Исследование каменных углей с использованием рентгеновской томографии

I. ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ГЕОМЕХАНИКА ШРУБТ^ДЬ БАРЕТУ ДМР вЕОМЕСНАШСБ

С.П. Ворошилов

канд.ф.-м. наук, директор НП «Кузбасс-ЦОТ»

В.А. Клименов

д-р техн. наук, проректор-директор ИНК Национального исследовательского Томского политехнического университета

Б.И. Капранов

д-р техн. наук, заведующий сектором лаборатории №40 Национального исследовательского Томского политехнического университета

Я.С. Ворошилов

канд. техн. наук, директор OOO «Горный-ЦОТ+»

А.С. Ворошилов

канд. техн. наук, заместитель директора OOO «Горный-ЦОТ»

Д.А. Трубицына

директор ООО «ЦОТ Горный»

А.В. Батранин

инженер Национального исследовательского Томского политехнического университета

Е.В. Мазаник

канд. техн. наук, директор по аэрологической безопасности «СУЭК-Кузбасс»

УДК 622.333:550.835.8

исследование каменных углей с использованием рентгеновской томографии

В настоящее время компьютерная томография получает все большее распространение для изучения геологических образцов. Это связано с увеличением доступности вычислительных методов для восстановления изображения и появлением специализированных томографов для изучения горных пород. Приведены исследования трехмерной структуры угля и показано, что «облака» поровых структур имеют фрактальную природу. Делается попытка связать объемную структуру различных видов углей с их свойствами по пылеобразованию и самовозгоранию.

Ключевые слова: ГОРНАЯ ПОРОДА, КАМЕННЫЙ УГОЛЬ, ТОМОГРАФ, РЕНТГЕНОВСКИЙ

ТОМОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД, ПОРИСТАЯ СТРУКТУРА УГЛЯ

Томография горных пород

В последнее время рентгеновская томография становится одним из методов изучения горных пород, в частности, каменных углей. Это обусловлено, прежде всего, возможностью перехода от довольно трудоемкого анализа двухмерных шлифов к анализу объемных

изображений, которые содержат значительно больше информации об особенностях структуры углей [1-4].

Представляет интерес, используя методы рентгеновской томографии, попытаться установить взаимосвязи, хотя бы качественные, между объемной структурой угля и такими свойствами, как метано-

емкость, склонность к самовозгоранию, пылеобра-зование и иными специфическими свойствами, так или иначе связанными с безопасностью работ в угольных шахтах.

Краткое описание томографа

В исследованиях использовался микрофокусный рентгеновский томограф T0LMI-150-10, который был разработан в Международной лаборатории неразрушающего контроля (Tomsk Open Laboratory for Material Inspection, TOLMI) Томского политехнического университета.

Основные технические характеристики установки приведены в таблице 1, схематическое устройство

- на рисунке 1.

Томограф реализует схему сканирования с вращающимся объектом исследования и коническим пучком излучения с регистрацией на матричный детектор (рисунок 1). Томограф снабжен линейным приводом для позиционирования объекта между детектором и источником излучения. Источник, платформы и детектор расположены на одной оси. Размер пикселя детектора и возможность оптического увеличения обеспечивают пространственное разрешение порядка 20 мкм.

Рисунок 1 - Схема сканирования коническим пучком

казателю с оптической микроскопией. Основными преимуществами томографии перед другими методами исследований внутренней структуры являются: возможность проводить измерения во всем объеме образца, минимальные усилия на подготовку образца, а также возможность исследовать образцы в их естественном состоянии или с созданием особых условий: различной температуры или приложенной нагрузки.

