基于显微CT扫描和统计强度的煤岩损伤破裂特性研究

冲击地压与瓦斯等灾害制约了我国煤矿安全高效开采,但诸多煤岩动力灾害的发生机理不明。从巷道围岩冲击-瓦斯灾害实例出发,着重研究煤岩损伤破裂演化规律与模型。开展了X射线高精度显微CT扫描试验,利用三维重构技术获得了冲击倾向性煤高分辨率三维数字岩心图像,定量分析了非连续结构分布特征;采用计盒维数法和三维可视化软件AVIZO编程计算,得到了矿物条带和裂隙结构的表征参数;基于CT扫描重构和统计强度理论,提出了一种考虑三参量韦伯分布、瓦斯作用与有效应力的煤岩损伤破裂模型;进而,开展了含瓦斯煤岩三轴压缩试验,求解模型参数并验证模型可靠,揭示了煤岩渐进破坏过程中的损伤演化规律。具体而言,显微CT扫描重构和分形计算结果表明,冲击倾向煤内部矿物条带的表面积和分形维数分别处于0.0035~0.0137和1.1214~1.2342之间,而裂隙结构的表面积占比和分形维数则分别处于0.0006~0.0040和1.0651~1.1454范围。矿物条带的表面积占比和分形维数整体上大于裂隙结构的,说明冲击倾向煤内部的非连续结构数量多且分布复杂。此外,含瓦斯煤岩三轴压缩试验结果表明,围压作用下煤样应力应变关系呈现出典型的I类曲线特征,以剪切破坏为主,峰值强度和峰值应变随围压升高而增大。进一步,给出了损伤破裂模型7个参数的确定方法,并利用试验结果求解了模型参数和损伤变量。计算结果表明,该模型能较准确地反映煤岩压缩变形、准线弹性变形、塑性变形、峰值强度和峰后软化等渐进破坏特征。而且,在前2个阶段煤岩损伤变量小于0.2,进入塑性阶段尤其是峰后阶段,损伤变量急剧增大直至破裂。因此,提出了损伤阈值的概念,建议将损伤阈值0.2作为煤岩损伤破裂的预警值。研究结果将为煤岩动力灾害的发生机理、预警及防控提供理论支撑。

基于显微CT的泥岩单轴压缩破坏特征的声发射表征

研制了基于实时声发射采集和实时加载CT扫描同步进行的加载控制系统,组建了对岩石损伤、破坏过程进行声发射表征的实验系统和实验方法。研究表明:①在峰值载荷28%前,原生裂纹宽度基本无变化,而后经历先变窄再变宽的过程。在峰值载荷47%前,原生裂纹长度基本无变化,而后开始增长,原生裂纹在宽度上先进行扩展从而引起原生裂纹在长度上的增长;②在峰值载荷65%前,裂纹的延伸发生在裂纹尖端的软弱介质中,而后才是真正的原生裂纹起裂,并快速延伸扩展;③新生裂纹易产生在软硬夹层交界处,新生裂纹产生时的载荷约为峰值载荷的56%~75%,在峰值载荷84%前,裂纹处于稳定扩展阶段,三条裂纹同时各自发展;④裂纹宽度变大、原生裂纹在其尖端软弱介质中延伸、软硬交界处新生裂纹的产生过程中声发射较少,当这些过程连在一起时,便形成了声发射平静期;⑤建立了岩石孔隙率、裂纹长度和宽度与声发射能量、振铃计数之间的表征方程,并提出不同加载阶段岩石状态评价的判据。

成年人第5腰椎峡部Micro CT扫描的显微影像特点分析

目的对成年人第5腰椎峡部Micro CT扫描的显微影像特点进行分析探讨,了解Micro CT扫描在临床诊断中的应用效果。方法选择成年中国人干燥、无破损第5腰椎标本,经游标卡尺对第5腰椎峡部的相关数据进行测量,而后采取Micro CT三维重建系统对第5腰椎标本的三维骨结构进行分析,并分析与第5腰椎左、右峡部相对应的解剖参数进行测量。结果经对比发现,游标卡尺与Micro CT所测的第5腰椎峡部左右侧的三维数值之间差异均无统计学意义。结论 Micro CT扫描的显微影像可为第5腰椎易患疾病的诊断提供可靠的参考数据,临床价值显著,值得关注并推广。

