CN108663287B - 一种利用ct图像精确计算煤岩密度的方法 - Google Patents

一种利用ct图像精确计算煤岩密度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用CT图像精确计算煤岩密度的方法，包括如下步骤：通过CT扫描获取煤岩的整体密度，并通过校准，获取整体煤岩的密度，并通过测量获得整块煤岩的准确质量，计算获得煤岩样品的整体体积；通过CT扫描获取的图像特征得到煤岩样品的孔隙结构特征，并根据CT图像提取孔隙结构的体积，计算获得煤岩的真实体积V0；通过密度计算公式根据体积和质量计算实际的准确密度；解决了如何通过CT扫描的数据和图像准确获取煤岩密度的精度问题，而且还能够根据需求对获得的结果进行精度控制，满足多种精度以及多种组分密度精度的需求。

Description

一种利用CT图像精确计算煤岩密度的方法
技术领域
本发明涉及CT测量技术领域，具体为一种利用CT图像精确计算煤岩密度的方法。
背景技术
CT(Computed Tomography)，即电子计算机断层扫描，它是利用精确准直的X线束、γ射线、超声波等，与灵敏度极高的探测器一同围绕某一部位作一个接一个的断面扫描，具有扫描时间快，图像清晰等特点。
CT图像是以不同的灰度来表示，反映各种结构对X线的吸收程度。因此，与X线图像所示的黑白影像一样，黑影表示低吸收区，即低密度区；白影表示高吸收区，即高密度区。但是CT与X线图像相比，CT的密度分辨力高，即有高的密度分辨力。因此，即使是相邻结构的密度差别比较小，其具体的吸收系数相近，也能形成对比而成像，而且在煤岩结构中还可能含有不定量的夹层水或者孔隙水等，普通的X线图像由于吸收系数接近于水，无法形成对比成像，而CT可以，这是CT的突出优点。
而CT技术应用在工业中，虽然存在着很多优点，在目前的技术方案中得到了较为广泛的应用，但是也由于其使用方案上的缺陷，仍然存在着不少的缺陷。如在以下现有技术中，就分别体现了其具体的优缺点：
(1)申请号为200810201670.4公开的CT薄层超高分辨率图像密度的转换方法，具体是通过CT扫描获取超高分辨率CT图像，计算所述CT扫描图像中每个像素所对应的最大密度值，其具体的是通过密度的分布实现CT获得密度。但是在该技术方案中仅仅能够获得密度分布，获取三维结构上CT扫描不见的图像转换，并不能获取整体的密度。
(2)申请号为201610237541.5公开的一种工业CT分析物体密度及密度分布的方法，通过将已知密度的参考物和被测物体一起置于检测台，参考物与被测物体距检测台中心距离一致，通过对两者进行阵列扫描，通过获取的灰度分析，并基于灰度计算被测物体的密度值，但是该技术方案是基于现有已知物体的准确密度进行对比获取的，其计算的密度跟已知物体是有很大关系的，但是如何保证现有已知密度的物体不变，在操作中也难以确定。
(3)申请号为201610846458.8公布了一种甲状腺CT图像异常密度的检测方法，该技术方案虽然能够通过CT扫描自动获取甲状腺异常密度的区域，但是在实际的密度确定中，仍然存在缺陷，不能够准确的获取被测物体的密度。
综上所述，就是在现有技术手段中，通过CT获取密度的对比和密度分布是非常简单的，但是在密度的实际准确获取中却存在着不小的缺陷，而这正是本申请中需要解决的问题。在煤岩工业中，获取煤岩的实际密度是十分重要的，为煤岩的密度会因为煤种的不同其密度也会不同，受所含水分和空气的湿度影响较大，因此，在生产或者科研中，进行煤岩密度的获取是十分有必要的。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种利用CT图像精确计算煤岩密度的方法，不仅解决了如何通过CT扫描的数据和图像准确获取煤岩密度的精度问题，而且还能够根据需求对获得的结果进行精度控制，满足多种精度以及多种组分密度精度的需求，能有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种利用CT图像精确计算煤岩密度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100、通过CT扫描获取煤岩的整体密度，并通过校准，获取整体煤岩的密度，并通过测量获得整块煤岩的准确质量，计算获得煤岩样品的整体体积；
