基于灰度共生矩阵和工业CT扫描的受载含瓦斯煤裂隙动态演化特征

为研究受载含瓦斯煤在三轴压缩作用下的裂隙演化规律,利用受载含瓦斯煤显微工业CT扫描系统,开展了三轴加载条件下受载含瓦斯煤的工业CT扫描测试,获取了受载含瓦斯煤的应力-应变曲线和各变形阶段的CT扫描图形.运用图像分析软件对CT扫描数据进行了三维数字重建,实现了煤样内部裂隙的三维可视化和定量表征,并基于灰度共生矩阵(GLCM)理论分析了受载含瓦斯煤的裂隙动态扩展特征及规律.研究结果表明:瓦斯压力的存在一定程度上弱化了受载含瓦斯煤的力学性质,同时也加速了裂隙的扩展;受载含瓦斯煤二维裂隙先闭合后扩展,峰后快速扩展并形成连通二维裂隙网络;三维裂隙体积和裂隙密度呈现出先减小后增大的变化趋势,总体上可划分为裂隙压密闭合、新裂隙萌生扩展和主裂隙加速扩展贯通3个变化阶段;灰度共生矩阵分析中,对比度先减小后增大,能量和同质性先增大后减小,相关性呈现出单调递减趋势,准确描述了受载含瓦斯煤内部裂隙随应力增加不断变化的总体发展规律.

基于工业CT扫描的瓦斯压力影响下含瓦斯煤裂隙动态演化特征

为探索瓦斯压力影响下的含瓦斯煤裂隙动态演化特征及其规律,利用受载煤岩工业CT扫描系统开展了三轴压缩条件下的含瓦斯煤原位工业CT扫描试验,获取了不同变形阶段的含瓦斯煤原始CT图像和应力-应变曲线等测试结果,通过三维重构技术得到了含瓦斯煤的数字化模型,运用图像分析处理软件对数字化模型进行了裂隙结构的精确提取,实现了含瓦斯煤内部裂隙结构空间形态的可视化展布,并结合分形理论对含瓦斯煤内部裂隙结构进行了定性和定量分析。研究结果表明:围压一定时,不同瓦斯压力下受载含瓦斯煤的全应力-应变曲线变化趋势大致相同,均经历了5个变形阶段,即初始压密阶段、线弹性变形阶段、塑性屈服阶段、峰值破坏阶段和残余变形阶段,含瓦斯煤的峰值强度、弹性模量和残余强度均随瓦斯压力的增大而线性减小;全应力-应变过程中,在瓦斯压力作用下,含瓦斯煤二维裂隙的分形维数和裂隙像素比变化趋势基本一致,呈现出先减少(或不变)后加速增大再增速放缓的变化规律;含瓦斯煤三维裂隙的裂隙率、裂隙密度和三维分形维数变化趋势基本一致,均呈现出缓慢下降、缓慢增长和急剧增长的三阶段式演化规律;破坏失稳后,含瓦斯煤裂隙像素比和二维分形维数随瓦斯压力的增加而线性增大,并且含瓦斯煤的裂隙密度、裂隙率和三维分形维数也随之线性增加;瓦斯气体的存在促进了受载含瓦斯煤的裂隙扩展和贯通,二维裂隙和三维裂隙的数量及网络复杂程度随着瓦斯压力的升高均增大;吸附瓦斯的非力学作用和游离瓦斯的气楔膨胀作用共同导致了含瓦斯煤力学性质的整体弱化。

工业计算机断层扫描仪(工业CT)研制报告

工业ＣＴ（ＩＣＴ）是对是用于工业产品进行于损检测和探伤的先进仪器。 ＩＣＴ技术能紧密、准确地再现物体内部的三维立体结构，能够定量地提供物体内部的物理、力学等特胜，如缺陷的位置及尺寸、密度的变化及水平，异型结构的形状及精确尺寸，物体内部的杂质及分布等。ＩＣＴ的功能和特性在许多方面越过Ｘ 光和超声检测，为航空、航天、兵器等工业领域的精密零部件的无损检测提供了新的手段。该技术研制成功并荣获１９９４年度亚洲ＣＴ技术十大科技进展成果奖。有关专家认为该技术居国内先进水平，与国际水平相当。我们研制的工业ＣＴ机己经为中国航空材料研究所、中国运载火箭技术研究院、兵器工业总公司等多家科研。

