基于分形理论的煤颗粒物理结构与细观力学特性关系研究

摘要

提高破碎能效是煤炭洁净技术的重要研究课题。本文从全新的角度——基于分形理论的细观力学层面来研究煤破碎过程演化规律。以阳泉、神木、红沙泉、五彩湾四种典型煤为研究对象，利用分形理论分析方法、图像处理技术并配合先进的单轴压缩力学手段，对煤颗粒力学特性与结构演化关系进行探究，为煤颗粒力学三维模型重构提供理论与实验支持。研究内容为以下几点：
　　（1）明确了分形理论应用范围与方法。本文通过数字式显微镜获取煤表面细观结构图像，利用ImageJ图像处理软件对图像进行处理，有效提取煤表面结构信息。用MATLAB编程计算煤表面细观分形维数。建立一套利用图像处理技术和分形理论来定量表征煤细观结构方法。
　　（2）煤颗粒的基本物性和微细观孔隙结构均与煤的力学特性有关，本文采用不同的方法分别对煤的这些特性进行测定和表征。对四种典型煤进行可磨性测定，发现阳泉、神木、红沙泉、五彩湾煤的HGI依次增大；利用压汞法和氮气吸附两种实验方法对煤进行了孔型、孔隙率、孔径分布、比表面积等测定，计算煤内部孔隙分形维数。利用分形维数表征体式显微镜获取煤表面细观结构。以上结果将为构建煤的力学三维模型提供实验参数。
　　（3）在搭建的单轴载荷力学实验台架上开展煤样力学实验。研究发现煤单轴载荷下一般经历压密、线弹性、屈服、塑性4个过程，沿竖向主裂隙的劈裂破坏是煤样损坏主要形式。力学参数表现出各向异性。弹性模量整体与应力强度呈正相关关系。
　　（4）利用分形维数动态表征加载过程中煤细观结构演化。研究发现，分形维数随应力增加呈现先缓慢增大后急剧增大的非线性关系。煤块单轴载荷下表面分形维数与应力关系为：D=A*e^(f(σ))+B，其中A,B为常数，f(σ)为一次函数。

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1 绪 论

1. 1 研究背景和意义

1. 2 国内外研究现状

1. 3 课题提出

2 煤表面数字图像处理及分形维数计算

2. 1 引言

2. 2 分形理论及分形维数

2. 3 数字图像技术

2.4 Matlab计算图像分形维数

2. 5 本章小结

3 煤的基本物理特性与微/细观结构表征

3. 1 引言

3. 2 煤的基本物理性质

3. 3 煤的微细观孔隙结构特性及其分形描述

3. 4 煤的表面细观结构及其分形描述

3. 5 本章小结

4 单轴载荷下煤块力学特性与表面细观结构演化关系

4. 1 引言

4. 2 单轴载荷力学实验

4. 3 力学特性分析

4. 4 表面细观结构演化过程的分形描述

4. 5 力学特性与表面细观结构演化关系

4. 6 本章小结

5 全文总结与展望

5. 1 全文总结

5. 2 全文展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间科研成果

1、研究生期间的主要学术成果

2、研究生期间参与的科研项目