步骤200、通过CT扫描获取的图像特征得到煤岩样品的孔隙结构特征，并根据CT图像提取孔隙结构的体积，计算获得煤岩的真实体积V0；
步骤300、通过密度计算公式根据体积和质量计算实际的准确密度。
作为本发明一种优选的技术方案，在步骤100中，还包括：根据每个体素对应的CT值计算相应的体素密度，将体素平均质量与体素密度作比得到体素体积，累计求和获得总体积。
作为本发明一种优选的技术方案，将该体积与步骤100中获得的体积进行对比，当体积比大于设定的阈值将重复上述步骤，直至两者的比值低于设定的阈值。
作为本发明一种优选的技术方案，煤岩样品的体积计算公式为V＝m/CT，其中m为煤岩的已知精确质量，并且煤岩的质量通过电子天秤称量获得，保留五位有效数字。
作为本发明一种优选的技术方案，在步骤200中，获得煤岩样品的孔隙特征结构的具体步骤为
步骤201、利用CT扫描系统扫描煤岩得出二维灰度图像，运用三维重建软件利用二维灰度图像构建三维重建模型；
步骤202、对三维重建模型内部不同显微组分和矿物质材料进行分组以及统计不同组分材料的体积比；
步骤203、根据煤岩样品的总体积和体积比，获得各个不同组分的体积Vi。
作为本发明一种优选的技术方案，在步骤200中，所述孔隙结构特征包括孔隙和喉道的几何参数，并且真实体积V0的计算公式为V0＝V-S0，其中，S0表示未充填孔隙。
作为本发明一种优选的技术方案，在步骤201中，直接通过CT图像进行边界识别，获取各个组分的边界和体积，在三维重建模型中通过已经获得边界和体积进行准确的模型的重建。
作为本发明一种优选的技术方案，在步骤200中，还包括另外一种计算煤岩密度的方法，其具体的步骤为：
通过煤岩精确质量m、不同组分材料体积Vi及煤岩弹性模量E来计算不同组分材料的密度ρij，并根据测得不同组分的密度和体积计算各个组分的质量，在去除不同组分的体积和质量后通过密度公式获得煤岩的密度。
作为本发明一种优选的技术方案，煤岩弹性模量E的测试方法为：
对煤岩试件分别以横波和纵波穿过煤岩，记录下横波及纵波穿过煤岩的时间，再结合煤岩的长和宽计算出横波及纵波的波速，通过煤岩的密度计算得到煤岩的弹性模量E。
作为本发明一种优选的技术方案，计算煤岩弹性模量E的密度为步骤300中计算的密度，并且通过步骤200中另外一种方法获得密度进行相关系数验证。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于CT扫描的数据和图像，通过多种计算和建模，不仅解决了如何通过CT扫描的数据和图像准确获取煤岩密度的精度问题，而且还能够根据需求对获得的结果进行精度控制，满足多种精度以及多种组分密度精度的需求。
附图说明
图1为本发明的流程结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种利用CT图像精确计算煤岩密度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100、通过CT扫描获取煤岩的整体密度，并通过校准，获取整体煤岩的密度，并通过测量获得整块煤岩的准确质量，计算获得煤岩样品的整体体积。
通过CT扫描获得煤岩的整体密度，这个密度应当这样理解，它具体指的是煤岩的整体密度，也就是包括了煤岩骨架、孔隙以及充填在孔隙中流体和煤岩骨架中的各种矿物质，因此，它本质上不是煤岩的精确密度，而是一个含有杂质的粗略密度，是煤岩样品整个样品的密度。
在上述步骤中，还包括：根据每个体素对应的CT值计算相应的体素密度，将体素平均质量与体素密度作比得到体素体积，累计求和获得总体积。
