基于CT三维重建与逆向工程技术的煤体数字模型的建立_王刚1
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第 36 卷第 11 期 岩 土 力 学 Vol.36 No.11
2015 年 11 月 Rock and Soil Mechanics Nov. 2015
收稿日期：2014-11-01
基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.51304128）；山东省自然科学基金（No.ZR2013EEQ015）；高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（No.
20133718120013）；中国博士后科学基金资助项目（No.2013M541942）。
Foundation item: Project supported by the National Natural Science Foundation Project (Grant No.51304128), Shandong Provincial Natural Science
Foundation, China (Grant No.ZR2013EEQ015), Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (Grant No.20133718120013) and
China Postdoctoral Science Foundation (Grant No.2013M541942).
第一作者简介：王刚，男，1984 年生，副教授，主要从事煤与瓦斯突出机制及瓦斯防治方面的研究工作。E-mail: ckwanggang@163.com
DOI：10.16285/j.rsm.2015.11.038
基于 CT 三维重建与逆向工程技术的煤
体数字模型的建立
王 刚
1, 2
，杨鑫祥
2
，张孝强
2
，薛 娇
1
，李文鑫
2
（1. 山东科技大学 矿山灾害预防控制-省部共建国家重点试验室培育基地，山东 青岛 266590；
2. 山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）
摘 要：为了建立能够表征煤体真实孔隙结构的数字模型，进而进行数值模拟研究，通过 µCT225kVFCB 高精度 CT 系统扫
描得到了大柳塔煤矿长焰煤 CT 数据，可观测到的最小孔隙直径为 1.94 µm。使用基于 Matlab 语言的三维重建程序结合逆向
工程技术，提出了一种将煤体 CT 三维数据转换为 CAD 数字模型的方法。以 Ansys 建立的煤体有限元模型为例，对煤体瓦
斯渗流进行了模拟，分析了煤体孔隙内的速度及压力分布规律，并计算了沿 X、Y、Z 方向的渗透系数。计算结果表明：在
微观尺度下（< 100 µm）煤体渗透系数呈现各向异性，其受煤体结构的影响较明显。提出的基于 CT 三维重建结合逆向工程
技术构建的煤体 CAD 数字模型不仅可进行有限元分析，同时也可以被 EDEM 等离散元分析软件所使用，拓宽了煤体 CT 三
维数据的应用范围，丰富了煤体在微观尺度上的研究方法。
关 键 词：CT；三维重建；逆向工程；煤；有限元
中图分类号：P 618.11；O 241 文献识别码：A 文章编号：1000－7598 (2015) 11－3322－08
Establishment of digital coal model using computed tomography based on
reverse engineering technology and three-dimensional reconstruction
WANG Gang
1, 2
, YANG Xin-xiang
2
, ZHANG Xiao-qiang
2
, XUE Jiao
1
, LI Wen-xin
2
(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Mine Disaster Prevention and Control, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong
266590, China; 2. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)
Abstract: The aim of this paper is to establish a digital model for characterizing the actual pore structure of coal and further
simulating the gas seepage in coal. The computed tomography (CT) data of long-flame coal samples from Daliuta coalmine is
obtained through the µCT225kVFCB high precision CT system. It is found that the minimum pore diameter in coal sample is 1.94 µm.
Meanwhile, a new method is developed to convert CT three-dimensional (3D) data into CAD digital model, according to the reverse
engineering technology and a Matlab language based 3D reconstruction program. As an example, a finite element model is
established by Ansys software to simulate the gas seepage. Then the distributions of gas velocity and pressure in the coal pores are
analyzed and hydraulic conductivities along X, Y and Z directions are also calculated. The results indicate that the permeability of coal
exhibits anisotropy at microscale (<100 µm) and is greatly affected by coal structure. The newly developed CAD digital coal model
can be used not only for finite element analysis, but also for discrete element analysis such as EDEM software. Therefore, this study
broadens the application of 3D CT data and extends research areas of coal at microscale.
Keywords: CT; three-dimensional reconstruction; reverse engineering; coal; finite elements
1 引 言
煤是一种多孔介质，它的微观孔隙结构对煤的
宏观物理化学特性有着重要的影响，比如煤的孔隙
尺度、比表面积以及连通性会影响煤的渗透率、孔
隙度、吸水性等。研究人员对煤的认识过去多局限
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