工业电子计算机断层扫描(CT)术中长度测量误差修正方法

工业CT是一个复杂的组成结构,在测量过程中存在误差是一个绕不开的问题,因为X射线源、探测器、图像重建算法等就会形成一个综合性的误差源,最终会让它的溯源校准工作很艰巨。基于此,对于工业电子计算机断层扫描(CT)长度测量误差的修正分析尤为必要。针对这个问题,我们采用工业电子计算机断层扫描(CT)术中长度测量误差修正方法进行解决。

工业CT在喷管逆向重构中的应用

介绍了工业CT技术在逆向工程中的应用,通过对逆向工程方法的分析,提出了利用工业CT断层扫描技术对喷涂用喷管进行原始数据获取,然后经过边界提取与结构分析来精确测量喷管内部的尺寸变化,并制定出一系列的技术方案,从而保证喷涂喷管内部尺寸数据的安全性和可靠性。

快速Arclet变换及其在工业CT图像圆测量中的应用

为了准确描述工业CT图像中的圆形结构,提出一种基于多尺度几何分析工具Arclet的圆测量算法。首先,通过分析单尺度Arclet基函数间的空间关系,设计了单尺度快速Arclet数字变换算法;基于该Arclet数字变换,提取出单尺度上的候选圆特征。然后,考虑Arclet相邻尺度基函数间的空间关系并结合多尺度四叉树结构,按照从根到叶的方向,依次对相邻尺度间的候选圆特征进行取舍。最后,融合各尺度剩余的候选圆特征,得到提取结果,并根据提取结果计算出半径等圆参数。基于实际工业CT图像进行了圆测量试验,结果表明,最大半径绝对误差的绝对值<0.1mm,最大半径相对误差的绝对值<0.5%;即使对原工业CT图像引入不同强度的高斯噪声,测量结果依然满足要求。本文提出的工业CT图像圆测量算法对噪声干扰具有很好的抑制能力,能满足准确描述工业CT图像中圆形结构的要求。

锥束扫描三维CT及其工程应用

目的介绍了作者基于非晶面阵探测器开展的3D-CT(Theedimensional Compurted Tornography)及基于ICT(IrKhJsnjal Cornpu TOmography)的逆向工程技术R Revase Engineening研究。方法与资料利用具有高分辨率、高；2敏度、高事瞻态范围吲}晶崮鄙车揪啃器开展镭}出瞄3I)．CT研究，采用Fektk~型型程莲建算法，即利用锥即利用锥束射线回转扫描得到的二维数字投影序列重建扫描区域断层图像。在小锥角情况下，重建质量可以与二维cT相美；对三维重建得到的CI'图像进行相直的图像、图形处理，获取实物内外表面轮廓数据，并将其输入CAD设汁平台，逆求出实物原型的CAD模型。结论320KV和9MeV高、低能射线下的重建指标：空间分辨率为2．0-3．0Lp/ma；密度分辩率为03％：基于3D-CT的RE技术寸刊秤携哧结构的快速原型韦啦告、技才、一破泽、改型设讨提供了有力自孵锻，有着十分重要的直用价健和广泛需求前景。

冲击载荷下含瓦斯煤动力学破坏特征与瓦斯渗流规律分析

为探究不同冲击载荷和瓦斯压力作用下的含瓦斯煤动力学特征、裂隙扩展及瓦斯渗流变化规律,采用含瓦斯煤岩冲击损伤-渗流试验系统开展含瓦斯煤冲击试验以及原位渗流测试,并结合工业CT扫描系统进行试样裂隙结构的三维重构,分析含瓦斯煤内部裂隙扩展特征及其对瓦斯渗流的影响规律。研究结果表明,冲击载荷和瓦斯压力对含瓦斯煤的动力学性质、变形过程、裂隙扩展和渗流规律均具有重要影响,具体表现在:①受围压和轴压的影响,冲击载荷耦合瓦斯压力条件下的含瓦斯煤应力-应变曲线无明显压密阶段;含瓦斯煤的变形过程主要经历了弹性变形阶段、应变强化阶段及破坏阶段。②冲击载荷的增加对含瓦斯煤动力学参数具有强化作用,气体压力的升高则劣化了含瓦斯煤动力学参数;冲击载荷越大,瓦斯压力越高,含瓦斯煤的裂隙扩展愈充分,所形成的裂隙结构愈复杂。③含瓦斯煤的渗流规律受控于裂隙扩展,冲击载荷耦合瓦斯压力作用下,含瓦斯煤中存在孔隙流动、孔隙流动-裂隙流动并存及裂隙流动等3种气体流动形式;含瓦斯煤冲击破坏后,随着气体压力增加以及气楔作用的增强,瓦斯流动形式可由孔隙流动依次转变为孔隙流动-裂隙流动并存和裂隙流动;裂隙扩展和流动形式共同影响含瓦斯煤渗流规律,含瓦斯煤渗透率随瓦斯压力的增大总体上符合先增大后减小的变化趋势。

