基于数字图像处理的堆浸散体孔隙连通性分析.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 1 3 年0 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM 哐T A I ．I ，U R G H A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 3 №1 F e b r u a r y2 0 1 3 基于数字图像处理的堆浸散体孔隙连通性分析① 杨保华1 ⋯，吴爱祥1 ，刘金枝3 1 ．北京科技大学土木与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．湖南涉外经济学院电气与信息工程学院，湖南长沙4 1 0 2 0 5 ；3 ．上海海洋大学信息学院， 上海2 0 1 3 0 6 摘要采用x 光C T 技术对微生物浸出前后堆浸散体的孔隙结构进行了扫描，在数字图像处理的基础上提出了以孔隙拓扑率评 价孔隙连通性的优劣，分析了堆浸散体孔隙连通性的演化规律。研究结果表明浸出后堆浸散体孔隙连通性比浸出前大大降低，同 时从顶部至底部逐渐劣化。底部区域的横向孔隙连通性比浸出前同区域降低了6 4 ％，比顶部区域降低了5 1 ％，其纵向孔晾连通性 比浸出前同区域降低了3 8 ％，比顶部区域降低了4 2 ％。微生物浸出前后堆浸散体的连通性均存在明显的各向异性，横向孔隙连通 性高于纵向孔隙连通性。孔隙连通性的各向异性是导致散体介质渗流性能各向异性的重要因素之一。 关键词C T 技术；堆浸散体；孔隙连通性；数字图像处理 中图分类号T F l 8文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 1 ．0 0 5 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 l 一0 0 1 8 一0 4 A n a l y s i so fP o r eC o n n e c t i v i t yo fG r a n u l a rO r eM e d i aa f t e rH e a pL e a c h i n g B a s e do nD i g i t a lI m a g eP r o c e s s i n g Y A N GB a o ．h u a l ⋯，W UA i ．x i a n 9 1 ，L I UJ i n z h i 3 1 。C i v i la n dE n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n gS c h o o l ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fE l e c t r i c a la n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ，H u n a nI n t e r n a t i o n a lE c o n o m i c sU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 2 0 5 ， H u n a n ，C h i n a ；3 ．C o l l e g eo f I n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y ，S h a n g h a iO c e a nU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 1 3 0 6 ，C h i n a A b s t r a c t T h eg r a n u l a ro r em e d i ab e f o r ea n da f t e rb a c t e r i a lh e a pl e a c h i n gw e r es c a n n e dw i t hX r a yc o m p u t e dt o m e g r a p h y C T t e c h n o l o g y ．I ti sp r o p o s e dt h a tt h ep o r et o p o l o g i c a lr a t i oo b t a i n e dc a nb eu s e dt oe v a l u a t ep o r ec o n n e c t i v i t y b a s e do nt h ed i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ．T h ee v o l v e m e n to fp o r ec o n n e c t i v i t yo fg r a n u l a ro r em e d i ad u r i n gh e a pl e a c h i n g w a st h e ni n v e s t i g a t e d ．R e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h ep o r ec o n n e c t i v i t yo fg r a n u l a ro r em e d i ad e c r e a s e dd r a m a t i c a l l ya f t e r l e a c h i n g ，b e i n gd e t e r i o r a t e dg r a d u a l l yf r o mt o pz o n et ob o t t o mz o n e ．