在上述步骤中通过每个体素对应的CT值计算体素密度，就相当于在已知的CT扫描值中通过积分的方式获得整个体素的密度，其中，体素指的煤岩的一个单元，而这个单元的划分可以根据煤岩质量或者体积大小进行划分。如质量为10g的煤岩样品就可以划分为0.1g的单元，又如质量为1g的煤岩样品就可以划分为0.01g的单元，当然，上述具体例子是为了更好的说明单元的含义，并没有具体的指代意义，在实际划分中，也可以划分为0.2g/0.02g等其它任意组合的参数。
而通过上述两种方法获得的体积，在理想条件下应当是相等的，但是由于煤岩的非均质性和各向异性，导致其在数值上肯定不相等，因此，通过这两个表征相同意义的体积进行对比，获得阈值和最终精度的控制，具体如下所述。
将该体积与步骤100中获得的体积进行对比，当体积比大于设定的阈值将重复上述步骤，直至两者的比值低于设定的阈值。
而在上述阈值的设定中，是根据实际精度来控制的。
在步骤100中，煤岩样品的体积计算公式为V＝m/CT，其中m为煤岩的已知精确质量，并且煤岩的质量通过电子天秤称量获得，保留五位有效数字。
步骤200、通过CT扫描获取的图像特征得到煤岩样品的孔隙结构特征，并根据CT图像提取孔隙结构的体积，计算获得煤岩的真实体积V0。
其中，所述孔隙结构特征包括孔隙和喉道的几何参数，并且真实体积V0的计算公式为V0＝V-S0，其中，S0表示未充填孔隙。
在上述步骤中，获得煤岩样品的孔隙特征结构的具体步骤为
步骤201、利用CT扫描系统扫描煤岩得出二维灰度图像，运用三维重建软件利用二维灰度图像构建三维重建模型；
步骤202、对三维重建模型内部不同显微组分和矿物质材料进行分组以及统计不同组分材料的体积比；
步骤203、根据煤岩样品的总体积和体积比，获得各个不同组分的体积Vi。
在步骤201中，直接通过CT图像进行边界识别，获取各个组分的边界和体积，在三维重建模型中通过已经获得边界和体积进行准确的模型的重建，而具体的，通过二维灰度图像的具体成像方法在本领域已经被广泛应用，在此将不再赘述。
在上述中，煤岩中矿物质等含量属于微量成分，但是在精度较高的测量中，也必须要进行考虑，而综合CT扫描的特性，能够将不同结构的组分进行边界区分，当获得边界后，再通过三维模拟就可以准确获得其体积比，通过上述方法，哪怕是在微量的组分中，也能够准确的获得其体积比。通过上述CT图像的特征，为后续获得高精度的密度打下基础。
需要补充说明的是，在步骤200中，还包括另外一种计算煤岩密度的方法，其具体的步骤为：
通过煤岩精确质量m、不同组分材料体积Vi及煤岩弹性模量E来计算不同组分材料的密度ρij，并根据测得不同组分的密度和体积计算各个组分的质量，在去除不同组分的体积和质量后通过密度公式获得煤岩的密度。
在上述中，不同组分材料体积Vi已经通过三维模型的模拟获得，而根据煤岩的弹性模量E计算不同组分材料的密度ρij，具体如下公式所示：Mi＝m11+m12+…+m1j＝ρ11V11+ρ12V12+…+ρ1jV1j，通过反推法获得不同组分材料的密度ρij。
其中，在上述中，煤岩弹性模量E的测试方法为：
对煤岩试件分别以横波和纵波穿过煤岩，记录下横波及纵波穿过煤岩的时间，再结合煤岩的长和宽计算出横波及纵波的波速，通过煤岩的密度计算得到煤岩的弹性模量E。
具体的公式为：
Figure BDA0001640005700000071
其中，Vs和Vp分别表示横波波速和纵波波速，ρ为步骤300中已经计算获得的密度。
步骤300、通过密度计算公式根据体积和质量计算实际的准确密度。
结合上述两个步骤，需要明确的是：计算煤岩弹性模量E的密度选取步骤300中已经计算获得的密度，并且将步骤300中的密度和通过步骤200中另外一种方法获得密度进行相关系数验证，对相关系数进行阈值判断。
本发明以CT扫描获取的数字岩芯为基础，度量孔隙和喉道的几何参数，从而建立具有真实岩芯孔隙空间拓扑结构以及几何特征的孔隙网络模型。
