基于CT扫描的破碎矸石侧限压缩透视试验装置研发与应用

发布时间：2020-06-22 02:28

【摘要】：矸石充填材料的压实力学特性是衡量充填开采效果的重要依据及指标,目前研究多围绕矸石充填材料宏观力学响应,而鲜有矸石充填材料压实细观破坏机理方面的研究。在通过CT扫描试验研究力学响应下矸石散体内部结构及变形机理时,目前CT扫描装置具有一定局限性,只能实现在散体材料卸载后对其进行扫描,且装置承受载荷能力较小,因此本文设计了一种基于CT扫描的侧限压缩透视试验装置,能够实现较大轴压下的侧限压缩试验,且在加载过程中对矸石实时扫描。综合力学分析、数值模拟、实验室试验等研究方法,设计试验装置结构,选取试验装置材料,计算关键部位尺寸并对其强度进行校核,结合数值模拟对试验装置的受力情况进行分析,最后通过实验室试验对装置进行实验效果检验。论文研究得到了以下主要结论:(1)为实现侧限压缩状态下的CT扫描试验,设计了由六个部分组成的破碎矸石侧限压缩试验装置,分别为:加压板、承压柱、桶体、螺杆、固定板、底座,根据强度及性能要求,选取可用于试验装置的材料分别为:聚甲醛(POM)、亚克力(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酰胺(PA)。(2)根据物理力学参数测试结果,确定聚甲醛(POM)为试验装置的制作材料;并通过侧向应力及材料抗拉强度计算出桶壁厚度,通过矸石回弹应力及材料抗拉强度计算出螺杆直径,根据机械设计原理校核桶壁及螺杆强度。(3)基于ANSYS Workbench模拟分析,轴压达到25MPa时,达到试验装置的安全系数临界点,25MPa即为试验装置的最大安全轴压;螺杆达到40mm时,安全系数达到安全标准,因此螺杆的最小许用直径为40mm。(4)结合X-RayCT扫描技术实现破碎矸石压缩试验各个阶段的CT扫描试验,对破碎矸石裂隙发育情况进行分析,并利用OTSU算法确定阈值,借助Mimicis Research软件对图像进行二值化处理和三维重构,破碎矸石三维模型为研究矸石充填体的孔隙率及矸石破碎情况提供了新的技术手段。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD823.7
【图文】：

扫描设备,工作原理,矸石

（a）工作原理（b）扫描设备图 2-1 CT 扫描工作原理及扫描设备Figure 2-1 Working principle and scanning equipment of ct scanning2.1.2 CT 扫描矸石成像原理对于破碎矸石CT扫描的过程为：将试验装置放置于CT扫描仪的样品台上，在 CT 检测时，X-Ray 射线束穿过破碎矸石，射线在破碎矸石以及空隙中会存在衰减的现象，射线信号穿过矸石材料到下方射线探测器，由计算机对矸石材料进行图像构建，不同密度物体在图像上显示的亮度不同，因此获得矸石的破碎情况以及孔隙结构的静态物理参数[84]。Philips iCT256CT 扫描系统主要包括以下三部分[85]：CT 扫描系统、数据采集系统、计算机系统图像显示及储存系统。在扫描过程中，破碎矸石单位质量吸收系数与 X 射线波长相关，当 X 射线一定时，波长保持不变，通过以下公式表示 X 射线衰减关系式：3.83.2bZ= aE （2-1）

金属伪影,现象

w中：μm——射线扫描矸石后衰减系数；μw——空气的射线衰减系数。由式（2-2）可知，CT 数值则反映了被检测物体的物质密度，由于本文需察的为煤矸石样品，矸石密度越大，则其 CT 数较大，可以利用 CT 数反映信息，空气与煤矸石的区分通过 CT 数表示。.2 试验装置的材料属性（Material Selection of Test Device）.2.1 试验装置材料选取的要求近年来 CT 成像技术在工业中广泛应用，目前广泛应用于土体三维重构、材料孔隙扫描等方面。而在 CT 成像过程中却往往由于扫描物体中存在金属生伪影现象，如图 2-2 所示。伪影（Artifacts）指的是扫描图像出现原本不的各种影像[86]。当扫描物体内部有金属存在时，会对 X 射线产生影响，最致 CT 图像上出现亮暗伪影、条形伪影等现象，对于 CT 图像处理分析、观石散体内部结构产生较大影响，严重破坏图像质量。

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