A f t e rl e a c h i n gp r o c e s s ，t h eh o r i z o n t a lp o r ec o n n e c - t i v i t yo fb o t t o mz o n ed e c r e a s e db y6 4 ％a n d51 ％，r e s p e c t i v e l y ，c o m p a r e dw i t ht h es a m ez o n ea n dt o pz o n e ，w h i l et h e v e r t i c a lp o r ec o n n e c t i v i t yo fb o t t o mz o n ed e c r e a s e db y3 8 ％a n d4 2 ％，r e s p e c t i v e l y ．T h ep o r ec o n n e c t i v i t yo ft h e g r a n u l a ro r em e d i at e n d st ob ea n i s o t r o p i cb o t hb e f o r ea n da f t e rl e a c h i n g ，w i t hh o r i z o n t a lp o r ec o n n e c t i v i t yh i g h e rt h a n v e r t i c a lo n e ．T h ea n i s o t r o p yo fp o r ec o n n e c t i v i t yi so n eo fc r u c i a lf a c t o r st h a tc o n t r i b u t et ot h ea n i s o t r o p yi np e r m e a b i l i t y o fg r a n u l a ro r em e d i a ． K e yw o r d s C Tt e c h n o l o g y ；g r a n u l a ro r em e d i a ；p o r ec o n n e c t i v i t y ；d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g 孔隙连通性是评价多孔介质及散体介质孑L 隙结构 特征的一个重要参数，它与溶液的渗流效果密切相关， 在很大程度上影响到介质的渗流性能。6 』。通常在孔 隙率及孔隙尺寸分布相当的情况下，连通性好的散体 介质渗透率必然要高些。堆浸散体是由不同尺寸且形 状极其不规则的矿石颗粒堆积而成，在微生物浸出过 程中，受物理、化学、生物三重因素的综合影响，其孔隙 结构一直处于不断演化的过程中“ 娟1 ，而孔隙连通性 也随之不断变化，定量分析孑L 隙连通性及其在堆浸过 程中的时空演化规律对进一步深入了解溶浸液渗流变 化规律有着重要作用。 然而堆浸散体的孔隙连通性难以通过物理试验直 接测量得到，只能借助无损检测技术，如c T 扫描技 术，来获得介质的图像，在此基础上借助数字图像处理 的方法来计算。在多孔介质的研究领域内，有学者基 于介质的图像计算连通度或者配位数来评价孔隙连通 性归一5 J ，但是当扫描设备的空间分辨率不够高时，部 分直径小于此分辨率的孔隙就无法在图像中显示出 ①收稿日期2 0 1 2 - 0 9 - 2 3 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 9 3 4 0 0 2 ，5 1 0 7 4 0 1 3 ，5 1 1 0 4 1 0 0 ；中国博士后科学基金 2 0 1 2 M 5 1 0 0 0 7 作者简介杨保华 1 9 7 7 一 ，女，湖南永州人，博士，讲师，从事图像处理及可视化技术在溶浸采矿中的应用研究。 万方数据 第1 期 杨保华等基于数字图像处理的堆浸散体孔隙连通性分析 来，而这些小的孑L 隙也是溶液流动的重要通道，若采用 以往的连通度评价方法，会把通过这种小孔隙连接的 其它孤立孔隙视作非连通孔隙，导致连通度的计算值 大大降低。采用配位数评价方法对于均匀多孔介质来 说比较有效，但是对于像堆浸散体这种非均质各向异 性的介质，若采用单一的配位数来表征其全局特性，会 存在一定误差，从而无法准确评价孔隙连通性。针对 这些问题，本文提出了一个新的评价堆浸散体介质孔 隙连通性的指标孔隙拓扑率。这一参数能够间接 地反映介质的孑L 隙连通性，借助孑L 隙拓扑率可以实现 堆浸体系孔隙连通性演化规律的分析。 1 试验 1 ．1 试验过程 微生物浸出试验矿样为取自江西省德兴铜矿的原 生矿，样本颗粒级配曲线见图1 。试验所用溶浸柱高 为5 0 0m m ，直径为6 0m m 。在浸出之前，往溶浸柱内 装满矿样，并采用x 光C T 机对溶浸柱进行全长扫描。 接着对溶浸柱中的矿岩散体进行微生物浸出试验，浸 出试验参数见表1 。浸出结束后，以相同参数对溶浸 柱再次进行全长C T 扫描。溶浸柱在微生物浸出前后 经C T 仪扫描后，分别获得了约7 0 0 张C T 断层图像， 用于后续计算与分析。 零 ＼ 丑 焱 艺 婪 霸} 蛊 趔 型 1 撼 - ， 々 颗粒尺寸／r a m 图1硫化矿颗粒级配曲线 表1微生物浸出试验条件 1 ．