[发明专利]一种基于工业CT的煤岩体多尺度力学特性分析方法

摘要

一种基于工业CT的煤岩体多尺度力学特性分析方法，是一种能够与CT扫描特征相匹配的煤岩多尺度力学特性分析方法，包括顺序切割、CT精确扫描、基质夹杂重塑、分别三轴实验获力学参数、顺序组合进行数值压缩的一整套方法实现煤岩体多尺度力学特性分析，突破了传统的基于概率统计的随机模拟方法的局限性。该方法首先在开采矿井选取块体切割成1m×1m×1m的立方体，然后再次切割成1000块0.1m×0.1m×0.1m的小煤块并顺序编号和CT扫描，并再次顺序重新组合获得大立方体网格模型；将切后煤体磨成煤粉并进行重塑，分别进行三轴实验获得基质与杂质的力学参数，带入网格模型计算不同体积煤块的相关物理力学参数，从而获得表征单元体积及对应参数。

主权项

一种基于工业CT的煤岩体多尺度分析方法包括以下步骤：S101：在矿井煤炭开采工作面选择煤体块体，块体何种形状均可，但是要求该块体每条棱边的最小长度均大于1.5m。S102：将S101中所述煤体块体采用矿山锯(型号:KSG‑3600)切割成1m×1m×1m的立方体。S103：将S102中所述立方体切割成1000块0.1m×0.1m×0.1m的小煤块，并以每个煤块切割前所在位置为依据，依次给每一个煤块进行编号。S104：将S102步骤中切后剩余的煤体磨成煤粉，分别找到其中的基质部分和夹杂部分。S105：对煤粉中的基质和杂质分别进行重塑，随后分别进行三轴压缩试验，获得煤块中基质与夹杂的力学参数。S106：利用加载式工业CT(型号：ACTIS300‑320/225)对S103步骤中所述小煤块按照专利“一种基于CT扫描的受载煤岩损伤本构方程构建方法”所述方法依次进行扫描、网格重建，以获得每个煤块内部基质、孔隙以及夹杂的分布，并导入数值模拟软件中建立煤样网格模型，从而可以得到1000个小煤块的网格模型。S107：以S103步骤中每个煤块切割前所在位置及编号为依据，得到不同体积大小的正方体煤块网格模型。S108：对S106步骤中不同体积大小的正方体煤块网格模型中的基质与夹杂按照S104步骤中力学参数进行赋值，带入数值模拟软件中进行计算，并记录下不同体积煤块的相关物理力学参数。S109：煤体物理参数随煤块体积增大而减小，到达REV体积时物理参数不再改变。因此，找出物理参数随体积不再改变的点即为对应的REV点，而该点所对应的物理参数即为煤体表征单元体积的物理参数。其中，步骤S103所述的大煤块切割及编号方法具体包括以下步骤：步骤1、在1m×1m×1m的正方体大煤块的每一面上分别等距画出九条横向细线和九条纵向细线，即将每一面都划分为100个相同的小方格。步骤2、以正方体煤块的右下端作为原点，相交于原点的三条棱边分别分为X轴、Y轴、Z轴，先沿X轴对划分出的煤块进行排序，从X轴原点到煤块X轴终点依次排序1,2…10。再沿Y轴对划分出的煤块进行排序，并且从Y轴原点到煤块Y轴终点排序1,2…10。再沿Z轴对划分出的煤块进行排序，并且从Z轴原点到煤块Z轴终点排序1,2…10。步骤3、按照上述排序对1000块小煤块进行编号，分别编号为XiYjZk，其中i为该煤块在X轴对应的顺序，j为该煤块在Y轴对应的顺序，k为该煤块在Z轴对应的顺序。步骤4、沿着所画细线将每一个小煤块切割下来，即1000块0.1m×0.1m×0.1m的小煤块，其对应编号为XiYjZk。其中，步骤S104所述的煤粉中基质和夹杂部分的获取方法具体包括以下步骤：步骤1、取一块1dm3左右(近似即可，不需精确)的步骤S102中切下剩余的煤块，采用电子秤称量其质量m。再将其放入一个可以将煤块完全放下的圆柱形量杯中，加入大于1dm3的水，读出初始时水面位置对应的体积V1，将煤块缓缓放入，待水面平静后，再次读出此时水面位置对应的体积V2，可以得到煤块的体积V3为(V2‑V1)。煤块密度则为ρ＝m/V3。步骤2、将S102中切下剩余的煤块的用锤式破碎机(型号:PCΦ400×300)破碎成粒度为25mm以下的煤块，再用高压型微粉磨(型号：YGM9531)将破碎后的煤块磨成粒度为90μm以下的煤粉。