基于X-Ray CT的煤矸颗粒细观结构及破损特性研究

发布时间：2017-11-18 01:12

  本文关键词：基于X-Ray CT的煤矸颗粒细观结构及破损特性研究

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【摘要】：煤炭开采过程中会遇到众多地质层及多种岩石,且开采出来的煤与矸石颗粒是具有各向异性的非均质体,品种极多,性质各异,因此煤矸颗粒选择性破碎面对的是一庞大而复杂的集合体。根据煤与矸石颗粒的细观结构及宏观物理机械性质的差异,提出利用数字图像技术对煤与矸石颗粒内部细观结构及其破损特性进行研究,对提高煤矸破碎效率、降低破碎比能耗及实现煤矸高效分选具有重要意义。本文基于数字图像处理技术,以煤与矸石的形态参数、细观结构参数、物理力学性能参数为研究对象,采用理论分析、数值仿真试验和颗粒冲撞实验的方法对煤与矸石颗粒破损特性进行了系统的研究。借助不同的X-Ray CT扫描技术实现不同粒径的煤与矸石颗粒CT扫描实验,并综合利用传统的阀值分割技术及基于特征提取的图像分割技术实现不同粒径颗粒内部各种品相矿物的含量、分布形态及空间位置的定量表征,为进行煤矸颗粒的破损特性数值实验提供基础数据。对不夹杂矿物的煤、不夹杂矿物的矸石、夹矸煤及具有高密度矿物结核的煤等四类煤与矸石颗粒CT值分布规律进行分析研究。分析研究表明:煤与矸石颗粒CT值分布符合正态分布;通过对不同密度的煤与矸石颗粒进行CT扫描实验,证明煤与矸石颗粒体的密度ρ与CT值成线性关系;建立了煤与矸石颗粒物理密度与CT值的数学函数关系,实现了煤与矸石颗粒密度的无损测定。提出了利用体绘制及marching cube方法实现煤与矸石颗粒的三维重构,对不同粒径区间内的煤与矸石颗粒形态参数、细观结构参数、物理力学性能参数进行定量表征及计算。分析研究表明:煤与矸石颗粒的长短度及Zingg指数两个参数随着颗粒粒径的增加而增加,颗粒的扁平度随着颗粒的粒径的增加而减小,颗粒形状不规则程度随着球形度系数的减小而增加;颗粒内部各横截面裂隙细观结构参数均不相同,煤与矸石颗粒内部不同部位受损程度不同;颗粒内部裂隙较多部位及颗粒内部不同品相矿物结核与煤或矸石基体胶结的部位强度较弱,较易发生破碎。该研究成果实现了煤与矸石颗粒形态参数及细观结构参数的定量表征及计算,为煤矸颗粒破损特性研究提供一种新的方法。提出利用有限混合分布模型及复合材料混合率理论实现单颗粒煤与矸石颗粒物理力学参数的计算。分析研究表明:利用有限混合分布模型能够实现不夹杂其他矿物的煤、不夹杂其他矿物的矸石、夹杂单品相矿物的煤岩、夹杂多品相矿物的煤岩等四类煤岩的密度分布的定量计算。计算结果与传统排水法测定的煤与矸石颗粒密度值基本一致,验证了基于有限混合分布方法测定单个煤与矸石颗粒的密度的可行性;利用复合材料混合率理论实现煤与矸石颗粒等效弹性模量及等效泊松比的计算,计算结果表明每个煤与矸石颗粒的物理力学参数均不相同,验证了煤与矸石颗粒材料的非均质性。该研究成果为煤与矸石颗粒碰撞破碎仿真分析提供了基础实验数据。采用离散单元法进行了单颗粒煤岩材料的冲击破碎行为仿真研究,建立了单颗粒煤岩材料冲击破碎的离散元仿真模型,对非球形性煤岩颗粒破损特性的影响进行分析研究。分析研究表明:煤岩破碎形态除与冲击过程的时间有关外,还与煤岩颗粒的冲击速度有关,绝大部分的破碎碎片集中在墙体-颗粒碰撞区域附近,冲击速度越高,墙体力及破碎率也随之增加;非球形颗粒的碰撞破碎行为比球形颗粒复杂的多,在面冲击碰撞模式下,最大墙体力及破碎率值随着球形度系数的增加而减小;而在线冲击及点冲击碰撞模式下,最大墙体力及破碎率值随着球形度系数的增加而增加;颗粒与被冲击墙体的接触面积对最大墙体力及破碎率有较大的影响,绝大多数非球形颗粒的最大墙体力及破碎率随接触面积的减小而逐渐减小,且绝大多数的非球形颗粒的最大墙体力及破碎率比球形颗粒的值大;具有较小球形度系数的煤岩颗粒受碰撞模式影响较大,球形度系数的细微变化会导致非球形颗粒碰撞结果的巨大差异。通过数字图像处理技术及有限元技术(DIP-FEM)构建了煤与矸石颗粒真实细观结构数值模型,基于因次分析理论建立冲击板—煤岩物料碰撞破碎有限元模型的无因次乘积组。对冲击板质量为无穷大的情况进行分析研究,分析研究表明:煤岩颗粒冲击力是无因次量E/V2ρ的函数。煤岩颗粒所需的冲击力随着冲击速度的增加而增大;煤与矸石颗粒的冲击破碎力随着颗粒粒度的增大而增大;由于煤与矸石硬度差异,矸石所需的冲击力比煤颗粒所需的冲击破碎力要大。该研究成果为煤矸破碎机冲击力选择提供基础依据。利用正交试验法及支持向量机对影响井下煤与矸石分选的影响因素进行研究,确定煤与矸石破碎的最佳的工艺方案;利用X-Ray CT扫描技术及数字图像处理技术对不同破碎条件下的煤与矸石颗粒体裂隙率进行统计分析,定量分析了不同破碎条件下的煤矸的破损特性,为煤矸破碎分选设备参数选择提供依据。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD849.5;TP391.41

【参考文献】

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本文编号：1198009