2 孑L 隙拓扑率计算方法 应用M a t l a b 对所获得的堆浸散体原始C T 图像进 行剪切、图像增强及阈值分割等预处理后，可获得其二 值化孑L 隙图像，见图2 a ，再对图像进行细化处理，即 把所有孑L 隙均细化成一个像素宽的通道，从而获得孔 隙网络结构图，见图2 b 。 图2 孔隙网络分布 a 堆浸散体7 L 隙； b 堆浸散体孔隙网络结构 根据孑L 隙网络结构图，便可计算孔隙拓扑率6 6 了L 1 式中￡为孔隙网络总像素值；S 为介质截面总像素值。 利用M a t l a b 图像处理工具箱中的相应函数可以分 别统计出孔隙网络和介质截面的总像素值，从而计算出 孔隙拓扑率。孔隙拓扑率忽略了孔隙尺寸大小，只考虑 其作为溶液流动路径的作用，该参数实际上是单位面积 上孔隙通道的分布概率，是一个平均概念，体现了介质 孔隙通道的发育程度，它能够间接反映孔隙连通性的优 劣，孑L 隙拓扑率越大，说明孑L 隙的连通性越好。 2 结果与分析 堆浸中的散体介质存在各向异性和非均质性，因 此把整个溶浸柱从底部至顶部分成了1 0 个区域，每个 区域为5 0m m 高，通过分别计算浸出前后溶浸柱内各 区域的横向拓扑率以及纵向拓扑率，来分析孔隙连通 性在时间和空间上的变化规律及其各向异性。 2 ．1 横向孔隙连通性分析 溶浸柱从底部至顶部各区域横截面见图3 ，其中 A 1 ～A 1 0 为浸出前图像，B 1 ～B 1 0 为对应区域相同高 度浸出后图像。通过对图3 中各区域的横截面图进行 细化处理，便可分别获得各截面的孑L 隙网络结构图，在 此基础上根据式 1 计算出各截面的孔隙拓扑率，从 而进行浸出前后横向孔隙连通性比较，见图4 。 由图4 可知，浸出前，溶浸柱内不同高度矿岩散体 的横向孔隙拓扑率介于6 ％～7 ％之间，说明其各区域 横向孑L 隙连通性在空间上变化不大。浸出后，溶浸柱 内不同高度的矿岩散体的横向孔隙拓扑率减小到2 ％ 万方数据 矿冶f 程第3 3 卷 ～5 ％之间，从上至下呈逐渐降低趋势，说明浸出后散 体横向孑L 隙连通性比浸出前大大降低，同时在空间上 从顶部至底部逐渐劣化，尤其是5 0m m 以下区域，其 孑L 隙连通性比浸出前同区域降低了6 4 ％，比顶部区域 降低了5 l ％。 图3 堆浸散体浸出前后横截面C T 图像 暑 暑 ＼ 蜊 追 碰 裂 缝 图4 微生物浸出前后堆浸散体横向孑L 隙拓扑率比较 2 ．2 纵向孔隙连通性分析 为了探明浸出前后堆浸散体纵向孔隙连通性演化 规律，选择溶浸柱内相互正交的两个方向的堆浸散体 的纵剖面进行分析，分别为A 组剖面和B 组剖面，每 组剖面从底部至顶部各包含l O 个区域，见图5 ，每个 区域为5 0m m 高。浸出过程中由于堆浸散体大约沉 降了2 0m m ，所以浸出后顶部区域比浸出前低。在对 浸出前后所有剖面图分别进行细化处理后，获得各纵 剖面的孔隙网络结构图，然后由式 1 计算出各纵剖 面的孔隙拓扑率，同时求出浸出前后A 组剖面和B 组 剖面的孑L 隙拓扑率平均值，见图6 。 由图6 可知，浸出前，溶浸柱内不同高度矿岩散体 ■‘㈦． 2 m n 图5 微生物浸出前后溶浸柱内i 0 个区域的矿岩散体正视图 及左视图 量 暑 ＼ 型 遍 _ ～ 奠 缝 图6 微生物浸出前后堆浸散体纵向子L 隙拓扑率比较 的纵r ；, l - f L 隙拓扑率为4 ％一4 ．5 ％左右，说明其各区域 纵向孑L 隙连通性在空I H 】上变化不是很大。浸出后，溶 浸柱内不同高度的矿岩散体的纵向孔隙拓扑率介于 万方数据 第1 期 杨保华等基于数字图像处理的堆浸散体孔隙连通性分析 2 ．5 ％～5 ％之间，除了上部区域，其它区域从上至下逐 渐减小，说明浸出后散体纵向孔隙连通性在空间上和 时间上均发生了不同程度的演化。在空间上，除局部 区域外孔隙连通性从上部至底部逐渐降低，底部区域 比顶部区域降低了4 2 ％。在时间上，浸出后散体孔隙 连通性比浸出前明显劣化，除了顶部区域连通性有所 改善外，其它区域均比浸出前差，5 0m m 以下区域的孔 隙连通性比浸出前同区域降低了3 8 ％。 2 ．3 堆浸散体孔隙连通性各向异性分析 为了分析堆浸散体孔隙连通性的各向异性，分别 比较了浸出前后横向和纵向孔隙拓扑率，见图7 。 昌 E ＼ 毯 担 矩 嬲 艇 4 ．0t 55 ．0 ＆5 丘06 ．5 7 ．0 孔隙拓扑率，％孔隙拓扑率／％ 图7 微生物堆浸散体横向和纵向孔隙拓扑率比较 a 浸出前； b 浸出后 由图7 可知，浸出前堆浸散体横向孔隙连通性要 远远优于纵向孑L 隙连通性，除了溶浸柱底部区域外，其 它区域的横向孔隙连通性同样也优于纵向孔隙连通 性。由此可见，不管是浸出前，还是浸出后，堆浸散体 的连通性均存在明显的各向异性，横向孔隙连通性高 于纵向孔隙连通性。连通性的各向异性是导致散体介 质渗流性能各向异性的重要因素之一。 孔隙连通性是影响堆浸散体介质渗流性能以及最 终浸出效果的重要参数，它与孔隙通道曲折度密切相 关，连通性越高的介质曲折度越小，反之，连通性越低 则曲折度越大。下一步将重点研究孔隙连通性对渗流 性能的影响规律。 3 结论 1 集成c T 技术和数字图像处理技术是分析堆浸 散体孑L 隙连通性的有效方法。，本文基于图像分析提出 的孑L 隙拓扑率，能实现堆浸散体浸出过程中孔隙连通 性的评价。 2 微生物浸出后堆浸散体孑L 隙连通性比浸出前 大大降低，同时从堆体顶部至底部逐渐劣化。 3 浸出前后堆浸散体的连通性均存在明显的各 向异性，横向孔隙连通性高于纵向孔隙连通性，连通性 的各向异性是导致散体介质渗流性能各向异性的重要 因素之一。 