖石，且開采出來的煤與矸石顆粒是具有各向異性的非均質體，品種極多，性質各異，因此煤矸顆粒選擇性破碎面對的是一龐大而復雜的集合體。根據煤與矸石顆粒的細觀結構及宏觀物理機械性質的差異，提出利用數字圖像技術對煤與矸石顆粒內部細觀結構及其破損特性進行研究，對提高煤矸破碎效率、降低破碎比能耗及實現(xiàn)煤矸高效分選具有重要意義。本文基于數字圖像處理技術，以煤與矸石的形態(tài)參數、細觀結構參數、物理力學性能參數為研究對象，

2、采用理論分析、數值仿真試驗和顆粒沖撞實驗的方法對煤與矸石顆粒破損特性進行了系統(tǒng)的研究。本研究主要內容包括：
　　⑴借助不同的X-Ray CT掃描技術實現(xiàn)不同粒徑的煤與矸石顆粒CT掃描實驗，并綜合利用傳統(tǒng)的閥值分割技術及基于特征提取的圖像分割技術實現(xiàn)不同粒徑顆粒內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，為進行煤矸顆粒的破損特性數值實驗提供基礎數據。對不夾雜礦物的煤、不夾雜礦物的矸石、夾矸煤及具有高密度礦物結核的煤等四類煤

3、與矸石顆粒CT值分布規(guī)律進行分析研究。分析研究表明：煤與矸石顆粒CT值分布符合正態(tài)分布；通過對不同密度的煤與矸石顆粒進行CT掃描實驗，證明煤與矸石顆粒體的密度ρ與CT值成線性關系；建立了煤與矸石顆粒物理密度與CT值的數學函數關系，實現(xiàn)了煤與矸石顆粒密度的無損測定。
　　⑵提出了利用體繪制及marching cube方法實現(xiàn)煤與矸石顆粒的三維重構，對不同粒徑區(qū)間內的煤與矸石顆粒形態(tài)參數、細觀結構參數、物理力學性能參數進行定量表征及計

4、算。分析研究表明：煤與矸石顆粒的長短度及Zingg指數兩個參數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的減小而增加；顆粒內部各橫截面裂隙細觀結構參數均不相同，煤與矸石顆粒內部不同部位受損程度不同；顆粒內部裂隙較多部位及顆粒內部不同品相礦物結核與煤或矸石基體膠結的部位強度較弱，較易發(fā)生破碎。該研究成果實現(xiàn)了煤與矸石顆粒形態(tài)參數及細觀結構參數的定量表征及計算，為煤矸顆粒破損特性研究提

5、供一種新的方法。
　　⑶提出利用有限混合分布模型及復合材料混合率理論實現(xiàn)單顆粒煤與矸石顆粒物理力學參數的計算。分析研究表明：利用有限混合分布模型能夠實現(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煤巖的密度分布的定量計算。計算結果與傳統(tǒng)排水法測定的煤與矸石顆粒密度值基本一致，驗證了基于有限混合分布方法測定單個煤與矸石顆粒的密度的可行性；利用復合材料混合率理論實現(xiàn)煤與矸石顆粒等效彈性模量

6、及等效泊松比的計算，計算結果表明每個煤與矸石顆粒的物理力學參數均不相同，驗證了煤與矸石顆粒材料的非均質性。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實驗數據。
　?、炔捎秒x散單元法進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，對非球形性煤巖顆粒破損特性的影響進行分析研究。分析研究表明：煤巖破碎形態(tài)除與沖擊過程的時間有關外，還與煤巖顆粒的沖擊速度有關，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的增加而減小；而在線沖擊及點沖擊碰撞模式下，最大墻體力及破碎率值隨著球形度系數的增加而增加；顆粒與被沖擊墻體的接觸面積對最大墻體力及破碎率有較大的影響，絕大多數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、小球形度系數的煤巖顆粒受碰撞模式影響較大，球形度系數的細微變化會導致非球形顆粒碰撞結果的巨大差異。
　?、赏ㄟ^數字圖像處理技術及有限元技術（DIP-FEM）構建了煤與矸石顆粒真實細觀結構數值模型，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因次乘積組。對沖擊板質量為無窮大的情況進行分析研究，分析研究表明：煤巖顆粒沖擊力是無因次量E/V2ρ的函數。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