步骤3、对步骤2中得到的煤粉进行重液离心分离。比重液选用吉林冶金研究所开发的JY型无毒变温型重液，根据步骤1中得到的煤块密度ρ，在(ρ‑0.5)g/cm3～(ρ+0.5)g/cm3之间等间距配置十组比重液，每组容量为1000mL。再向每组中加入100cm3混合均匀后的煤粉，观察每组中各级密度物的分离量，找出分离程度最大的一组。步骤4、再配制100L与步骤3中分离程度最大组所对应的密度相同的比重液，加入0.01cm3的煤粉，待其充分分离后，收集得到的各级密度物，包括煤粉基质和夹杂两部分(其中浮在比重液上部的是煤粉基质部分，沉在底部的是夹杂部分)，并分别贴上标签。即完成煤粉中基质和夹杂部分的获取。其中，步骤S105所述的煤粉中基质与夹杂部分分别进行重塑与力学参数的获取方法包括以下步骤:步骤1、将160cm3在S105步骤中获得的煤粉基质放入一个直径×高为50×100mm的圆柱形模具容器中，再加入20cm3的混凝土、20mL并搅拌均匀，使其装满整个容器。步骤2、对步骤1重复15次，完成15块圆柱形煤体基质的重塑。步骤3、放置20天进行干燥，20天后打开模具，获得成型后的的煤粉基质圆柱块。步骤4、对步骤3中的煤粉基质圆柱块进行5MPa、10MPa、20MPa下的围压实验，每个围压进行5块，获得15块煤粉基质圆柱块的强度、弹性模量，利用三个围压下的强度值构建摩尔库伦圆，获得煤粉基质的粘聚力、内摩擦角。步骤5、利用步骤4获得的15块煤粉基质圆柱块的弹性模量平均值作为煤粉基质的弹性模量。步骤6、对煤粉夹杂部分也按照步骤1、步骤2、步骤3、步骤4、步骤5进行重塑、三轴压缩，得到15块0.1m×0.1m×0.1m的煤粉夹杂圆柱块，同样进行5MPa、10MPa、20MPa下的围压实验，并获得煤粉夹杂的弹性模量、粘聚力、内摩擦角。其中，步骤S107所述的获得不同体积大小网格模型方法具体为：步骤1、0.1m×0.1m×0.1m的小煤块是指煤块编号i、j、k都小于等于1的所有煤块的组合，0.2m×0.2m×0.2m的小煤块是指煤块编号i、j、k都小于等于2的所有煤块的组合，0.3m×0.3m×0.3m的小煤块是指煤块编号i、j、k都小于等于3的所有煤块的组合……1m×1m×1m的煤块体积是指煤块编号i、j、k都小于等于10的所有煤块的组合。步骤2、将S106步骤中获得的小煤块的网格模型按照步骤1进行组合，得到不同体积大小的正方体煤块网格模型，从0.1m×0.1m×0.1m的煤块、0.2m×0.2m×0.2m煤块、0.3m×0.3m×0.3m煤块……到1m×1m×1m的煤块。其中，步骤S108所述的煤块赋值及数值压缩方法具体包括以下步骤：步骤1、将S105步骤中得到的基质弹性模量、粘聚力、内摩擦角赋值给S106步骤中网格模型的基质部分，将S105步骤中得到的夹杂弹性模量、粘聚力、内摩擦角赋值给S106步骤中网格模型的夹杂部分。步骤2、利用FLAC3D进行数值压缩实验，分别对0.1m×0.1m×0.1m体积煤块、0.2m×0.2m×0.2m的体积煤块、0.3m×0.3m×0.3m的体积煤块……1m×1m×1m的体积煤块进行数值单轴压缩，煤块上下两面为压缩面，压缩速率为0.0001m/s，左右前后四个面为自由面，并记录下不同体积时煤块的相关物理参数，包括弹性模量、抗压强度、残余强度。步骤3、利用所得数据分别绘出煤块弹性模量、抗压强度、残余强度随煤块体积变化图。其中，步骤S109所述的找出煤体表征单元体积的物理参数方法具体包括以下步骤：步骤1、找出图中弹性模量不再随体积变化的点，此时该点所对应的体积即为该煤体的表征单元体积，而该点所对应的弹性模量即为煤体表征单元体积的弹性模量。步骤2、找出图中抗压强度不再随体积变化的点，此时该点所对应的体积即为该煤体的表征单元体积，而该点所对应的抗压强度即为煤体表征单元体积的抗压强度。步骤3、找出图中残余强度不再随体积变化的点，此时该点所对应的体积即为该煤体的表征单元体积，而该点所对应的残余强度即为煤体表征单元体积的残余强度。