CN110308166B - 利用x射线测定煤岩中水分含量与分布的实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用X射线测定煤岩中水分含量与分布的实验装置及方法，属于煤岩中水分含量与分布领域。实验装置包括：实验溶液配置系统、煤岩体制作系统、CT扫描系统和煤岩体分析模拟系统；方法包括：待测含水煤岩体制作与要求，选用碘化钾(KI)溶液作为实验溶液，将含水率为0％的干燥煤岩体在实验溶液中浸泡一段时间，随后将煤岩体取出，拭去其表面水分，对其进行CT扫描，通过CT扫描获得煤岩样中不同成分的位置关系；通过煤岩体分析模拟系统，提取出水分在煤岩体中的分布位置，得出水分在煤岩体中的占比与分布特征。优点：本发明能够显示煤岩体的空间结构与水分分布，获知煤岩内部构造以及水分整体分布特征，并能够实现试样煤岩体的三维结构的绘制。

Description

利用X射线测定煤岩中水分含量与分布的实验装置及方法
技术领域
本发明涉及煤岩中水分含量与分布领域，特别是一种利用X射线测定煤岩中水分含量与分布的实验装置及方法。
背景技术
煤矿井下开采过程中煤岩大多都是含水煤岩，煤岩含水率对开采具有极大影响，因此研究煤岩含水率与水分的分布特征对煤矿开采具有重要意义。
目前主要测量煤岩含水率的主要方法有烘干法、微波射频法。
烘干法是根据测出被烘干煤岩质量与原煤岩质量对比，从而推算煤岩原有含水率，这种方法用时久且误差大，不能真正代表井下煤岩正确含水率。
微波射频法是根据电磁波与介电物质相互作用，能量耗散与物质大小及相对介电常数有关，煤基质、矿物质、水的介电常数差异较大从而导致被测对象呈现的射频阻抗特征不同，以此实现含水率测量。由于煤基质、矿物质在煤岩体中相互混合，且微波能量消耗较多，因此该方法不能较好区分煤岩中的物质成分位置，故较少使用该类方法进行实际测量煤岩含水率。
以上两种测量方法都具有局限性如误差较大、无法精准的获知煤岩中物质结构位置，因此亟需一种新的测量煤岩中水分含量以及分布特征的方法。
发明内容
本发明的目的是要提供一种利用X射线测定煤岩中水分含量与分布的实验装置及方法，解决现有测量煤岩含水率误差较大、无法精准的获知煤岩中物质结构位置的问题。
为实现上述目的，本发明的利用X射线测定煤岩中水分含量与分布包括实验装置及实验方法。
实验溶液配置系统、煤岩体制作系统、CT扫描系统和煤岩体分析模拟系统；实验溶液配置系统、煤岩体制作系统、CT扫描系统和煤岩体分析模拟系统顺序搭接；
所述实验溶液配置系统包括碘化钾溶液配置器和恒温盛水皿；碘化钾溶液配置器用于放置碘化钾溶液，恒温盛水皿用于放置清水；
所述的煤岩体制作系统包含煤岩烘干器和煤岩浸湿皿；煤岩烘干器用于对煤岩体实施烘干，煤岩浸湿皿用于对干燥的煤岩体采用碘化钾溶液实施浸润；
所述的CT扫描系统包括煤岩搁置台、X射线扫描器和成像显示器；煤岩搁置台、X射线扫描器和成像显示器顺序连接；用于对浸润有碘化钾溶液的煤岩体实施扫描分析，获得煤岩体的电子图像信息；
所述的煤岩体分析模拟系统包括计算机，以及安装在计算机中的三维重构模型分析软件和含水率分析软件；用于对煤岩体的电子图像信息进行分析，将煤岩体电子图像信息转换为三维重构模型和含水率信息，获得煤岩内部水分整体含量和分布特征。
实验方法：选用碘化钾溶液作为实验溶液，将含水率为0％的干燥煤岩体在实验溶液中浸泡一段时间，随后将煤岩体取出，拭去其表面水分，对其进行CT扫描，通过CT扫描获得煤岩样中不同成分的位置关系；通过煤岩体分析模拟系统，提取出水分在煤岩体中的分布位置，得出水分在煤岩体中的占比与分布特征。
