[发明专利]煤炭样品组分分布及物理结构可视化的定量CT表征方法

摘要

本发明涉及一种煤炭样品的可视化表征技术，具体是一种煤炭样品组分分布及物理结构可视化的定量CT表征方法，括如下步骤：第一步、煤炭样品的取样及预测试；第二步、第二煤炭样品各组分的X射线吸收特性分析；第三步、剩余部分矿物X射线吸收特性分析；第四步、煤炭样品的CT实验；第五步、建立数学模型，对CT切片进行数值分析；第六步、定量可视化表征。本发明所述的CT表征方法采用多个单色X射线实验能量下获得的CT数据联合分析，通过在单个CT体元上建立数据模型，探测到CT图片上小于CT分辨率尺寸的组分信息，使得煤炭样品的组分分布特征和物理结构可视化结果更加准确。

主权项

1.煤炭样品组分分布及物理结构可视化的定量CT表征方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步、煤炭样品的取样及预测试：于煤炭样品上相邻区域切割选取用于煤质分析、总孔隙率测试的第一煤炭样品，以及用于CT实验的第二煤炭样品,取样要保证样品物相组成均匀；通过实验手段获得第一煤炭样品煤质测试数据，所述煤质测试数据包括煤炭样品中灰分含量、灰分成分及含量、有机元素成分及含量、总孔隙率，根据煤质测试数据推断第一煤炭样品组分、各组分体积分数，所述的组分是由孔隙、煤基质和不同矿物成分构成的； 第二步、第二煤炭样品各组分的X射线吸收特性分析：根据公式（1）计算不同X射线能量下第二煤炭样品中各矿物与煤基质的X射线吸收量的比值，（1）公式（1）中代表不同的矿物；m代表煤基质；代表X射线能量；和分别代表矿物和煤基质在能量为keV的X射线线性吸收系数；和分别代表矿物和煤基质的体积分数；忽略掉比值小于或等于CT实验噪声水平的矿物，剩余部分矿物；所述的剩余部分矿物是由一个相对矿物和其余矿物构成的；第三步、剩余部分矿物X射线吸收特性分析：剩余部分矿物X射线吸收特性分析：根据公式（2）计算不同X射线能量下各其余矿物与相对矿物的X射线线性吸收系数的比值，（2）公式（2）中的取不同值代表不同的其余矿物在能量为keV的X射线线性吸收系数；代表相对矿物在能量为keV的X射线线性吸收系数；做出不同X射线能量下各其余矿物与相对矿物的X射线线性吸收系数比值曲线，将剩余部分矿物进行分组，X射线线性吸收系数曲线相互平行的矿物设为一个组，将孔隙单独设为一个孔隙组，将煤基质单独设为一个煤基质组；第四步、煤炭样品的CT实验：找出不同组别之间的X射线线性吸收系数曲线彼此最不平行的能量段，于上述能量段内选取个X射线实验能量分别进行CT实验，获得多个投影像，该X射线实验能量个数等于非孔隙组的分组个数，CT实验投影像的成像分辨率为a；将上述投影像进行CT切片重构，重构过程中扣除投影像中的亮背景和暗背景，每张CT切片的像素尺寸为c×d，CT切片的最小可分辨单元的尺寸为a×a×a；第五步、建立数学模型，对CT切片进行数值分析：由于小于CT分辨率尺寸的组分分布不能从CT切片上直接观察到，为了使得数值分析结果包含小于CT分辨率尺寸的组分，建立数学模型：样品由N (N=c×d×)个简立方格子构成，其中是CT切片的层数，每个简立方格子的大小等于CT切片的最小可分辨单元的尺寸，对于处于位置() 处的简立方格子，建立如下目标函数（3）：（3）其中（=1，2....)的不同值分别对应不同的X射线实验能量；为X射线实验能量个数；(=0，1， 2， ....) 的不同值分别对应不同的分组，其中=0对应孔隙组；表示第个简立方格子中分组的体积分数；表示分组的化学势参数；表示分组在能量下的X射线线性吸收系数，等于分组中各组分的X射线线性吸收系数乘以相应的体积分数，加总求和得到总值，再除以分组总的体积分数；(=1,2, 3,...,) 表示实验得到的第个简立方格子在所对应的实验能量下的X射线线性吸收系数；将非孔隙组的化学势参数均设为0，利用计算机编程，调整孔隙组的化学势参数P⁽⁰⁾，调整每个简立方格子中不同分组的体积分数使得目标函数（3）式获得最小值，计算结果中各分组体积分数必须满足约束条件（4）且所有简立方格子中孔隙组的体积分数统计平均值等于煤炭样品的总孔隙率测试结果，=1, 2, .......,（4）求得CT切片上各简立方格子中各分组的体积分数；第六步、定量可视化表征：设定不同颜色表示不同的分组，颜色的强度与计算所得该分组在该简立方格子中的体积分数成正比，基于不同分组在各简立方格子中的体积分数比例，利用不同颜色及不同的颜色强度于所有简立方格子上显示所有分组或特定分组，使得煤炭组分分布及物理结构得到定量可视化表征。