参考文献 [ 1 ] V e r v o o r tRW ，C a t t l eSR ．L i n k i n gh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t ya n dt o r t u o s i t yp a r a m e t e r st op o r ea p a c eg e o m e t r ya n dp o r e - s i z ed i s t r i b u t i o n [ J ] ． J o u r n a lo fH y d r o l o g y ，2 0 0 3 ，2 7 2 1 4 3 6 4 9 ． [ 2 ] A n d e m s o nL ，J o n e sAC ，K n a c k s t e d tMA ．L e n n a r tB e r g s t r o m ．P e r - m e a b i l i t y ，p o r ec o n n e c t i v i t ya n dc r i t i c a lp o r et h r o a tc o n t r o lo fe x p a n d a b l ep o l y m e r i cs p h e r et e m p l a t e dm a c r o p o r o u sa l u m i n a [ J ] ．A c t aM a t e r i a l i a ，2 0 1 l ，5 9 3 1 2 3 9 1 2 4 8 ． [ 3 ] N e i t h a l a t hN ，S u m a n a s o o r i y aMS ，D e oO ．C h a r a c t e r i z i n gp o r ev o l u m e ，s i z e s ，a n dc o n n e c t i v i t yi np e r v i o u sc o n c r e t e sf o rp e r m e a b i l i t y p r e d i c t i o n [ J ] ．M a t e r i a l sC h a r a c t e r i z a t i o n ，2 0 1 0 ，6 1 8 8 0 2 8 1 3 ． [ 4 ] A l a o u iA ，L i p i e cJ ，G e r k eH H ．Ar e v i e wo ft h ec h a n g e si nt h es o i l p o r es y s t e md u et os o i ld e f o r m a t i o n Ah y d r o d y n a m i cp e r s p e c t i v e [ J ] ． S o i l T i l l a g eR e s e a r c h ，2 0 1 1 ，1 1 5 5 1 1 5 。 [ 5 ] ／ d e s sJ ，Y u nTS ，N a r s i l i oGA ，e ta 1 ．E v a l u a t i o no f h y d r a u l i cc o n d u c - t i v i t yi n3 Dr a n d o ma n dh e t e r o g e n e o u sp a r t i c u l a t em a t e r i a l su s i n gn e t - w o r km o d e l [ J ] ．C o m p u t e r sa n dG e o t e c h n i c s ，2 0 1 2 ，4 0 1 4 5 - 5 2 ． [ 6 ] S u m a n a s o o r i y aMS ，N e i t h a l a t hN ．P o r es t r u c t u r ef e a t u r e so fp e r v i o u s c o n c r e t e sp r o p o r t i o n e df o rd e s i r e dp o r o s i t i e sa n dt h e i rp e r f o r m a n c ep r e - d i c t i o n [ J ] ．C e m e n t ＆C o n c r e t eC o m p o s i t e s ，2 0 1 1 ，3 3 8 7 7 8 7 8 7 ． [ 7 ] Y A N GB a o h u a ，W UA i - x i a n g ，J 1 A N GH u a i c h u n ，e ta 1 ．E v o l v e m e n t o fp e r m e a b i l i t yo fO r eg r a n u l a rm e d i ad u r i n gh e a pl e a c h i n gb a s e do n i m a g ea n a l y s i s [ J ] ．T r a n s a c t i o no fN o n f e r r o u sM e t a l sS o c i e t yo f C h i n a ，2 0 0 8 ，1 8 2 4 2 6 4 3 1 ． [ 8 ]W UA i x i a n g ，L I UJ i n - z h i ，T A N GL i n g y a n ．