具体步骤如下：
步骤(1)配置碘化钾溶液：在实验溶液配置系统中实施完成；恒温盛水皿中盛入定量清水，之后将碘化钾溶液配置器中的浓度为40％的碘化钾溶液倒入恒温盛水皿中，充分搅拌后使恒温盛水皿中的碘化钾溶液浓度达到5％，碘化钾溶液配置完成；
步骤(2)制作煤岩体：在煤岩体制作系统中实施完成；先将煤岩制成煤岩样品，简称煤岩体；将煤岩体置入煤岩烘干器，待其完全烘干即含水率为零时，再置入煤岩浸湿皿，将浓度为5％的碘化钾溶液盛入煤岩浸湿皿，使其完全没过煤岩体；
步骤(3)扫描显示煤岩体中的成分及位置：在CT扫描系统中实施完成；将浸泡吸水后的煤岩体取出，擦拭去表面水分，再将其置于煤岩搁置台，依据水分与煤基质、矿物质的吸收波长能力不同，将煤岩搁置台置于X射线扫描仪中进行扫描，在成像显示器中成像显示不同成分所在位置并转换为煤岩体的电子图像信息；
步骤(4)获得煤岩体内部水分整体含量和分布特征：在煤岩体分析模拟系统中实施完成；将步骤(3)中的煤岩体的电子图像信息导入煤岩体分析模拟系统中，通过含水率分析软件和三维重构模型分析软件对煤岩成像进行逆向反演得出煤岩整体内部构造，对煤岩整体内部构造分析得出煤岩含水率，最终得出煤岩内部水分整体含量和分布特征。
所述的三维重构模型分析软件和含水率分析软件是一个整合为一体的软件，其流程步骤是：
步骤1、从X射线扫描得到煤样切片图像信息；
步骤2、将步骤1获得的煤样切片图像信息导入软件中，对切片图像信息重构，得出煤岩样不同区域形状；
步骤3、将步骤2获得的煤岩样不同区域形状导入至三维重构模型分析软件进一步分析，对煤岩样进行重构，得出煤岩样整体三维模型；
步骤4、将步骤2获得的煤岩样不同区域形状导入至含水率分析软件进一步分析，依据煤样切片图像信息分析煤样切片含水阈值范围，得出煤岩样整体水分体积；
步骤5、将煤岩样整体水分体积与煤岩样整体体积进行对比，得出煤岩样整体的含水率。
有益效果，由于采用了上述方案，根据X射线对未知含水率煤岩体扫描成像后各物质成分所占比例不同以此分析测定煤岩中水分含量与分布特征；实验装置对煤岩种类没有限制，但因设备原因，需限制煤岩尺寸；针对不同含水率的煤岩体都具有很好的适用性，且能很好的反演出内部水分在煤岩体中的分布特征；适用于未知含水率不规则煤岩体水分含量与分布特征测定。
解决了现有测量煤岩含水率误差较大、无法精准的获知煤岩中物质结构位置的问题，达到了本发明的目的。
优点：本发明能快速测量煤岩含水率，显示煤岩体的空间结构与水分分布，同时获知煤岩内部构造以及水分整体分布特征，实现试样煤岩体的三维结构的绘制；用以满足实时精准测量煤岩体中水分含量和分布特征的要求。
附图说明
图1为本发明的X射线测定煤岩中水分含量的结构示意图。
图2为本发明的X射线测定煤岩中水分含量流程图。
图3为本发明煤岩体含水率分析软件和三维重构模型分析软件流程图。
图中，1、实验溶液配置系统；2、煤岩体制作系统；3、CT扫描系统；4、软件分析模拟系统；5、碘化钾溶液配置器；6、恒温盛水皿；7、煤岩样品、8、煤岩烘干器；9煤岩浸湿皿；10、煤岩搁置台；11、X射线扫描仪；12、成像显示器；13、含水率分析软件；14、三维重构模型分析软件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
实施例1：本发明的利用X射线测定煤岩中水分含量与分布包括实验装置及实验方法。
