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：2017-09-11 14:48

1 绪论

基于煤、矸石颗粒性质的不同，不同的煤矸分选理论相继提出，其中重介分选、跳汰分选、风选等方法被洗煤厂广为采用，并达到了良好的分选效果，为提高煤炭质量做出了贡献，但是由于分选设备过于庞大限制了其在井下煤矸分选的应用。为适应井下设备安装空间及处理量的要求，发展高性能的井下煤矸分选设备，是有效促进煤矿绿色开采的根本途径。煤矸井下选择性破碎分选是利用煤与矸石的物理性质差异，在外载荷的作用下，煤颗粒破碎成若干个粒径不等的小颗粒而矸石颗粒不破碎或者极少破碎，导致煤与矸石颗粒粒径级配发生改变，通过物理分选的方法使煤和矸石颗粒有效分离[8-20]。煤与矸石的井下分选，不仅可减少矸石山对环境的污染、占用耕地等环境问题，同时为井下矸石充填提供基础原料，减轻由于煤炭开采导致的房屋沉陷和堰塞湖的形成，对于“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)煤层的开采也可提供一定的帮助。煤矸的选择性破碎作业按照破碎产物粒度不同可分为：粗碎、中碎、细碎及粉碎，煤破碎产物的粒度划分如表 1-1 所示。

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2 基于 CT 扫描实验的煤与矸石颗粒细观结构表征

2.1 CT 技术基本原理

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。

2.2 煤与矸石颗粒 CT 扫描实验图像评价

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。

3 煤与矸石颗粒 CT 图像处理及分……………40

3.1 煤与矸石颗粒 CT 数字图像处理基础……………40
3.2 煤与矸石颗粒 CT 图像分割……44
3.3 煤与矸石颗粒 CT 值分布规律分析……59
3.4 本章小节……………………67
4 煤与矸石颗粒形态参数、细观结构参数及物理力学性能参数定量表征与计算........... 68
4.1 煤与矸石颗粒形态参数定量表征与计算..……………68
4.2 煤与矸石颗粒细观结构参数定量表征与计算………………84
4.3 煤与矸石颗粒物理力学性能参数定量表征与计算.………96
4.4 本章小结…………………107
5 煤与矸石颗粒冲击破碎仿真研究………………109

5.1 非球形煤与矸石颗粒冲击破碎离散元仿真分析………… 109

5.2 基于 DIP-FEM 的煤与矸石颗粒冲击破碎有限元仿真分析……………122

5.3 本章小结…………………129

6 煤与矸石颗粒冲击破碎实验及破碎效果评价分析

6.1 煤与矸石颗粒冲击破碎实验研究

扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscopy，SEM)是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种观察物质微观性貌的电子显微镜，其可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。扫描电子显微镜实验装置及光学原理如图 1-5 所示。扫描电镜试样制备简单，有较高的放大倍数，可直接观察试样凹凸不平表面的细微结构。最新型号的扫描电镜都配有 X 射线能谱仪装置，可以同时进行样品组织性貌的观察和微观成分分析。与光学显微镜相比，扫描电子显微镜用电子束代替了可见光。但是电子显微镜中样本必须在真空中观察，因此无法观察活样本。且投射电子显微镜只能观察非常薄的样本，在处理样本时可能会产生样本本来没有的结构，加剧图像分析难度。SEM 能够观察样品表面形貌，但是不能测定样品的物相结构。

6.2 基于 X-Ray CT 扫描技术的煤与矸石颗粒群破碎效果评价分析

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。
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7 结论与展望

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。

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参考文献（略）

本文编号：831337