1 緒論

基于煤、矸石顆粒性質(zhì)的不同，不同的煤矸分選理論相繼提出，其中重介分選、跳汰分選、風(fēng)選等方法被洗煤廠廣為采用，并達(dá)到了良好的分選效果，為提高煤炭質(zhì)量做出了貢獻(xiàn)，但是由于分選設(shè)備過(guò)于龐大限制了其在井下煤矸分選的應(yīng)用。為適應(yīng)井下設(shè)備安裝空間及處理量的要求，發(fā)展高性能的井下煤矸分選設(shè)備，是有效促進(jìn)煤礦綠色開(kāi)采的根本途徑。煤矸井下選擇性破碎分選是利用煤與矸石的物理性質(zhì)差異，在外載荷的作用下，煤顆粒破碎成若干個(gè)粒徑不等的小顆粒而矸石顆粒不破碎或者極少破碎，導(dǎo)致煤與矸石顆粒粒徑級(jí)配發(fā)生改變，通過(guò)物理分選的方法使煤和矸石顆粒有效分離[8-20]。煤與矸石的井下分選，不僅可減少矸石山對(duì)環(huán)境的污染、占用耕地等環(huán)境問(wèn)題，同時(shí)為井下矸石充填提供基礎(chǔ)原料，減輕由于煤炭開(kāi)采導(dǎo)致的房屋沉陷和堰塞湖的形成，對(duì)于“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)煤層的開(kāi)采也可提供一定的幫助。煤矸的選擇性破碎作業(yè)按照破碎產(chǎn)物粒度不同可分為：粗碎、中碎、細(xì)碎及粉碎，煤破碎產(chǎn)物的粒度劃分如表 1-1 所示。

.........

2 基于 CT 掃描實(shí)驗(yàn)的煤與矸石顆粒細(xì)觀結(jié)構(gòu)表征

2.1 CT 技術(shù)基本原理

借助不同的 X-Ray CT 掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同粒徑的煤與矸石顆粒 CT 掃描實(shí)驗(yàn)，并綜合利用傳統(tǒng)的閥值分割技術(shù)及基于特征提取的圖像分割技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同粒徑顆粒內(nèi)部各種品相礦物的含量、分布形態(tài)及空間位置的定量表征，為進(jìn)行煤矸顆粒的破損特性數(shù)值實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對(duì)不夾雜礦物的煤、不夾雜礦物的矸石、夾矸煤及具有高密度礦物結(jié)核的煤等四類煤與矸石顆粒CT值分布規(guī)律進(jìn)行分析研究。分析研究表明：煤與矸石顆粒 CT 值分布符合正態(tài)分布；通過(guò)對(duì)不同密度的煤與矸石顆粒進(jìn)行 CT 掃描實(shí)驗(yàn)，證明煤與矸石顆粒體的密度 ρ 與 CT 值成線性關(guān)系；建立了煤與矸石顆粒物理密度與 CT 值的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了煤與矸石顆粒密度的無(wú)損測(cè)定。

2.2 煤與矸石顆粒 CT 掃描實(shí)驗(yàn)圖像評(píng)價(jià)

提出了利用體繪制及 marching cube 方法實(shí)現(xiàn)煤與矸石顆粒的三維重構(gòu)，對(duì)不同粒徑區(qū)間內(nèi)的煤與矸石顆粒形態(tài)參數(shù)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、物理力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行定量表征及計(jì)算。分析研究表明：煤與矸石顆粒的長(zhǎng)短度及 Zingg 指數(shù)兩個(gè)參數(shù)隨著顆粒粒徑的增加而增加，，顆粒的扁平度隨著顆粒的粒徑的增加而減小，顆粒形狀不規(guī)則程度隨著球形度系數(shù)的減小而增加；顆粒內(nèi)部各橫截面裂隙細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)均不相同，煤與矸石顆粒內(nèi)部不同部位受損程度不同；顆粒內(nèi)部裂隙較多部位及顆粒內(nèi)部不同品相礦物結(jié)核與煤或矸石基體膠結(jié)的部位強(qiáng)度較弱，較易發(fā)生破碎。該研究成果實(shí)現(xiàn)了煤與矸石顆粒形態(tài)參數(shù)及細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量表征及計(jì)算，為煤矸顆粒破損特性研究提供一種新的方法。