实验装置包括：实验溶液配置系统1、煤岩体制作系统2、CT扫描系统3和煤岩体分析模拟系统4；实验溶液配置系统1、煤岩体制作系统2、CT扫描系统3和煤岩体分析模拟系统4顺序搭接；
所述实验溶液配置系统1包括碘化钾溶液配置器5和恒温盛水皿6；碘化钾溶液配置器5用于放置碘化钾溶液，恒温盛水皿6用于放置清水；
所述的煤岩体制作系统2包含煤岩烘干器8和煤岩浸湿皿9；煤岩烘干器8用于对煤岩体实施烘干，煤岩浸湿皿9用于对干燥的煤岩体采用碘化钾溶液实施浸润；
所述的CT扫描系统3包括煤岩搁置台10、X射线扫描器11和成像显示器12；煤岩搁置台10、X射线扫描器11和成像显示器12顺序连接；用于对浸润有碘化钾溶液的煤岩体实施扫描分析，获得煤岩体的电子图像信息；
所述的煤岩体分析模拟系统4包括计算机，以及安装在计算机中的三维重构模型分析软件14和含水率分析软件13；用于对煤岩体的电子图像信息进行分析，将煤岩体电子图像信息转换为三维重构模型和含水率信息，获得煤岩内部水分整体含量和分布特征。
实验方法：选用碘化钾(KI)溶液作为实验溶液，将含水率为0％的干燥煤岩体在实验溶液中浸泡一段时间，随后将煤岩体取出，拭去其表面水分，对其进行CT扫描，通过CT扫描获得煤岩样中不同成分的位置关系；通过煤岩体分析模拟系统，提取出水分在煤岩体中的分布位置，得出水分在煤岩体中的占比与分布特征。
具体步骤如下：
步骤(1)配置碘化钾溶液：在实验溶液配置系统中实施完成；恒温盛水皿6中盛入定量清水，之后将碘化钾溶液配置器5中的浓度为40％的碘化钾溶液倒入恒温盛水皿6中，充分搅拌后使恒温盛水皿6中的碘化钾溶液浓度达到5％，碘化钾溶液配置完成；
步骤(2)制作煤岩体：在煤岩体制作系统中实施完成；先将煤岩制成煤岩样品，简称煤岩体；将煤岩体置入煤岩烘干器8，待其完全烘干即含水率为零时，再置入煤岩浸湿皿9，将浓度为5％的碘化钾溶液盛入煤岩浸湿皿9，使其完全没过煤岩体；
步骤(3)扫描显示煤岩体中的成分及位置：在CT扫描系统中实施完成；将浸泡吸水后的煤岩体取出，擦拭去表面水分，再将其置于煤岩搁置台10，依据水分与煤基质、矿物质的吸收波长能力不同，将煤岩搁置台10置于X射线扫描仪11中进行扫描，在成像显示器12中成像显示不同成分所在位置并转换为煤岩体的电子图像信息；
步骤(4)获得煤岩体内部水分整体含量和分布特征：在煤岩体分析模拟系统中实施完成；将步骤(3)中的煤岩体的电子图像信息导入煤岩体分析模拟系统中，通过含水率分析软件13和三维重构模型分析软件14对煤岩成像进行逆向反演得出煤岩整体内部构造，对煤岩整体内部构造分析得出煤岩含水率，最终止得出煤岩内部水分整体含量和分布特征。
所述的三维重构模型分析软件和含水率分析软件13是一个整合为一体的软件，其流程步骤是：
步骤1、从X射线扫描得到煤样切片图像信息；
步骤2、将步骤1获得的煤样切片图像信息导入软件中，对切片图像信息重构，得出煤岩样不同区域形状；
步骤3、将步骤2获得的煤岩样不同区域形状导入至三维重构模型分析软件进一步分析，对煤岩样进行重构，得出煤岩样整体三维模型；
步骤4、将步骤2获得的煤岩样不同区域形状导入至含水率分析软件进一步分析，依据煤样切片图像信息分析煤样切片含水阈值范围，得出煤岩样整体水分体积；
步骤5、将煤岩样整体水分体积与煤岩样整体体积进行对比，得出煤岩样整体的含水率。

Claims (4)

1.一种利用X射线测定煤岩中水分含量与分布的实验装置，其特征是：实验装置包括：实验溶液配置系统、煤岩体制作系统、CT扫描系统和煤岩体分析模拟系统；实验溶液配置系统、煤岩体制作系统、CT扫描系统和煤岩体分析模拟系统顺序搭接；
