温度作用下CT三维重建煤体微观结构的渗流和变形模拟

为研究煤炭深部开采区域内温度对煤体渗流以及孔裂隙结构变形的影响,应用CT三维重构技术,借助ANSYS软件对煤体微观孔裂隙结构分别进行共轭传热模拟和热变形模拟。共轭传热模拟结果显示,20℃的水经80℃的煤体壁面加热后以37.13℃流出,煤体温度沿壁面向流体中心逐渐降低,孔裂隙结构对于流动速度和温度的分布有重要的影响,沿流动方向截面连通孔隙率大,则流动速度慢,流体升温快,固体温度下降;反之,则流动速度快,流体升温变缓,固体温度回升。热变形模拟结果显示,骨架变形量与距约束面的距离成正比,约束面附近变形量小,变形方向指向孔裂隙空间,距约束面远的位置变形量大,变形方向向外发散,裂隙的存在会使变形量增加,且随温度载荷的增加,不同孔裂隙结构间的变形差异增加。

基于改进Otsu的煤体CT图像阈值分割算法的研究

煤体CT图像阈值选取的准确性对于三维重建的模型能否还原真实煤体结构至关重要。Otsu阈值分割法(简称Otsu法)对煤体CT图像中孔裂隙结构的过分割,使得三维重建的煤体模型与实际不符。为克服该缺陷,首先探究了Otsu法对煤体CT图像阈值分割失效的机理,并据此确定合适的权重因子修正Otsu最佳阈值选择公式,提出了一种改进的Otsu阈值分割法(MP-Otsu阈值分割法,简称MP-Otsu法)。最后利用MatLab软件检测MP-Otsu法对煤体CT图像的二维分割效果,同时利用Avizo软件对煤体孔裂隙结构进行三维重建并对比改进前后孔裂隙参数的变化。结果表明:煤体内部矿物含量与Otsu法确定的阈值两者之间呈正相关关系。煤体内部矿物组分的存在导致目标和背景区域方差差异大,低孔隙率导致煤体CT图像灰度分布直方图呈单峰分布且不能提供足够的方差信息,这些特征是Otsu法对煤体CT图像阈值分割失效的主要原因。MP-Otsu法引入矿物含量与Otsu阈值的拟合曲线斜率,目标在图像中所占的大致比例等3个权重因子改进Otsu阈值分割法,得到的二值图像与原图像高度契合,能够准确提取孔裂隙目标区域。三维重建的模型孔隙率和最大喉道尺寸与Otsu法相比分别下降了96.18%和80.07%,有效克服了Otsu法对煤体CT图像过分割的缺陷。此研究能为进一步探究与孔裂隙结构相关的煤体物理特性提供基础。

考虑煤体孔-裂隙介尺度特征的水相渗流演化模型研究

研究煤体孔裂隙结构介尺度特征下的水相渗流特性对探究煤体孔裂隙结构的跨尺度渗流具有重要意义,为研究煤体孔隙、裂隙双重结构介尺度特征下的水相渗流规律,利用表征体单元的概念界定出水在煤体孔裂隙结构中渗流的介尺度下界,基于煤体孔隙结构和裂隙结构水相渗流模型引入裂隙和孔隙结构贡献率修正系数,构建煤体孔裂隙结构跨尺度的水相渗流模型,通过数值分析和注水实验对模型分析与验证并进一步确定模型的适用范围。研究结果表明,煤体的裂隙贡献率修正系数随着孔裂隙率的增加而增大,孔隙结构贡献率修正系数随着孔裂隙率的增加而减小,且二者均呈现出幂函数的变化规律;模型渗流速度与实验渗流速度均随着孔裂隙率的增加而增大,高孔裂隙率时模型计算结果与实验结果一致性较差,低孔裂隙率时模型的计算结果与实验结果一致性较高;实验过程中应力的施加对高孔裂隙率煤体中水的渗流产生较大的影响,低孔裂隙率煤体中水的渗流受应力影响不大;孔隙率小于3%时的数据变异系数均小于15%,平均变异系数为9.70%<15%,表明模型的预测值与实际的实验数据能够很好地吻合,验证了模型的正确性,所建立的预测模型适用条件为介尺度和低孔裂隙率。