S i m u l a t i o no fc o u p l e d f l o w i n g ．r e a c t i o n - d e f o r m a t i o n w i t hm o g st r a n s f e ri nh e a pl e a c h i n g p r o c e s s e s J ] ．A p p l i e dM a t h e m a t i c sa n dM e c h a n i c s E n g l i s hE d i t i o n ，2 0 0 7 ，2 8 3 3 2 7 3 3 5 ． f 91K u r u m i s a w aK ，T a n a k aK ．T h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o no fp o r e s t r u c t u r ei nh a r d e n e dc e m e n tp a s t eb yt h eg a l l i u mi n t r u s i o nt e c h n i q u e [ J ] ．C e m e n ta n dC o n c r e t e R e s e a r c h ，2 0 0 6 ，3 6 2 3 3 0 3 3 6 ． [ 1 0 ] G h a s s e m z a d e hJ ，S a b i m iM ．P o r en e t w o r ks i m u l a t i o no ff l u i di m b i b i t i o ni n t op a p e rd u r i n gc o a t i n g 1 1 ．C h a r a c t e r i z a t i o no fp a p e r sm o t p h o l o g ya n dc o m p u t a t i o no fi t s e f f e c t i v ep e r m e a b i l i t yt e n s o r [ J ] ． C h e m i c a lE n g i n e e r i n gS c i e n c e ，2 0 0 4 ，5 9 1 1 2 2 6 5 2 2 8 0 ． [ 1 1 ] 姚军，赵秀才，衣艳静，等．储层岩石微观结构性质的分析方法 [ J ] ．中国石油大学学报 自然科学版 ，2 0 0 7 ，3 1 1 8 0 - 8 6 ． [ 1 2 ] N a k a m u r aM ，O t a k iK ，T a k e u c h iS ．P e r m e a b i l i t ya n dp o r e - c o n n e c t i v i t yv a r i a t i o no fp u m i c e sf r o mas i n g l ep y r o c l a s t i cf l o we r u p t i o n I m - p l i c a t i o n sf o rp a r t i a lf r a g m e n t a t i o n [ J ] ．J o u r n a lo fV o l c a n o l o g ya n d G e o t h e r m a lR e s e a r c h ，2 0 0 8 ，1 7 6 2 3 0 2 3 1 4 ， [ 1 3 ] P i e r r e tA ，C a p o w i e zY ，B e l z u n e a sL ，e ta 1 ．3 Dr e c o n s t r u c t i o na n d q u a n t i f i c a t i o no fm a c r e p o r e su s i n gX r a yc o m p u t e dt o m o g r a p h ya n d i m a g ea n a l y s i s [ J ] ．G L m d e l T u a ，2 0 0 2 ，1 0 6 3 2 4 7 2 7 1 ． [ 1 4 ]A s h b f i d g eDA ，T h o m eMS ，R i v e r sML ，e ta 1 ．I m a g eo p t i m i z a t i o n a n da n a l y s i so fs y n c h r o t r o nX r a yc o m p u t e dm i c r o t o m o g r a p h y C m T d a t a [ J ] ．C o m p u t e r s ＆G e o s c i e n c e s ，2 0 0 3 ，2 9 5 8 2 3 8 3 6 ． [ 1 5 ] K n a c k s t e d tMA ，A r n sCH ，S e n d e nTJ ，e ta l ，S t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fc l i n i c a lc o r a l l i n ei m p l a n t sm e a s u r e dv i a3 Di m a g i n ga n da n a l y s i s [ J ] ．B i o m a t e r i a l s ，2 0 0 6 ，2 7 1 3 2 7 7 6 - 2 7 8 6 ． 万方数据