煤岩损伤研究的CT扫描技术发展现状

提高CT扫描技术的分辨率，改进图像处理软件和算法，实现复杂应力加载路径的模拟和温度、压力精确控制将是未来CT扫描技术的发展方向。

煤岩损伤是指煤岩体内微裂纹、微孔隙在外荷载或环境作用下逐渐萌生、扩展从而引起煤岩整体宏观力学性能劣化的现象。

煤岩损伤研究的核心是建立损伤演化方程，构建损伤的初、边值问题，进而求解煤岩体应力场、变形场和损伤场。

CT扫描技术最早在医学图像领域应用，1989年日本学者Teda等开创性地将CT扫描技术引入到岩石力学研究领域。

国内最早建立CT测试系统并将其应用于岩土工程领域的是中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，该机构于1990年利用美国通用GE8800CT机和葛修润院士主持研制的加载装置建立了冻土研究工作站。并先后于1998年和2010年分别引进了德国西门子SOMATOM-PLUS螺旋CT机和荷兰皇家飞利浦Brilliance16多能量螺旋CT机，这为煤岩损伤实时动态高精度测量提供了良好的技术基础。

▲常见的CT扫描系统

除了基于医用CT机发展而来的CT扫描测试系统外。目前在我国比较典型的还有中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室购置的X射线工业CT检测实验系统ACTIS300-320/225。

在此基础上，该试验研究团队设计和开发了能够在CT试验台上对尺寸为25 mm×25 mm×50 mm和25 mm×50 mm的2种试件进行远程实时加载的试验装置。

此外，太原理工大学联合中国工程物理研究院应用电子学研究所共同研制了μCT225kvFCB型高精度(μm级)显微CT试验系统。

煤岩损伤的CT 扫描研究现状

根据损伤力学中的定义，损伤是由外载或环境所引起的材料体积单元破坏、宏观力学行为劣化的现象。

煤岩体中常见的损伤形式包括：弹性损伤、弹塑性损伤、蠕变损伤、疲劳损伤、循环荷载损伤、腐蚀损伤、爆炸冲击损伤、高温及冷冻损伤等。

利用CT 图像和CT 数进行煤岩损伤分析

CT扫描是由X射线源发射一束精确准直的X射线，并使其从四周对煤岩试件某一层位进行扫描，通过收集X射线穿过物体之后的衰减程度重建CT图像，进而推断出煤岩损伤程度。

综合来看，利用CT图像和CT数分析损伤演化过程，主要是通过对比煤岩试件在不同试验阶段同一扫描位置处CT图像和CT数的变化来实现的。

CT 数与煤岩损伤变量的关系

对煤岩损伤开展更深入的研究，需要引入损伤变量这一表征材料或结构裂化程度的物理量，以此来建立煤岩微结构特征和宏观力学性能间的关系。

目前损伤变量的定义角度大致可以分为微观和宏观两个角度。微观角度主要是通过微缺陷的面积、体积、数目和分形法等来定义，而宏观角度的定义依据检测方法的不同可采用弹性模量、超声波波速、密度的变化、应变等来描述。

煤岩损伤的应力-应变本构关系

煤岩损伤力学研究的核心目标是建立煤岩损伤本构理论，该理论主要包括2方面内容：煤岩应力-应变关系和损伤演化方程，只有2个方程都建立起来，损伤本构理论才得以建立。由于损伤变量的定义形式不同，构建的损伤本构理论也呈现不同的形式。

存在问题及解决办法

目前，受限于时空分辨率、图像重构算法以及噪声等因素，高质量CT图像的获取也相对较难，因此基于CT扫描的损伤本构关系的建立仍有不少问题需要解决。主要表现在以下2方面。

CT扫描仪器的空间分辨率由焦点尺寸和检测器分辨率决定，提高分辨率的做法是缩小样品尺寸或扫描区域。但煤岩试件尺寸是固定不变的。

改变CT机的扫描电压可改变X射线的波长，进而针对同一扫描试件可以获得不同的CT数。

经常可以通过改变扫描电压对煤岩进行多次扫描从而获得高质量的图像。目前应用在岩石损伤检测中的CT扫描测试系统最大分辨率通常为几百微米，小于以上尺寸的裂隙和孔洞则无法检测。未来将多能量、高分辨率CT机引入到煤岩损伤检测将是一种趋势。

伪影影响CT图像的质量

伪影是多方面的原因造成的，主要有CT射束硬化伪影、噪声伪影、环状伪影和运动伪影等。

尽管伪影本身会对图形的质量造成很大的影响，但是通过计算机软件处理技术或者一些新型的算法可以实现CT图像的过滤、噪音的消除和被破坏像素点的修复。因此新型图像处理软件的改进和算法的开发应是科学研究的关注重点。

实际工程实践中，煤岩的受力情况比较复杂，目前实验室能实现煤岩加载和卸载方式仍相对较少，加之CT扫描无法做到对损伤扩展部位和破坏时刻的精确定位，损伤破坏细节的精确信息无法提取，因此与CT系统相适应的能够模拟各种复杂应力加载路径的加载设备和具备局部精确扫描功能的CT系统的研究也不应忽视。

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