CN104990788A - 一种基于ct扫描的煤岩逆向化建模力学参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CT扫描的煤岩逆向化建模力学参数确定方法，运用游标卡尺及电子称测出煤岩试件的基本尺寸a及煤岩试件质量m并求出煤岩试件体积V，利用公式V＝a³、计算出煤岩试件密度，采用超声波探伤仪探测出穿过煤岩试件横波和纵波用时t_s、t_p，并利用公式求出煤岩试件弹性模量E，CT扫描系统扫描煤岩试件得出二维灰度图像，运用三维重建软件对煤岩试件内部不同矿物成份的材料进行分组以及统计不同组份材料体积Vi，得出多个煤岩试件基本参数后，运用公式Mi＝m_i1+m_i2+……+mj＝ρ_i1V_i1+ρ_i2V_i2+……+ρ_ijV得出不同组份材料密度ρ_ij，最终运用公式得出不同组份材料的弹性模量E_i，达到为基于CT扫描的逆向化三维重构煤岩试件提供精确计算参数的目的。

Description

一种基于CT扫描的煤岩逆向化建模力学参数确定方法

技术领域

本发明属于数学计算方法领域，涉及煤岩逆向化建模力学参数确定方法，尤其涉及一种基于CT扫描的煤岩逆向化建模力学参数确定方法。

背景技术

煤岩在细观尺度上是非均匀材料，其物理力学性质在空间上是非连续性。长期以来的理论研究是建立在均质性的假设之上研究岩石的力学性质及变化过程，而非均质性对于煤岩的强度、应力分布及破坏形式起着重要的作用。在煤岩非均匀性理论分析上，常采用统计分布规律来描述。在对煤岩破坏形式的数值计算中，大部分学者是在煤岩非均质性理论分析的基础之上来探讨非均质性对煤岩破坏形式的影响，例如Weibull分布以及以此为基础探讨煤岩的非均质性对其破坏形式影响的数值计算。介于煤岩试件中所含的矿物成份比较复杂，为了真实的展现煤岩试件材料的非均质性，一部分学者通过工业CT及逆向化三维重建软件来实现煤岩试件非均质性的真实展现。但是，目前基于逆向化来探讨非均质性对煤岩破裂形式影响的数值计算，并不能够准确获取各组份材料的参数，数值计算结果的准确性有待考证。基于上述情况，迫切需要一种简单可靠，基于CT扫描的煤岩逆向化建模力学参数确定方法，有效可提高煤岩内部裂表征精度的基于CT扫描的受载煤岩损伤本构方程构建方法，达到为基于CT扫描的逆向化三维重构煤岩试件提供精确计算参数的目的。

发明内容

本发明运用游标卡尺及电子称测出煤岩试件的基本尺寸a及煤岩试件质量m并求出煤岩试件体积V，利用公式V＝a³、计算出煤岩试件密度，采用超声波探伤仪探测出穿过煤岩试件横波和纵波用时t_s、t_p，并利用公式求出煤岩试件弹性模量E，CT扫描系统扫描煤岩试件得出二维灰度图像，运用三维重建软件对煤岩试件内部不同矿物成份的材料进行分组以及统计不同组份材料体积Vi，得出多个煤岩试件基本参数后，运用公式Mi＝m_i1+m_i2+……+mj＝ρ_i1V_i1+ρ_i2V_i2+……+ρ_ijV得出不同组份材料密度ρ_ij，最终运用公式得出不同组份材料的弹性模量E_i，达到为基于CT扫描的逆向化三维重构煤岩试件提供精确计算参数的目的。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于CT扫描的煤岩逆向化建模力学参数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)运用游标卡尺及电子称测出煤岩试件的基本尺寸a、煤岩试件质量m并求出煤岩试件体积V，结合基本的计算公V＝a³、计算得出煤岩试件的密度ρ。

(2)采用超声波探伤仪，对煤岩试件进行超声波实验，分别以横波、纵波穿过煤岩试件。记录下横波及纵波穿过煤岩试件的时间，时间分别为：t_s、t_p，并计算出横波及纵波波速为利用公式得出煤岩试件弹性模量E。

(3)利用CT扫描系统扫描煤岩试件得出二维灰度图像，运用三维重建软件利用二维灰度图像构建三维重建模型，对三维重建模型内部不同矿物成份的材料进行分组以及统计不同组份材料体积Vi。

(4)结合煤岩试件质量m、不同组份材料体积Vi及煤岩试件弹性模量E，首先运用公式Mi＝m_i1+m_i2+……+mj＝ρ_i1V_i1+ρ_i2V_i2+……+ρ_ijV计算出不同组份材料的密度ρ_ij，得出不同组份材料密度ρ_ij，结合公式求出不同组份材料的弹性模量E_i。