3 煤與矸石顆粒 CT 圖像處理及分……………40

3.1 煤與矸石顆粒 CT 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)……………40
3.2 煤與矸石顆粒 CT 圖像分割……44
3.3 煤與矸石顆粒 CT 值分布規(guī)律分析……59
3.4 本章小節(jié)……………………67
4 煤與矸石顆粒形態(tài)參數(shù)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)及物理力學(xué)性能參數(shù)定量表征與計(jì)算........... 68
4.1 煤與矸石顆粒形態(tài)參數(shù)定量表征與計(jì)算..……………68
4.2 煤與矸石顆粒細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)定量表征與計(jì)算………………84
4.3 煤與矸石顆粒物理力學(xué)性能參數(shù)定量表征與計(jì)算.………96
4.4 本章小結(jié)…………………107
5 煤與矸石顆粒沖擊破碎仿真研究………………109

5.1 非球形煤與矸石顆粒沖擊破碎離散元仿真分析………… 109

5.2 基于 DIP-FEM 的煤與矸石顆粒沖擊破碎有限元仿真分析……………122

5.3 本章小結(jié)…………………129

6 煤與矸石顆粒沖擊破碎實(shí)驗(yàn)及破碎效果評(píng)價(jià)分析

6.1 煤與矸石顆粒沖擊破碎實(shí)驗(yàn)研究

掃描電子顯微鏡(Scanning Electronic Microscopy，SEM)是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種觀察物質(zhì)微觀性貌的電子顯微鏡，其可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)性能進(jìn)行微觀成像。掃描電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)裝置及光學(xué)原理如圖 1-5 所示。掃描電鏡試樣制備簡(jiǎn)單，有較高的放大倍數(shù)，可直接觀察試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)。最新型號(hào)的掃描電鏡都配有 X 射線能譜儀裝置，可以同時(shí)進(jìn)行樣品組織性貌的觀察和微觀成分分析。與光學(xué)顯微鏡相比，掃描電子顯微鏡用電子束代替了可見(jiàn)光。但是電子顯微鏡中樣本必須在真空中觀察，因此無(wú)法觀察活樣本。且投射電子顯微鏡只能觀察非常薄的樣本，在處理樣本時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生樣本本來(lái)沒(méi)有的結(jié)構(gòu)，加劇圖像分析難度。SEM 能夠觀察樣品表面形貌，但是不能測(cè)定樣品的物相結(jié)構(gòu)。

6.2 基于 X-Ray CT 掃描技術(shù)的煤與矸石顆粒群破碎效果評(píng)價(jià)分析

煤炭開(kāi)采過(guò)程中會(huì)遇到眾多地質(zhì)層及多種巖石，且開(kāi)采出來(lái)的煤與矸石顆粒是具有各向異性的非均質(zhì)體，品種極多，性質(zhì)各異，因此煤矸顆粒選擇性破碎面對(duì)的是一龐大而復(fù)雜的集合體。根據(jù)煤與矸石顆粒的細(xì)觀結(jié)構(gòu)及宏觀物理機(jī)械性質(zhì)的差異，提出利用數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)煤與矸石顆粒內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其破損特性進(jìn)行研究，對(duì)提高煤矸破碎效率、降低破碎比能耗及實(shí)現(xiàn)煤矸高效分選具有重要意義。本文基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，以煤與矸石的形態(tài)參數(shù)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、物理力學(xué)性能參數(shù)為研究對(duì)象，采用理論分析、數(shù)值仿真試驗(yàn)和顆粒沖撞實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)煤與矸石顆粒破損特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
......

7 結(jié)論與展望

通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)及有限元技術(shù)（DIP-FEM）構(gòu)建了煤與矸石顆粒真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，基于因次分析理論建立沖擊板—煤巖物料碰撞破碎有限元模型的無(wú)因次乘積組。對(duì)沖擊板質(zhì)量為無(wú)窮大的情況進(jìn)行分析研究，分析研究表明：煤巖顆粒沖擊力是無(wú)因次量 E/V2ρ 的函數(shù)。煤巖顆粒所需的沖擊力隨著沖擊速度的增加而增大；煤與矸石顆粒的沖擊破碎力隨著顆粒粒度的增大而增大；由于煤與矸石硬度差異，矸石所需的沖擊力比煤顆粒所需的沖擊破碎力要大。該研究成果為煤矸破碎機(jī)沖擊力選擇提供基礎(chǔ)依據(jù)。利用正交試驗(yàn)法及支持向量機(jī)對(duì)影響井下煤與矸石分選的影響因素進(jìn)行研究，確定煤與矸石破碎的最佳的工藝方案；利用 X-Ray CT 掃描技術(shù)及數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)不同破碎條件下的煤與矸石顆粒體裂隙率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，定量分析了不同破碎條件下的煤矸的破損特性，為煤矸破碎分選設(shè)備參數(shù)選擇提供依據(jù)。

........

參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：831337