目前,在很多关于煤样课题的研究中,煤的微观结构特征已经成为重要一环。煤的微观孔裂隙结构是影响煤层气液渗流性能和储存能力的重要因素,对煤体解析吸附特性起到决定性作用;另外煤样破坏的细观力学机理不仅取决于煤、矿物质本身的刚度、强度等物理性质,还与孔隙裂隙结构密切相关。本文以扫描电镜(SEM)为主要实验手段,以四个不同煤矿的四种不同性质的煤样为例,获得煤样微观结构的高倍放大图像,对图像进行描述、分析,从微观结构角度直观地介绍了煤样的表面结构特征,展示了煤样在扫描电镜下的煤基质、矿物质杂质以及微孔隙裂隙等形态特征的分布情况。 随着数字图像处理技术不断革新和完善,在岩土工程应用中得到了广泛的应用,为煤体微细观结构特征的认识和应用提供了技术支撑。本文采用数字图像处理技术手段,利用Matlab数字图像处理软件对所得的扫描电镜图像进行图像增强处理,主要包括灰度化、对比度增强、直方图均质化等过程,之后通过阈值分割、形态学处理等将图像转化为二值图像,最后针对程序处理结果不理想时结合原始的扫描电镜图像进行手工简化处理,消除图像中的小区域,过滤掉过小的煤样散点。将最终处理的图像转换为CAD格式的矢量结构模型,以便导入到后续的颗粒流软件中生成PFC数值模型。 煤体细观结构性模型的建立对认识其力学性质有十分重要的作用。本文将数字图像处理后的电镜图片导入到PFC颗粒流数值模拟软件中,建立符合煤样微观图像结构特征和尺寸的细观数值模型,提出了煤样细观结构PFC建立数值模型的方法。该方法利用反映煤样内部孔隙等结构特征的二值图像,转换为与其对应的符合煤样表面结构特征的PFC细观数值模型,最后利用该模型进行了双轴压缩数值模拟试验,分析了不同煤样、不同围压、不同监测点、不同加载速率情况下的煤样破坏形态、裂纹扩展、接触力演化等煤样细观破坏力学特性。结果发现4#煤样产生的裂纹数量最多,能够达到7068个;当轴向偏应力位于峰值点时,颗粒体间的平均接触力达到最大,集中在2.2×108N附近,此时有较大的接触力链形成,煤样出现宏观破坏;围压和加载速率对模拟结果具有一定程度的影响。本文提出的方法摒弃了传统意义上的煤样细观结构建模方法以及为建立模型而编译复杂Fish语言的不足,提高了建模效率和数值模拟的真实精确度。研究内容有利于从细观上认识材料内部结构力学特性,进一步了解煤与瓦斯突出等灾害,保障煤矿安全生产。