爆后岩石裂隙结构可视化及定量表征方法

爆后岩石破坏特征的定量表征一直是工程爆破领域急需解决的关键问题,爆后岩石裂纹萌生、扩展演化直至贯通的过程是导致岩石破裂的主要原因。为了研究被爆岩石内部裂纹扩展和断裂模式的演化过程,利用工业CT对爆后岩石进行扫描观测,通过图像堆栈矢量化处理构建岩石三维裂隙模型,并对裂纹结构特征参数进行统计分析,定量化表征岩石破坏程度及裂纹扩展情况。结合数值模拟分析爆炸冲击波压力的衰减规律,通过SEM电镜扫描试验研究爆破过程中不同位置岩石的微观形貌特征,对比断口元素成分变化与断裂模式的关联机制。研究结果表明:用等效球体方法对岩体内不同尺度裂隙结构进行统计分析,微裂隙数目多且分布均匀,主裂隙体积大且连通性较好。随着裂隙等效球体直径的增加,裂隙表面积和体积整体上呈上升趋势;三维重构裂隙结构中裂隙率可以表征岩石局部裂纹扩展特征,爆炸近区裂隙率和三维分形维数远大于爆炸中远区的裂隙率和分形维数,说明岩石破裂过程中裂隙扩展演化主要在此阶段进行;相较于爆炸中远区,爆炸近区冲击波压力峰值高且衰减速率慢,使得整个爆破过程岩石微观断裂模式变化较大,大致呈现出由沿晶断裂向穿晶断裂、脆性断裂向塑性破坏的方向进行,非金属元素质量的变化对于各阶段断裂模式转变具有显著影响,断裂模式转变区域非金属元素质量发生明显减小。随着爆破作用的减弱,岩石破裂逐渐趋于无序和紊乱,破裂时断口也不限于解理面和晶粒边界。

瓦斯抽采钻孔割缝注浆堵漏防渗效果实验研究

为解决瓦斯抽采钻孔密封质量不佳问题,通过工业CT扫描观察钻孔内部封孔效果,划分钻孔漏气形式,建立钻孔漏气模型,并提出割缝注浆新型封孔方法。通过对不同割缝数量注浆试样的渗透率及单轴抗压强度研究,确定了最佳割缝数量。实验结果表明:随着割缝数量的增加,注浆后试样的渗透率在缓慢减小,而抗压强度呈下降趋势;综合考虑,合理割缝数量为2条。采用新型割缝注浆封孔方法,有效地提高了瓦斯抽采钻孔封孔段的良好密封性,提高煤矿井下瓦斯抽采效率,保障煤矿安全高效生产。

不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性及其劣化特征

为探究不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性及其劣化规律,利用自主研发的含瓦斯煤岩动静组合加载试验系统对含瓦斯煤开展冲击压缩试验,结合CT扫描系统分析了含瓦斯煤内部裂隙的扩展演化规律,并基于不同初始瓦斯压力下冲击煤样内部裂隙率增量定量表征了其细观损伤程度,探讨了冲击荷载作用下含瓦斯煤宏观力学参量劣化规律。研究结果表明:(1)冲击荷载作用下含瓦斯煤动态应力-应变曲线无明显压密阶段,分为线弹性阶段、塑性硬化阶段和破坏阶段,并发现随初始瓦斯压力升高,冲击煤样峰值强度、峰值应变和弹性模量均出现弱化现象;(2)瓦斯加剧了煤体内部裂隙的扩展和贯通,并根据CT扫描结果发现,含瓦斯煤冲击破坏模式主要以劈裂和层裂破坏为主,随初始瓦斯压力升高,两种破坏模式越显著,煤体内部裂隙数量及其损伤程度逐渐增大,空间裂隙网络更为复杂;(3)基于细观层面定义了损伤变量,得其值随初始瓦斯压力升高呈现二次函数上升,对比冲击载荷作用下煤体动态强度与以裂隙率增量定义损伤程度所得理论强度,验证了细观层面煤体裂隙率增量定义损伤变量的合理性,建立了含瓦斯煤细观劣化与宏观参量损失的内在联系。研究成果丰富了含瓦斯煤动力学基础理论,为矿井煤岩瓦斯复合动力灾害的防治提供了理论参考。