与现有相关方法相比，本发明具有如下优点：

本发明提供了一种新的基于CT扫描的煤岩逆向化建模力学参数确定方法，测量出煤岩试件基本尺寸、煤岩试件质量并求出煤岩试件体积，然后对煤岩试件进行超声波实验，利用相关公式推导出煤岩试件不同组份材料的参数，为基于CT扫描的逆向化三维重构煤岩试件数值计算提供精准参数。

附图说明

图1为本发明的煤岩试件体积求解过程图；

图2为本发明的煤岩试件质量求解过程图；

图3为本发明的煤岩试件弹性模量求解过程图；

图4为本发明的不同组份材料体积求解过程图。

图中：1-煤岩试件；2-CT扫描系统；3-二维灰度图像；4-三维重建软件；5-三维重建模型；6-不同组份材料体积Vi；7-游标卡尺；8-煤岩试件体积V；9-电子称；10-煤岩试件质量m；11-超声波探伤仪；12-煤岩试件弹性模量E。

具体实施方式

结合图1、图2、图3、图4所示，一种基于CT扫描的煤岩逆向化建模力学参数确定方法，包括煤岩试件1、CT扫描系统2、二维灰度图像、三维重建软件4、三维重建模型5、不同组份材料体积Vi6、游标卡尺7、煤岩试件体积、电子称9、煤岩试件质量m10、超声波探伤仪11、煤岩试件弹性模量E12，运用游标卡尺7及电子称9测出煤岩试件1的基本尺寸及煤岩试件质量m10并求出煤岩试件体积V8，利用公式V＝a³、算出煤岩试件密度，采用超声波探伤仪11探测出穿过煤岩试件1横波和纵波用时t_s、t_p，并利用公式计算出煤岩试件弹性模量E12，CT扫描系统2扫描煤岩试件1得出二维灰度图像3，运用三维重建软件4对煤岩试件1内部不同矿物成份的材料进行分组以及统计不同组份材料体积Vi6，得出多个煤岩试件1基本参数后，运用公式Mi＝m_i1+m_i2+……+mj＝ρ_i1V_i1+ρ_i2V_i2+……+ρ_ijV得出不同组份材料密度ρ_ij，最终运用公式得出不同组份材料的弹性模量E_i。

以某矿立方体非标准煤岩试件为例，阐述本发明具体步骤如下：

(1)运用游标卡尺7及电子称9测出煤岩试件1的基本尺寸a、煤岩试件质量m10并求出煤岩试件体积V8，结合基本的计算公式V＝a³、计算得出煤岩试件1的密度ρ。

(2)采用超声波探伤仪11，对煤岩试件1进行超声波实验，分别以横波、纵波穿过煤岩试件1。记录下横波及纵波穿过煤岩试件1的时间，时间分别为：t_s、t_p，并计算出横波及纵波波速为利用公式煤岩试件弹性模量E12。

(3)利用CT扫描系统2扫描煤岩试件1得出二维灰度图像3，运用三维重建软件4利用二维灰度图像3构建三维重建模型5，对三维重建模型5内部不同矿物成份的材料进行分组以及统计不同组份材料体积Vi6。

(4)结合煤岩试件质量m10、不同组份材料体积Vi6及煤岩试件弹性模量E12，首先运用公式Mi＝m_i1+m_i2+……+mj＝ρ_i1V_i1+ρ_i2V_i2+……+ρ_ijV计算出不同组份材料的密度ρ_ij，得出不同组份材料密度ρ_ij，结合公式求出不同组份材料的弹性模量E_i。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替换、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (1)

1.一种基于CT扫描的煤岩逆向化建模力学参数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)运用游标卡尺及电子称测出煤岩试件的基本尺寸a、煤岩试件质量m并求出煤岩试件体积V，结合基本的计算公V＝a³、计算得出煤岩试件的密度ρ。

(2)采用超声波探伤仪，对煤岩试件进行超声波实验，分别以横波、纵波穿过煤岩试件。记录下横波及纵波穿过煤岩试件的时间，时间分别为：t_s、t_p，并计算出横波及纵波波速为 $v_s=\frac{a}{t_s},v_p=\frac{a}{t_p},$ 利用公式 $E=\mathrm{\ρ}\frac{{v_s}^2({{3v}_p}^2-{{4v}_s}^2)}{{v_p}^2-{v_s}^2}$ 得出煤岩试件弹性模量E。

(3)利用CT扫描系统扫描煤岩试件得出二维灰度图像，运用三维重建软件利用二维灰度图像构建三维重建模型，对三维重建模型内部不同矿物成份的材料进行分组以及统计不同组份材料体积Vi。

(4)结合煤岩试件质量m、不同组份材料体积Vi及煤岩试件弹性模量E，首先运用公式Mi＝m_i1+m_i2+……+mj＝ρ_i1V_i1+ρ_i2V_i2+……+ρ_ijV计算出不同组份材料的密度ρ_ij，得出不同组份材料密度ρ_ij，结合公式求出不同组份材料的弹性模量E_i。