所述实验溶液配置系统包括碘化钾溶液配置器和恒温盛水皿；碘化钾溶液配置器用于放置碘化钾溶液，恒温盛水皿用于放置清水；
所述的煤岩体制作系统包含煤岩烘干器和煤岩浸湿皿；煤岩烘干器用于对煤岩体实施烘干，煤岩浸湿皿用于对干燥的煤岩体采用碘化钾溶液实施浸润；
所述的CT扫描系统包括煤岩搁置台、X射线扫描器和成像显示器；煤岩搁置台、X射线扫描器和成像显示器顺序连接；用于对浸润有碘化钾溶液的煤岩体实施扫描分析，获得煤岩体的电子图像信息；
所述的煤岩体分析模拟系统包括计算机，以及安装在计算机中的三维重构模型分析软件和含水率分析软件；用于对煤岩体的电子图像信息进行分析，将煤岩体电子图像信息转换为三维重构模型和含水率信息，获得煤岩内部水分整体含量和分布特征。
2.采用权利要求1所述的利用X射线测定煤岩中水分含量与分布的实验装置的实验方法，其特征是：实验方法：选用碘化钾溶液作为实验溶液，将含水率为0%的干燥煤岩体在实验溶液中浸泡一段时间，随后将煤岩体取出，拭去其表面水分，对其进行CT扫描，通过CT扫描获得煤岩样中不同成分的位置关系；通过煤岩体分析模拟系统，提取出水分在煤岩体中的分布位置，得出水分在煤岩体中的占比与分布特征。
3.根据权利要求2所述的利用X射线测定煤岩中水分含量与分布的实验装置的实验方法，其特征是：具体步骤如下：
步骤（1）配置碘化钾溶液：在实验溶液配置系统中实施完成；恒温盛水皿中盛入定量清水，之后将碘化钾溶液配置器中的浓度为40%的碘化钾溶液倒入恒温盛水皿中，充分搅拌后使恒温盛水皿中的碘化钾溶液浓度达到5%，碘化钾溶液配置完成；
步骤（2）制作煤岩体：在煤岩体制作系统中实施完成；先将煤岩制成煤岩样品，简称煤岩体；将煤岩体置入煤岩烘干器，待其完全烘干即含水率为零时，再置入煤岩浸湿皿，将浓度为5%的碘化钾溶液盛入煤岩浸湿皿，使其完全没过煤岩体；
步骤（3）扫描显示煤岩体中的成分及位置：在CT扫描系统中实施完成；将浸泡吸水后的煤岩体取出，擦拭去表面水分，再将其置于煤岩搁置台，依据水分与煤基质、矿物质的吸收波长能力不同，将煤岩搁置台置于X射线扫描仪中进行扫描，在成像显示器中成像显示不同成分所在位置并转换为煤岩体的电子图像信息；
步骤（4）获得煤岩体内部水分整体含量和分布特征：在煤岩体分析模拟系统中实施完成；将步骤（3）中的煤岩体的电子图像信息导入煤岩体分析模拟系统中，通过含水率分析软件和三维重构模型分析软件对煤岩成像进行逆向反演得出煤岩整体内部构造，对煤岩整体内部构造分析得出煤岩含水率，最终得出煤岩内部水分整体含量和分布特征。
4.根据权利要求3所述的利用X射线测定煤岩中水分含量与分布的实验装置的实验方法，其特征是：所述的三维重构模型分析软件和含水率分析软件是一个整合为一体的软件，其流程步骤是：
步骤1、从X射线扫描得到煤样切片图像信息；
步骤2、将步骤1获得的煤样切片图像信息导入软件中，对切片图像信息重构，得出煤岩样不同区域形状；
步骤3、将步骤2获得的煤岩样不同区域形状导入至三维重构模型分析软件进一步分析，对煤岩样进行重构，得出煤岩样整体三维模型；
步骤4、将步骤2获得的煤岩样不同区域形状导入至含水率分析软件进一步分析，依据煤样切片图像信息分析煤样切片含水阈值范围，得出煤岩样整体水分体积；
步骤5、将煤岩样整体水分体积与煤岩样整体体积进行对比，得出煤岩样整体的含水率。
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