气体性质和孔隙压力对煤体微裂隙扩展的影响

利用工业CT扫描系统,观测不同气体压力条件下煤体内部微裂隙萌生扩展特点,为揭示煤层瓦斯流动产出控制因素提供新的依据。结果表明:非吸附性气体作用下,随孔隙压力的升高,煤体内部微裂隙的萌生和扩展愈加明显,裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐减小,符合气体压力影响下的裂隙扩展方程,微裂隙扩展主要受控于应力集中效应和煤基质收缩效应。吸附性气体作用下,随吸附时间的延长,煤体内部微裂隙的萌生和扩展则越来越显著,直至扩展平衡;裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐变小,符合吸附时间影响下的裂隙扩展方程;裂隙扩展主要受应力集中效应、煤基质收缩效应、蚀损作用和劣化机制影响;吸附压力越大,煤体所需的吸附平衡时间愈长;微裂隙扩展平衡时间长于气体吸附平衡时间,裂隙扩展具有明显的滞后性。

不同冲击速度下含气砂岩损伤−渗流特性试验研究

为探究不同冲击载荷作用下含气砂岩冲击损伤特征和渗透性规律,利用含瓦斯煤岩冲击损伤−渗流试验系统和工业显微CT扫描系统,设计并开展了三轴预应力状态下不同冲击速度加载的动态压缩−原位渗流试验,重构了受冲击损伤砂岩的三维裂隙结构,对比分析了固−气耦合试样不同冲击速度加载下的动态应力−应变曲线特征、能量耗散规律、破坏损伤和渗透性演变特征。研究结果表明:含气砂岩的应变率随冲击速度的增加而增加,入射波能、反射波能、透射波能和吸收能也随之逐渐增大。含气砂岩的峰值应力和峰值应变也随冲击速度的提升而逐渐增大,且动态应力−应变曲线的压密阶段不断被压缩直至完全消失。三轴固−气耦合动态冲击条件下,含气砂岩的破坏形式以剪切破坏为主;随着冲击速度的递增,冲击载荷与气体压力联合作用下含气砂岩内部的张拉裂隙数量不断增加,新生裂隙相互连接促使了宏观贯通裂隙的形成;泊松比效应和偏心压缩作用使砂岩上分别形成了沿试样轴向方向延伸和垂直于轴向方向延伸2种张拉裂隙,2种裂隙在试样外沿相互连通,呈现出网格状。含气砂岩的吸收能量直接决定了其损伤程度,吸收能量的不断增加,不仅加大了含气砂岩破坏后的损伤程度,也大幅提高了含气砂岩的渗透性;冲击受损破坏之后的含气砂岩渗透率与其裂隙率遵循线性正相关关系。

原生煤岩组合体界面力学效应数值模拟研究

原生煤岩组合体界面是非均质的且包含大量复杂的微观结构。为透明求解非均质煤岩界面导致的复杂物理场,采用工业CT对原生煤岩组合体试件进行了扫描试验,重构了原生煤岩组合体界面三维模型,计算了非均质煤岩界面的分形维数;基于此建立了原生煤岩组合体数值模拟模型,模拟分析了单轴压缩条件下原生煤岩组合体的应力及损伤特征,并通过煤岩组合体单轴压缩试验结果验证了数值模拟规律的可靠性。研究结果表明:原生煤岩组合体界面具有复杂的微观结构且具有分形特征,分形维数能够反映界面宏观形态;单轴压缩状态下,原生煤岩组合体中垂向应力呈非均匀分布,煤岩界面的存在会在煤体中派生水平压应力,在岩石中派生水平拉应力,煤岩界面附近水平应力呈拱形分布;原生煤岩组合体的损伤破坏主要发生在煤体中,煤体的损伤首先发生在远离界面的煤体中并逐渐向界面处扩展,界面分形维数与试件出现初始损伤对应的轴压呈正相关;由于煤岩界面压应力拱的存在导致原生煤岩组合体整体的强度高于煤体,破坏后的煤体呈拱形分布。预期研究结果对于煤岩动力灾害防治具有一定意义。