Некоторые ограничения томографического метода исследований

Основные характеристики рентгеновского томографического метода

Существующие коммерческие и исследовательские решения в области рентгеновской томографии обеспечивают пространственное разрешение от 1 мм до сотен нанометров и сопоставимы по этому по-

Несмотря на универсальность томографического метода, его применение связано с определенными трудностями. Одна из них состоит в том, что исследователь получает на выходе картину распределения коэффициента ослабления рентгеновского излучения, который, в свою очередь, зависит от плотности и эффективного атомного номера ма-

Таблица 1 -Технические характеристики T0LMI-150-10

Название Значение

Тип матрицы КМОП

Разрядность матрицы, бит 12

Размер матрицы, пикселей 1024x1000

Размер активной зоны матрицы, мм 98,6x96,1

Размер пикселя матрицы, мкм 96

Размер фокусного пятна рентгеновской трубки, мкм 10

Диапазон регулирования напряжения трубки, кВ 40-150

Ток трубки, мкА 100

Диапазон оптического увеличения проекции объекта 1,5-10

Диапазон размеров объекта исследования, мм 5-60

териала. Не имея априорной информации об исследуемой структуре, довольно сложно оценить вклад обеих составляющих по результатам томографических измерений. Другая трудность состоит в выборе наиболее подходящего математического аппарата для проведения томографической реконструкции. Наиболее распространенные в настоящее время алгоритмы реконструкции относятся к классу методов обратного проецирования с фильтрацией, которые слабо учитывают процессы взаимодействия излучения с веществом и по этой причине склонны давать ошибочную картину распределения коэффициента ослабления. Данный эффект известен как артефакты томографической реконструкции, которые весьма усложняют исследования внутренней структуры материалов. В настоящее время активно развиваются и внедряются более совершенные алгоритмы реконструкции, и это позволяет надеяться, что указанная сложность в применении томографии в недалеком будущем будет сведена к минимуму.

Исследование пористой структуры углей и фрактальная размерность «облаков» пор

Для более четкой визуализации микропористой структуры использовался общепринятый метод [3]

- образцы углей (10-40 мм) пропитывались насыщенным водным раствором рентгеноконтрастного вещества (Ва12) со смачивателем, при этом образцы кипятились в течение одного часа при атмосферном давлении.

Кроме этого, был опробован и другой способ пропитки. Образцы угля вакуумировались (форвакуум) в стеклянном сосуде в течение одного часа, затем в сосуд подавался насыщенный водный раствор рентгеноконтрастного вещества (Ва12). В течение одного часа осуществлялось «холодное кипячение» образцов под вакуумом (для удаления воздуха из раствора), затем образцы оставлялись в растворе на сутки при атмосферном давлении.

Прямыми экспериментами было установлено, что водный раствор иодида бария при кипячении образцов углей дает более яркие томографические снимки, чем при пропитке образцов под вакуумом. На рисунке 2 представлена томограмма угля марки Г, пропитанного водным раствором рентгеноконтрастного вещества (Ва12). Пунктиром выделено «облако» пор.

Как и следовало ожидать [3,4], система пор локализуется в структуре угля в виде неких «облаков»,

причем, чем светлее участок томограммы, тем выше коэффициент ослабления рентгеновского излучения и, следовательно, тем выше концентрация пор, пропитанных рентгеноконтрастным веществом.

На рисунке 3 приведена объемная реконструкция исследуемого образца, при этом с целью получения качественного изображения в реконструкции использовались достаточно плотные «облака» -выше 60 % от максимальной интенсивности поглощения. Из рисунка 3 видно, что «облака» системы пор вытянуты по напластованию и имеют достаточно сложную структуру.

Для описания таких сложных гетерогенных структур в последнее время успешно используются методы фрактальной геометрии. В частности, в работе [5] показана связь фрактальной размерности поверхности угля с его выбросоопасными характеристиками.

Для практического определения фрактальной размерности часто используются отношения логарифмов площади и периметра изучаемого объекта либо соотношения логарифмов объема и поверхности для трехмерных объектов. Для расчета фрактальной размерности томограмма нарезалась на слои, для которых проводился анализ с помощь математического пакета с функциями обработки изображений. Анализ проходил в несколько этапов:

I

1

I

I

Рисунок 2 - Срез томограммы угля марки Г с рентгеноконтрастным веществом

• итерационное выделение интересующих областей;

• преобразование изображения в черно-белое для выделения объектов и определения границ;

• определение периметра и площади каждой

14

* 1л^*4 1л(Ц

---- ПйНілЧ к= I

П ________і________I________I________I_______I________9_______I________

1_г> перии*цр

Рисунок 4 - Логарифмическая зависимость площади и периметра «облаков» пор для томограммы, изображенной на рисунке 2

частицы;

• графическое отображение отношения логарифмов полученных данных.