显微CT技术在石油地质中的应用初探

显微CT技术具无损检测实体的优点,所得透视投影数据重建后可直接表征出物体内部微观结构的三维立体信息,且重构结果几乎接近于实际物体。显微CT适用专业领域范围及前景很广。其检测对象可以从低原子序数的有机物质到高原子序数的重金属材料。对显微CT技术方法做了简单介绍,通过对储层微观特征与流体特征的分析,初步探讨了该技术在石油地质领域的应用前景。

饱水-失水循环劣化条件下泥岩层理裂隙演化特征

为了研究饱水-失水循环劣化条件下膨胀性泥岩的裂隙演化特征,首先,对制备的圆柱体泥岩样品进行5次饱水-失水循环试验;然后,对原状样、1次和5次循环后的泥岩样品进行CT扫描;最后,结合图像分析技术对泥岩内部层理裂隙网络进行三维数字重构,对泥岩层理裂隙演化特征进行定性和定量分析。研究结果表明:重构的三维数字模型体积与真实泥岩样品体积相近,能够准确地表征样品体积特征和变化情况;随着饱水-失水循环次数增加,泥岩在不同部位上呈现出不同的发展趋势,即上部的裂隙增长速率较快,而下部的增长速率相对较慢;随着饱水-失水循环次数增加,裂隙总体积和连通裂隙体积不断增大,而独立裂隙的体积基本保持不变;随着饱水-失水循环次数增加,孔隙网络模型中各参量都呈增大趋势,裂隙的宽度和连通性都逐渐增大;在饱水-失水循环中,楔裂压力作用形成连通的层理主裂隙,失水收缩作用形成矩形裂隙网络。

应用Micro CT测量下颌第二磨牙牙根尖到颊侧骨板的距离

目的运用Micro CT技术测量牙根尖到颊侧骨板的解剖距离。方法应用Micro CT(Skyscan 1072,Antwerpen,Belgium)及cutome计算机软件分析三维骨结构。结果下颌第二磨牙,近中根和远中根到颊侧骨板的距离平均为5.18mm和4.09mm。上颌骨的颊根中,上颌第二磨牙近中颊根和远中颊根到颊侧骨板的距离最大,分别是4.63mm和3.61mm。结论Micro CT是一种快速、准确、不损伤样本内部结构有效的评价方法。

干燥失水条件下膨胀土的细观裂隙演化特征研究

干燥失水现象是引起膨胀土裂隙萌生和扩展的关键性因素,裂隙的演化过程对土体结构完整性和地基的长期稳定与安全具有重要影响。为了研究膨胀土干缩裂隙的演化特点,对原状土试样开展显微CT扫描试验,结合图像分析技术获取了土体细观裂隙的二维/三维图像与特征参数,从定性和定量角度分析了干缩裂隙的演化规律。结果表明:三维重构后的数字模型还原了膨胀土在干燥过程中的体积收缩特征,与试样实测的体积有较好的一致性;从显微CT图像中可以提取细观裂隙的量化指标,如裂隙率、裂隙数量、裂隙体积与裂隙结构特征参数等;随着含水率从24.0%下降至12.0%,膨胀土的裂隙率、裂隙体积呈增大趋势,裂隙数量呈减小趋势;根据裂隙的体积和几何形态特征将其分为连通裂隙和独立裂隙,干燥过程中连通裂隙的体积占比显著提高,独立裂隙数量不断减少;球棒模型有效地模拟了膨胀土裂隙的几何形态特征,在干燥失水过程中等效孔隙半径、喉道半径、喉道长度与孔喉配位数均有增大趋势,裂隙连通性显著增强;SEM图像表明细观裂隙的连通与黏土颗粒排列形式、粒间孔隙发育程度等存在重要关联。

