基于温度、应力变化效应的煤岩体渗透率演化规律研究

摘要

本文以河南省平顶山天安煤业股份有限公司十矿正在掘进开采的工作面煤岩体样品为研究对象，从煤体孔隙、裂隙等微观结构着手，探究温度及有效应力，尤其是温度对煤岩体渗透率的影响规律。
　　笔者前期分别进行了不同温度、有效应力下型煤样品的渗透率测定试验和在线加热、同步观测原煤样品微观结构演变的偏光显微镜试验。然后利用SEM扫描观测该煤矿工作面煤样的微观形貌，并对扫描图像进行有效分割，通过与不同分割算法（直方图分割、K-均值聚类分割、K-均值聚类结合闭运算、K-均值聚类结合先闭后开运算等算法）作对比试验，探究得到一种更为优越的分割算法——K-均值聚类结合数学形态学中的先开后闭算法，便于对微观扫描图像进行更为精准地分割及定量分析，最终得到不同温度、有效应力下煤岩渗透率变化的内在原因，旨在为今后研究煤岩体微观结构及微观渗透率变化，煤层气开采及运移规律提供新思路。试验结果显示:
　　(1)煤岩渗透率随温度升高呈先增后减趋势。温度升高，煤样整体向外膨胀，渗流通道增大且增多，渗透率增大;温度继续升高，固体颗粒持续膨胀，孔、裂隙不再扩张，导致孔、裂隙占有率下降，渗流通道减小，渗透率降低;60℃后，随温度升高渗透率趋于平缓。
　　(2)煤岩渗透率随围压增大呈单减趋势。初始加载应力下，煤体渗流通道快速减小，渗透率降低;中间由应力场引起的固体颗粒扩张弱于温度场引起的煤样整体扩张，渗透率平稳或局部回增，之后缓慢减小，直至趋于平缓。
　　(3)从微观形貌角度较好地验证了煤岩渗透率随温度持续升高的变化机制。观测发现，温度升高，煤样孔、裂隙先扩张，渗流通道扩大，导致升温前期渗透率快速增大;60℃后，孔、裂隙受挤压减小，导致渗透率降低。渗透率实测曲线与微观研究存在较高契合度。
　　(4)利用K-均值聚类&数学形态学中先开后闭滤波运算，对SEM扫描得到的灰度区域不明显的微观图像进行有效分割，并验证本文算法的精确性。开运算能消除图像分割后区域内形成的孔噪声，闭运算能填平物体内细小孔洞，连接相邻区域，去除图像中点噪声，确保SEM扫描图像分割形状不变的前提下尽可能消除噪声引发的影响。
　　(5)利用K-均值聚类&数学形态学中先开后闭滤波运算，从局部扫描图像面孔率着手，更进一步验证温度对渗透率的影响。20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、160℃、200℃、240℃时的面孔率依次为4％、5％、7％、6％、4％、3％、2％、2％。这些数值构成的曲线走势与渗透率随温度变化趋势基本保持吻合。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 温度对煤岩体渗透率研究现状

1．2．2 应力对煤岩体渗透率研究现状

1．2．3 煤岩体微观结构研究现状

1．3 本文研究内容与技术路线

1．3．2 技术路线

2 煤岩体孔隙、裂隙结构及渗流实验理论研究

2．1 平煤十矿地质条件概述

2．1．2 平煤十矿戊10-20230工作面地质条件

2．2 微观结构试验理论研究

2．2．1 电镜扫描试验

2．2．2 偏光显微镜试验

2．3 煤岩体孔隙率测定

2．3．1 煤岩体的真密度、干块体密度及孔隙率测定

2．3．2 煤岩体扫描图像面孔率测定

2．4 煤岩渗透率的测量方法及实验原理

3 不同温度、应力条件下的煤岩体渗透率试验研究

3．1 型煤煤样制备

3．2 煤岩渗透率试验研究

3．2．1 试验设备

3．2．2 渗流试验方案

3．2．3 渗流试验方法

3．3 试验结果分析

3．3．1 围压对型煤样品渗透率的影响

3．3．2 温度对型煤样品渗透率的影响

3．4 本章小结

4 温度对煤岩体渗透率影响的微观试验研究

4．1 SEM试验研究

4．1．1 样品制备

4．1．2 煤岩样品的SEM观测

4．1．3 K-均值聚类理论

4．1．4 数学形态学运算

4．1．5 分割算法分析

4．2 算法评价与分析

4．2．1 匹配率及误分率

4．2．2 精确性指标

4．2．3 实际目标区域确定

4．2．4 改进算法的评价分析

4．3 煤岩偏光显微镜试验研究

4．3．1 样品制备

4．3．2 偏光显微镜试验方案

4．3．3 温度对煤岩体微观结构的影响试验分析

4．4 煤样微观扫描图像的改进分割算法分析研究

4．5 本章小结

5 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 后续研究工作展望

参考文献

个人简历、在校期间发表的学术论文及研究成果

攻读学位期间发表的论文及专利

参加的科研项目

致谢