土壤大孔隙结构对饱和导水率的影响

【目的】探究土壤不同孔径大孔隙结构特征及数量对土壤饱和导水率的影响,为研究区域土壤水分−溶质迁移规律、水土流失治理与土壤污染防治提供理论参考。【方法】以京郊密云水库五座山林场水源涵养林为研究点,基于工业CT扫描技术,对土柱中土壤大孔隙三维空间结构重建后,探究不同孔径大孔隙结构特征参数密度及数量密度对土壤饱和导水率的影响。【结果】(1)除当量孔径大于4.30 mm以外的大孔隙,当量孔径越大,其数量密度越小,结构特征参数密度越小;(2)6个样地3个土层内当量孔径为0.31~2.30 mm的大孔隙占所有孔隙的比例均高于95%;(3)样地1、2、5和6中饱和导水率最大的均在0~10 cm土层,且除样地6外,均随深度增大而减小,样地4的饱和导水率随深度增大而增大;(4)除当量孔径大于4.30 mm的大孔隙体积密度外,5个径级所有其他的大孔隙特征值密度均与饱和导水率呈显著正相关。【结论】(1)在0~30 cm土层内,大部分样地的饱和导水率随土层深度增加而减小,但也会出现随深度增加而增大的情况;(2)林地土壤的大孔隙当量孔径主要集中在0.31~2.30 mm,其占有率高达95%;(3)当量孔径越小的大孔隙,除大孔隙体积和表面积外的大孔隙结构特征参数密度越大;(4)除当量孔径>4.30 mm的大孔隙体积密度以外的大孔隙特征参数与饱和导水率均呈显著正相关,大孔隙数量对饱和导水率的影响要显著大于大孔隙结构参数。

若干因素对多孔水泥混凝土内部孔隙状态影响研究

为研究骨料因素和成型工艺的不同对多孔水泥混凝土内部孔隙状态的影响,采用工业CT扫描技术对多孔水泥混凝土试件内部孔隙进行识别,并通过CT图像数据提取方法获得多孔水泥混凝土内部孔隙率、孔隙连通状态及孔径尺寸等。结果发现,不同骨料级配中,随骨料粒径增大,多孔水泥混凝土试件内部孔隙率、平均孔径大小以及孔隙连通状态整体呈增长趋势。与碎石相比,卵石多孔水泥混凝土孔隙率和平均孔径略小,连通孔隙率略高。振动时间越长,孔隙率越低,平均孔径越小,但随时间的增加,变化并不明显。与此相反,采用插捣法制备的试件内部孔隙分布均匀性较振动法差,且试件内部连通孔隙率要高于振动法。相较于骨料体积比、骨料种类以及成型工艺,骨料级配对孔隙状态影响最为显著。

15mm厚度TC4合金增材制造制件的射线照相检测

以15mm厚度TC4合金增材制造自然缺陷试样为对象,研究其射线照相检测工艺及灵敏度,并采用90°翻转照相、工业CT断层扫描技术进行验证。试验验证结果表明:射线照相检测可检出15mm厚度TC4合金增材制造制件中直径为0.4~0.5mm的孔洞缺陷,然而同射线照相透视成像相比,工业CT断层扫描成像技术更有助于缺陷的定位和定量。

煤的裂隙结构分形特征与分形渗流模型研究

利用工业CT扫描实验系统对煤样进行了无损扫描,获取了煤样内部裂隙结构的发育程度与分布特征;基于分形理论计盒维数法的计算原理与煤样CT二维断面图的图像数据,利用MATLAB软件计算了煤样裂隙结构的二维分形维数,结合二维分形维数与三维分形维数之间的理论关系,得到了煤样裂隙结构的三维分形维数,分析了分形维数与煤样内部裂隙结构发育程度之间的关系;在此基础上,结合渗流理论,建立了煤的分形渗流模型.研究结果表明:分形维数可有效反映煤样内部裂隙结构的发育程度,分形维数越大,裂隙越发育;所建的分形渗流模型是准确合理的,可用于预测煤的渗透性.研究结果可为煤层瓦斯抽采和煤矿安全生产提供理论支撑.

基于LBM方法的裂隙煤岩应力–应变过程中渗流特性研究

为了研究受载裂隙煤岩的渗流特性,利用工业CT扫描和图像处理技术,重建可用于LBM数值模拟的三维裂隙场,开展受载煤岩在不同加载阶段的CT扫描与渗流实验。试验测试和数值模拟研究的结果表明:LBM模拟结果的平均误差为18.72%,与渗流实验结果具有良好的一致性,表明LBM模拟方法具有较好的准确性和有效性;LBM模拟结果的准确性与煤岩内部裂隙发育程度有关,裂隙愈发育、连通性愈好,LBM模拟结果愈准确;裂隙煤岩的渗透性与其内部裂隙场的压缩和扩展密切相关;煤岩渗透性在压密阶段和弹性变形阶段不断降低,在弹性变形后期和屈服变形阶段增大,峰值强度后的卸压破坏阶段达到最大。研究结果验证了LBM数值模拟在描述裂隙煤岩渗透性的可行性,为今后受载裂隙煤体内部瓦斯流动机制、流动规律和煤层瓦斯抽采过程的可视化研究提供了可靠途径。