渗流作用下风化壳淋积型稀土矿细观孔隙结构演化特征

为研究风化壳淋积型稀土矿浸出过程中溶液渗流作用对孔隙结构的影响,以去离子水为溶浸液开展浸矿实验.对浸出前后矿样进行显微CT扫描,获取了试样内部结构图像,利用阈值分割算法得到了浸出前后稀土矿样的孔隙结构图像.进而,研究了溶液渗流作用下试样孔隙结构的变化特征,分析了渗流作用对试样孔隙率、孔隙体积、孔隙长度、孔隙宽度和孔隙方位角等参数的影响.结果表明:稀土矿孔隙形状和尺寸在渗流作用下发生显著变化,且在粗细颗粒接触区最为明显;溶液渗流作用使得稀土矿孔隙率增大,孔隙总数量减少,孔隙总体积增大.渗流作用下矿样中小孔隙数量减少,大孔隙数量增多,各尺寸区间的孔隙数量变化率随孔隙尺寸的增大呈现先增大后减小的趋势.溶液渗流作用下孔隙长宽比分布更加集中,孔隙方位角在各角度区间的分布更加均匀,孔隙各向异性增强.

不同压实度花岗岩残积土的渗流模拟

以桂东南地区不同压实度的花岗岩残积土为研究对象,结合显微CT(micro computed tomography,微计算机断层扫描技术)扫描试验与Avizo软件中先进的数字图像处理技术提取孔隙网络模型。然后基于流体力学的传统方法(computational fluid dynamics,CFD),将孔隙结构的数字岩心模型导入Comsol进行微观尺度的渗流模拟,从微观角度研究水在不同压实度花岗岩残积土孔隙中的渗流特性,并与实测渗透率对比,检验数字岩心模型准确性、代表性。研究结果表明:花岗岩残积土渗流过程中,最大速度出现在连通性好的孔隙中心区域,且远超其他部位,沿着孔隙中心向外壁的方向,渗流速度逐渐减小;在连通性差的区域,流速近乎为0。随着压实度的增加,花岗岩残积土的孔隙连通性变差,各个截面上的孔隙结构发生变化,且各截面的平均渗流速度逐渐减小,这表明压实度对花岗岩残积土的渗流特性有重要影响。压实度为90%、100%、110%花岗岩残积土的平均渗透率模拟值分别是实测值0.9、1.35、0.77倍,该数字岩心模型能较准确地代表压实土体内部真实的孔隙渗流特征。

中间相沥青基炭泡沫材料有效导热系数表征方法研究

提出了一种基于中间相沥青基炭泡沫材料真实孔结构特点的数值模拟计算有效导热系数的方法。针对实际应用的中间相沥青基炭泡沫材料,通过高分辨显微CT扫描、压汞法、闪光法,分别对材料微观结构、孔隙率及孔分布、导热性能进行系统表征。采用三维重构、有限元仿真进行导热系数数值模拟计算有效导热系数并与实际测试结果对比。结果表明,有限元仿真计算的导热系数需引入孔结构修正系数,进而表征炭泡沫材料的有效导热系数。对于大尺寸中间相沥青基炭泡沫有效导热系数的表征,确定前驱体的导热参数,并结合孔结构的有限元仿真计算与孔隙率实测数据,可预估大尺寸炭泡沫样件的有效导热系数。

基于microCT的基因修饰小鼠骨微结构的分形维数分析

目的分析基因修饰小鼠股骨及下颌骨显微CT(microCT)扫描影像的分形维数(FD)。方法采集1-α羟化酶敲除纯合子小鼠(A组)、人成纤维细胞生长因子23过表达小鼠(B组)、1-α羟化酶敲除联合成纤维细胞生长因子23过表达小鼠(C组)和野生型小鼠(D组)的股骨和下颌骨,采用microCT扫描及三维重建影像评估骨质疏松程度,并测量小鼠股骨和下颌骨影像兴趣区域的FD值。结果与D组相比,A、B、C组小鼠股骨和下颌骨的皮质骨厚度、骨小梁容量减少,下颌第一、第二磨牙的牙尖釉质磨耗增加,股骨远端各兴趣区以及下颌第一、第二磨牙牙槽骨的FD值增加(P<0.05);而A、B、C组间股骨和牙槽骨的FD值均无统计学差异(P>0.05)。下颌第一磨牙牙槽骨与股骨远端干骺端的FD值显著相关(r=0.777,P<0.01)。结论 FD值可以较好地反映骨质疏松状况,股骨干骺端和下颌牙槽骨是较合适的兴趣部位,分形分析可运用于下颌骨影像的再分析。