На рисунке 4 приведен график отношения логарифмов площади и периметра «облаков» пор различной плотности, полученных в результате обработки томограммы, представленной на рисунке 2. Найдено, что фрактальная размерность плоского среза пористой системы равна В = 1,37, что соответствует объемной фрактальной размерности 2,37.

В целом для различных образцов установлено, что объемная фрактальная размерность пористой структуры колеблется в пределах от 2,3 до 2,4. Полученные результаты по визуализации пористой структуры углей наглядно демонстрируют довольно широкие возможности рентгеновской томографии, которая может послужить основой для уточнения и развития методов исследований таких свойств углей, как метаноемкость, в том числе остаточная, и выбросоопасность.

Интересно, что во всех исследованных образцах углей системы минеральных слоистых включений также имеют «облачную» структуру, причем фрактальные размерности «облаков» минеральных

ч, -

:  V.ііітК'*' - '

. к _ т* =: '  ~'--4  *

/ ’V '

'-. Л* ^Д^Г^аґ-і-'<*#

'Ь ' V ,Д , * .

^ '*  *1 'і луьР?У " * 4

Л**:: ^ %' \|, V V .

•Л і

Рисунок 5 - Объединенные на одной томограмме два образца угля (слева): верхний образец - уголь, склонный к самовозгоранию; нижний образец - уголь, не склонный к самовозгоранию;

3D визуализация данных образцов

Рисунок 6 - Объединенные на одной томограмме два образца угля (слева): верхний образец - уголь, не склонный к пылеобразованию, нижний образец - уголь, склонный к пылеобразованию;

3D визуализация данных образцов

включений для различных углей близки между собой и колеблются в пределах D = 2,35-2,45.

Исследование структуры углей, не склонных к самовозгоранию, и углей с низкой пылеобразующей способностью

Склонность углей к самовозгоранию зависит от множества факторов, в том числе и от его внутренней структуры. То же самое можно сказать и

о склонности углей к пылеобразованию. В связи с этим были изучены образцы углей, склонных и не склонных к самовозгоранию, и образцы углей с различной пылеобразующей способностью.

Объемная структура исследованного в работе образца угля, не склонного к самовозгоранию (рисунок 5), имеет свои отличительные особенности

- минеральные включения представлены в виде распределенных по объему локальных образований, соединенных между собой системой трещин. Склонные к самовозгоранию угли имеют более ярко выраженную слоистую структуру.

Аналогичная зависимость просматривается и в части «склонности» углей к пылеобразованию (рисунок 6). Минеральные составляющие углей с низкой пылеобразующей способностью представлены в его структуре в виде локальных включений. «Облачная» слоистость практически отсутствует. Обращает на себя внимание тот факт, что системы трещин углей, не склонных к самовозгоранию, и углей с низкой пылеобразующей способностью имеют схожие между собой объемные структуры -трещины идут от одного минерального включения (концентратора напряжений) до другого, тогда как у «слоистых» трещины расположены параллельно напластованию или «гаснут» на минеральных прослойках. На рисунке 5 в качестве примера такого поведения трещин приведена томограмма склонных и не склонных к самовозгоранию углей, про-

питанных рентгеноконтрастным раствором. Возможно, эта взаимосвязь между углями, не склонными к самовозгоранию, и углями с низкой пылеобразующей способностью является артефактом (мала статистика), но и возможно, что это некоторое общее свойство у этих характеристик углей, тем более что полученные результаты согласуются с современными представлениями о механизме разрушения гетерогенных структур [6,7].

В настоящее время объем выполненных исследований не позволяет получить статистически значимых корреляционных взаимосвязей между свойствами угля и его объемной структурой для различных марок углей, однако визуальный и фрактальный анализы томограмм позволяют сделать следующие предварительные выводы:

1. Во всех исследованных образцах углей системы пор и минеральных слоистых включений имеют «облачную» структуру, причем фрактальные размерности «облаков» пор и минеральных включений для различных углей близки между собой и колеблются в пределах D = 1,35-1,45.