其基本的原理在于通过获取煤岩样品的质量和真实体积，从而获得准确的密度，但是在这个过程中，其具体的步骤还需要进一步的根据测量需求进行细化，这也是做发明过程中从权需要细化的东西。另外，在具体的实施方式中，还可以通过设置阈值分割分别提取测试样品内部孔隙以及矿物，并统计所占比例，进一步的确定样品的实际体积，而这个步骤可以从三个方向上分别进行逐层的孔隙率统计，这一点在现有的测试报告中就可以直接获得。
在上述中，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分材料的参数，提供精准参数。
基于本技术方案，特别的是，通过该方法，得到两种精确的密度，其一是去除煤岩样品的孔隙后的总体密度，其二是根据不同组分的密度和弹性模量所得到的平均密度。相对来说后者的得到比较复杂，所以在实际操作运用中，可以根据现场需要，选择性提取不同的密度参数。
而且在本技术方案中，能够通过在计算的过程中就设置参考的阈值，通过设定的阈值来控制操作过程中的精度，防止误差传递导致的精度得不到保障问题，可以将精度控制在一个有效的范围内，已达到工艺上的需求。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种利用CT图像精确计算煤岩密度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100、通过CT扫描获取煤岩的整体密度，并通过校准，获取整体煤岩的密度，以CT值表示，并通过测量获得整块煤岩的准确质量，计算获得煤岩样品的整体体积，煤岩样品的整体体积计算公式为V＝m/CT，其中m为煤岩的已知精确质量，并且煤岩的质量通过电子天秤称量获得，保留五位有效数字，还包括根据每个体素对应的CT值计算相应的体素密度，将体素平均质量与体素密度作比得到体素体积，累计求和获得总体积，将所述总体积与所述整体体积作比得到体积比，当体积比大于设定的阈值将重复上述步骤，直至两者的比值低于设定的阈值；
步骤200、通过CT扫描获取的图像特征得到煤岩样品的孔隙结构特征，所述孔隙结构特征包括孔隙和喉道的几何参数，并且真实体积V0的计算公式为V0＝V-S0，其中，S0表示未充填孔隙，并根据CT图像提取孔隙结构的体积，计算获得煤岩的真实体积V0；
获得煤岩样品的孔隙特征结构的具体步骤为：
步骤201、利用CT扫描系统扫描煤岩得出二维灰度图像，运用三维重建软件利用二维灰度图像构建三维重建模型，直接通过CT图像进行边界识别，获取各个组分的边界和体积，在三维重建模型中通过已经获得边界和体积进行准确的模型的重建；
步骤202、对三维重建模型内部不同显微组分和矿物质材料进行分组以及统计不同组分材料的体积比；
步骤203、根据煤岩样品的总体积和体积比，获得各个不同组分的体积Vi；
步骤300、通过密度计算公式根据体积和质量计算实际的准确密度。
2.根据权利要求1所述的一种利用CT图像精确计算煤岩密度的方法，其特征在于，在步骤200中，还包括另外一种计算煤岩密度的方法，其具体的步骤为：
通过煤岩精确质量m、不同组分材料体积Vi及煤岩弹性模量E来计算不同组分材料的密度ρij，并根据测得不同组分的密度和体积计算各个组分的质量，在去除不同组分的体积和质量后通过密度公式获得煤岩的密度。
3.根据权利要求2所述的一种利用CT图像精确计算煤岩密度的方法，其特征在于，煤岩弹性模量E的测试方法为：
对煤岩试件分别以横波和纵波穿过煤岩，记录下横波及纵波穿过煤岩的时间，再结合煤岩的长和宽计算出横波及纵波的波速，通过煤岩的密度计算得到煤岩的弹性模量E。
4.根据权利要求3所述的一种利用CT图像精确计算煤岩密度的方法，其特征在于，计算煤岩弹性模量E的密度为步骤300中计算的密度，并且通过步骤200中另外一种方法获得密度进行相关系数验证。
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