煤孔裂隙多尺度表征及其对渗透率的影响分析——以中国14个大型煤炭基地为例

为探究煤体不同尺度孔裂隙特征及其对渗透率的影响,从我国14个大型煤炭基地分别取样,进行氮气吸附、压汞和CT实验,并将CT扫描后的煤样进行渗流实验。结果表明,各煤样中微孔和过渡孔多为封闭孔,连通性差,不利于渗流的进行。r=10 nm和r=100μm的孔裂隙体积占比相对较大,贡献了煤体大部分孔隙率,S2和S3中的大尺度平行板孔隙为渗流提供了充足的空间。通过划分3种实验表征的优势孔径段,提出了综合表征孔隙率和分形维数的方法,得到各煤样的孔隙率范围为1.62%~11.60%,分形维数范围为2.29~2.78。煤样渗透率在0.0002×10^(-15)~0.6525×10^(-15)m^(2)之间,以中低渗为主。r<50 nm、50 nm≤r≤8.5μm和r>8.5μm的孔隙率分量与渗透率的关系分别为y=0.2741x-0.0781、y=0.0674x+0.0237和y=0.0039x^(2.5986),其中r>8.5μm的孔隙率分量与渗透率的相关性最强。相对于氮气吸附和压汞实验,CT实验更适用于分析孔裂隙结构对水渗的影响。

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。

煤岩体孔隙结构应力特征的数值模拟研究

为了探究不同加载方式下煤岩体孔隙周围的应力分布规律,通过CT三维重建技术构建含有不同孔隙形状的煤岩体骨架模型,并利用ABAQUS软件进行单轴、三轴压缩实验模拟。结果表明,球状孔隙结构在单轴压缩条件下,上下区域表现为拉应力集中,左右区域表现为压应力集中。不同倾角的椭球状孔隙结构其长短轴区域的应力集中类型不同。单轴压缩过程中,轴向加载速度影响球状孔隙周围的Mises应力峰值和σ1应力的变化;三轴压缩过程中,孔隙结构依然经历了压密、弹性、塑性和破坏4个阶段,较低的围压条件使得弹性阶段“应力-应变”曲线与“应力-时间”曲线高度重合。从微观角度为煤岩体力学研究提供了一种新的方法和思路。

基于物化特性的煤层注水难易程度模型

增强煤层注水能力是目前需要亟待解决的问题,而煤层注水难易程度缺乏准确的判别标准。通过考虑煤体孔裂隙渗流分形结构特征和毛细作用下化学润湿特性,建立了煤层注水渗流量模型;基于概率论与数理统计方法基础,构建了集对联系度区间评价体系,划分了煤层注水的难易程度。结果显示:(1)注水效果受孔隙率、孔隙半径、接触角、液体的密度、表面张力、黏滞性系数、重力加速度等渗流结构参数和化学润湿特性等最简参数的影响,体系模型表征了煤体渗流结构和化学润湿特性与渗流量的关系。(2)在组合赋权下,孔隙率权重为0.32,对注水效果贡献较大,最大孔喉半径和接触角的贡献度次之;最小孔喉半径权重为0.17,对注水效果影响最小。(3)煤样X1、X2、X5评价指标值介于(0,0.25),属于难注水煤层;煤样X3、X4评价指标值介于(0.25,0.50),属于较难注水煤层。

基于PFC^(2D)-COMSOL的煤层水力压裂增透促抽瓦斯数值模拟研究

为了对水力压裂后的瓦斯抽采效果进行研究,将PFC^(2D)数值模拟与COMSOL数值模拟结合运用,提出了一种几何模型图像像素级处理方法,该方法将PFC^(2D)水力压裂后的裂隙几何模型导入到COMSOL软件中,完成了2个数值模拟软件之间的结合,实现了对水力压裂煤层进行瓦斯抽采的数值模拟。研究结果表明:40 MPa与20 MPa注水压力相比,注水压裂的范围较大,产生的裂隙数量较多,裂隙扩展范围较大,压裂效果好;且相同抽采时间下,40 MPa注水压裂的煤层瓦斯抽采范围和抽采流量大,水力压裂可以提高煤层的瓦斯抽采效果,与实际工程应用效果相符。

基于CT三维重构煤体变开度裂隙渗流特性研究

煤层注水过程中会发生水沿着煤体原生孔裂隙滤失现象,影响注水现场施工效果.为进一步从微观层面探讨煤体裂隙变开度对其渗透特性的影响,结合CT三维重构技术构建6种不同开度的裂隙模型,分析裂隙体积、形状因子等结构参数以及煤体渗透率与裂隙开度的关系.基于Navier-Stokes方程开展变开度裂隙的渗流模拟研究.研究结果表明:形状因子随着裂隙开度变化逐渐减小,这表示随着开度增加,三维裂隙模型趋近于标准球体,空间形态更加简单,更有利于渗流的持续进行;沿渗流方向裂隙压力逐渐降低,水流速度逐渐增加,其中截面整体的速度分布密度保持不变,平均渗流速度随开度增加呈现增大趋势;渗透率与裂隙开度之间呈非线性关系,裂隙开度在60μm以下时,渗透率随裂隙开度增速缓慢,此时裂隙粗糙度对整体渗流的阻碍作用较强,裂隙开度在60μm以上时,渗透率随着裂隙开度的增加迅速提高,也会导致部分区域发生回流、涡流现象,最终裂隙空间将对渗流起主导作用.