2. Объемная структура исследованного в работе образца угля, не склонного к самовозгоранию, имеет свои отличительные особенности - минеральные включения представлены в виде распределенных по объему локальных образований, соединенных между собой системой трещин. Самовозгорающиеся угли имеют более ярко выраженную слоистую структуру.

Аналогичная зависимость просматривается и в части «склонности» углей к пылеобразова-нию. Минеральные составляющие углей с низкой пылеобразующей способностью представлены в его структуре в виде локальных включений. «Облачная» слоистость практически отсутствует.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Якушина, О.А. О возможности оперативной оценки качества минерального сырья при решении технологических задач методом рентгенотомографии / О.А. Якушина, Е.Г. Ожогина, М.С. Хозяинов // ГЕОразрез [Электронное научное издание]. - Режим доступа: htt://georazrez.uni-dubna.ru, свободный.

2 Lingta, Mao. Porosity Analysis Based on CT Images of Coal under Uniaxial Loading Lingta /Mao, Peng Shi, Hui Tu, Liqian An, Yang Ju, Nai Hao // Received June 5, 2012; revised July 18, 2012; accepted August 2, 2012. - http:// www.SciRP.org/journal/act.

3 Trond, K. Combining high-fidelity helical microtomography With region-of-interest Scanning for improved core Characterisation / Trond K. Varslot, Andrew M. Kingston, Shane J. Latham, Jill Middleton, Mark A. Knackstedt and Adrian P. Sheppard // This paper was prepared for presentation at the International Symposium of the Society of

Core Analysts held in Austin, Texas, USA 18-21 September, 2011.

4 Permana, A.K. 3-D Imaging of Cleat and Micro-cleat Characteristics, South Walker Creek Coals, Bowen Basin, Australia: Microfocus X-ray Computed Tomography Analysis // Indonesian Journal of Geology. - Vol. 7. - No. 1 March 2012: 1-9.

5 Трубецкой, К.Н. Фрактальная структура нарушенности каменных углей и их предрасположенность к газодинамическому разрушению / К.Н. Трубецкой, А.Д. Рубан, С.Д. Викторов, О.Н. Малинникова, В.Н. Одинцев, А.Н. Кочанов, Д.В. Учаев // Доклады Академии наук, 2010. -Т. 431. - № 6. -С. 818-821.

6 Булат, А.Ф. Фракталы в геомеханике / А.Ф. Булат, В.И. Дырда. - Киев: Наукова думка, 2005. - 358 с.

7 Нелинейная механика геоматериалов и геосред / Макаров П.В., Смолин И.Ю., Стефанов Ю.П., Кузнецов П.В., Трубицын А.А., Трубицына Н.В., Ворошилов С.П., Ворошилов Я.С. // Новосибирск: Гео, 2007. -235 с.

COAL RESEARCH WITH X-RAY TOMOGRAPHY Ворошилов Сергей Петрович

S.P Voroshilov, V.A. Klimenov, B.I. Kapranov, Ya.S. e-mail: vsp1950@yandex.ru

Voroshilov, A.S. Voroshilov, D.A. Trubitsyna, A.V. Клименов Василий Александрович

Batranin, Ye.V. Mazanik e-mail: mail@introscopy.tpu.ru

At present usage of computer tomography is more Капранов Борис Иванович

and more widely spread in research of geological e-mail: indt@tpu.ru

samples. It is connected to availability of calculation Ворошилов Ярослав Сергеевич

methods increase which help to restore the image e-mail.yaroslav.voroshilov@gmail.com

and with appearance of special tomographs for mine Ворошилов Алексей Сергеевич

rocks research. Researches of three-dimensional Трубицына Дарья Анатольевна

coal structure are shown which prove that “clouds” e-mail: dtrubitsyna@me.com

of poral structures have fractal origin. The authors try Батранин Андрей Викторович

to connect the volumetric structure of different coal e-mail: batranin@qmail.com

types with their dust building and selfcombustion Мазаник Евгений Васильевич

properties. e-mail: mazanikEV@suek.ru

Key words: MINE ROCK, COAL,TOMOGRAPH,

X-RAY TOMOGRAPHYC METHOD, PORAL COAL

STRUCTURE

11