CT可视化的受载煤体三维裂隙结构动态演化试验研究

为研究受载煤体中裂缝动态发展演化规律及其形态变化特征,以受载煤岩工业CT扫描系统为实验平台,开展单轴、三轴应力加载条件下煤样变形破坏全过程的工业显微CT扫描试验,得到能反映受载煤样失稳破坏全过程的三维裂隙结构CT扫描信息和应力-应变曲线等测试结果,运用VG Studio MAX图像分析软件,对CT扫描数据重建体模型得到的可视数字煤芯进行精准的裂缝提取和裂隙形态的数字化定性定量表征,对比分析了单轴、三轴受载条件下煤体裂隙发育形态的动态变化。研究结果表明:工业CT扫描是研究受载煤岩内部裂纹发育演化过程的有效手段,裂隙体积和裂隙率随应力的变化关系是受载煤样裂隙动态演化过程的直观体现,在煤样受载过程中呈现出缓慢降低-缓慢增加-急剧增加-增速放缓的发展规律;煤体在受载条件下内部裂隙演化经历了初始压密、弹性变形、新裂隙渐增、新生裂隙速增、裂隙扩展贯通和残余变形6个阶段,破坏形式为剪切破坏;煤样在三轴加载和单轴加载下的屈服强度和裂隙演化过程以及破坏后的裂隙形态均有显著差异,说明围压是影响受载煤体失稳破坏过程的重要因素;工业CT扫描图像显示,裂纹发育扩展随应力荷载的增加优先沿着矿物与煤基质的接触面开始起裂。研究结果可为煤炭合理安全高效开采及井下支护提供借鉴。

显微工业CT的受载煤样裂隙动态演化特征与分形规律研究

为观测受载煤样裂隙演化过程,利用受载煤岩工业CT扫描系统对煤样单轴压缩破坏过程进行CT实时扫描实验,将CT扫描图片导入VG Studio MAX图像分析软件进行煤样的三维数字化模型重建,得到煤样内部裂隙空间的分布情况。运用MATLAB软件通过分析和计算得到了煤样内部结构的灰度直方图和裂隙分形维数,综合分析煤样裂隙的动态演化特征和分形规律。研究结果表明:利用灰度直方图和VG Studio MAX软件分析结果能有效地定性和定量描述受载煤样内部裂隙动态发展的总体变化规律;全应力应变过程中,受载煤样的断面裂隙面积、断面裂隙谱峰面积和三维裂隙体积总体上呈先减小后增加的变化趋势,真实客观地反映了煤样内部裂隙结构的动态演化规律,充分体现了外部载荷和变形对裂隙发展的控制作用;裂隙分形维数主要经历了缓慢降低、平稳增加、大幅突增和缓慢升高4个发展阶段,有效刻画了受载煤样内部裂隙的演变发展过程,其变化规律与裂隙动态变化规律保持了良好的一致性,可用于受载煤样失稳破坏的预测。

高精度成像解析技术与化石无损检测

古生物学已有200多年的发展历史,它通过研究化石获得生物演化的信息。过去观察化石主要是通过光学显微镜和扫描电子显微镜,现在的高精度成像解析技术为古生物学研究注入了新活力,它可无损窥察化石内部的细微结构,从原有的和新发现的化石中挖掘出大量前所未知的新信息,让我们看清远古时代的演化奥秘。

三维X射线显微技术与小型-微体化石高分辨率无损成像

在古生物学研究中,以X射线断层成像(Computed Tomography)为代表的三维无损成像技术可以在不破坏化石标本的前提下,同时获得标本外观形态和内部结构的信息,相比传统的可见光成像手段有着明显优势。为推动化石三维无损成像技术在国内古生物学领域的发展,本文系统介绍一种新型显微CT技术——三维X射线显微术(Three-Dimensional X-ray Microscopy)。与基于几何放大和吸收衬度成像的传统显微CT技术相比,该技术有若干优势:(1)将同步辐射X射线显微断层成像的光学成像系统引入基于实验室X射线源的显微CT系统中,在几何放大的基础上增加了光学放大,优化了传统显微CT的系统架构,弥补了传统显微CT单纯依靠几何放大的不足,提高了空间分辨率;(2)采用可移动的X射线源和优化的光学成像系统,实现了低能X射线相位衬度成像,可以三维重构传统显微CT技术无法有效探测的、低吸收衬度的化石标本;(3)基于新的成像架构和成像算法,实现了厘米-分米级较大标本内部"感兴趣区域"(Region of Interest)精确导航和局部高分辨率(微米-亚微米空间分辨)成像;(4)可以实现小型扁平标本(宽厚比>4,宽<10cm)高效率、高分辨率成像和长条形微体标本长轴方向自动分段无缝拼接的微米至亚微米级高分辨率重建,弥补了传统工业显微CT针对小型扁平标本和长条形微体标本高分辨成像效果不佳的缺陷。这些优势使得基于实验室X射线源的显微CT成像技术可以获得接近同步辐射X射线源的成像质量,从而有效推动化石生物学研究。