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基于CT扫描的煤中孔隙与矿物成分精确表征方法
Accurate Characterization Method of Pores and Various Minerals in Coal Based on CT Scanning
1. 主要摘要
本文提出了一种基于CT扫描、X射线衍射（XRD）和核磁共振（NMR）技术相结合的煤样孔隙和矿物成分阈值确定方法。通过NMR确定煤样孔隙率，结合CT图像进行孔隙三维重建，并利用XRD确定煤样矿物的类型和成分。研究结果显示，选取边长为140像素（5 mm）至580像素（20.7 mm）的立方体区域可使矿物和孔隙的阈值保持稳定。通过三维重建发现，煤样中的孔隙可分为连通孔和孤立孔，矿物成分包括伊利石、绿泥石等。本文提出的表征方法为煤体结构的微观分析提供了重要手段。
2. 引言
煤体内部孔隙结构和矿物成分对其力学性能、渗透特性和水-岩相互作用有显著影响。传统的表征方法，如汞压法和扫描电子显微镜，虽然能够提供孔隙和矿物结构信息，但存在样品破坏性较大、适用范围有限等问题。CT扫描作为一种无损检测技术，能够高效三维重建孔隙和矿物分布。然而，现有研究中，孔隙与矿物成分的阈值划分多依赖人为判断，缺乏系统的确定方法。本文结合CT扫描、XRD和NMR技术，提出了一种精确的孔隙和矿物成分表征方法，旨在解决煤样结构表征中的问题。
3. 主要内容
1. 试样与CT扫描技术
(1)煤样来源与结构分析
本文选取的煤样来自某矿井的710米采矿层，具体为3#煤层。煤层具有较大的倾斜角度，平均埋深约820米，倾角介于45°到88°之间。通过扫描电子显微镜（SEM）对煤样的微观结构进行了分析，结果显示，煤样主要由煤基质、矿物成分和孔隙裂隙组成。矿物主要分布在煤基质内，而孔隙结构则包括连通孔和孤立孔两种类型。连通孔通常呈现较大的直径并呈细长条状，而孤立孔则体积较小，多为针状。
(2)CT扫描技术应用
为进一步研究煤样内部结构，本文采用了nanoVoxel-3000 CT扫描设备进行扫描。CT扫描是一种高分辨率、非破坏性的检测方法，可有效用于三维重建煤样的孔隙和矿物结构。该设备的扫描电压为160 kV，电流为175 μA，扫描精度为20微米。扫描后生成的图像以三维灰度矩阵形式保存，每次扫描的分辨率为1200×1200×700像素，以便后续处理和分析。
(2)三维可视化与重建
本文利用Thermo Scientific Avizo软件对煤样的CT扫描图像进行三维可视化和重建。通过叠加CT图像并进行三维重建，可以清晰展示煤样内部的孔隙结构和矿物分布。为了提高分析的精确度，本文选取了不同位置的立方体区域进行分析。每个立方体的边长为300像素，通过调整阈值后对这些区域的孔隙和矿物成分进行三维重建。
3. 三维重建与分析
(3)孔隙的分类与分析
煤样中的孔隙可分为连通孔和孤立孔。连通孔在煤样的渗透性和力学性能中起着重要作用，能够提供流体流动的通道。利用Avizo软件中的Axis connectivity命令提取了连通孔，并通过数学运算减去连通孔后获得了孤立孔。三维重建结果显示，尽管连通孔的数量较少，但其总体积远大于孤立孔。此外，连通孔的等效直径和形状因子也显著大于孤立孔，表明连通孔具有更强的渗透能力和更复杂的通道结构。
孤立孔的形状因子和扁平度变化较大，通常呈现为针状或不规则形态。通过分析各区域的孔隙形态，发现孤立孔的扁平度平均值小于0.5，说明其形状更接近针状，而连通孔的扁平度大于0.5，更接近圆形或方形。
(3)矿物成分的重建与分布通过XRD测试确定了煤样中的主要矿物成分，并结合CT扫描图像进行了三维重建。结果显示，伊利石和绿泥石主要以片状分布，而其他矿物（如无定形矿物、长石、石英等）则以颗粒状分布。这些矿物的分布特征在不同的分析区域中基本一致，表明所选阈值可靠且重建结果准确。
4. 阈值与代表性体积分析
为了确保煤样结构分析的准确性，本文引入了代表性基本体积（REV）的概念。通过切割不同大小的立方体区域，并对其进行三维重建，确定了最小和最大代表性基本体积的边长范围。研究表明，当立方体边长大于140像素（5 mm）且小于580像素（20.7 mm）时，孔隙和矿物成分的阈值波动较小，能够获得稳定的表征结果。
4. 主要结论
1. 本研究提出的基于CT扫描、XRD和NMR的煤样孔隙与矿物成分表征方法，能够有效地确定孔隙和矿物的阈值。
2. 孔隙可分为连通孔和孤立孔，连通孔在形状因子和渗透能力方面优于孤立孔。
3. 煤样中的矿物成分按密度不同进行划分，伊利石和绿泥石呈片状分布，其余矿物呈颗粒状。
4. 本方法为煤体微观结构的三维定量分析提供了新的手段，有助于揭示煤样在水-岩相互作用下的演化机制。(Accurate-characterizati…)
5. 主要结果图
6. 参考文献
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一区TOP期刊《Energy》—采用离散元方法（DEM）研究不同水合物习性下含水合物沉积物的力学行为
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一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟煤泥微波加热过程
一区TOP期刊《Energy》—中央分级旋流燃烧器中一氧化碳（CO）形成特性的数值研究
一区TOP期刊《Energy》—CFD-DEM耦合模拟颗粒高速自旋和热传递的规律
一区TOP期刊《Energy》—ANSYS与COMSOL电磁-热耦合模型对比分析
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— 三维耦合MPM模拟隧道面在水力-机械作用下的坍塌机制
一区TOP期刊《Energy》— COMSOL模拟考虑沉积压缩效应的天然气水合物降压开采储层物理和力学特性的演变
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
