基于显微CT-CFD技术的煤体瓦斯/水微观渗流规律研究

摘要

煤是一种极其复杂的多孔隙结构材料，其内部大小不一、形态各异的孔裂隙，在直接影响煤体的孔隙度、渗透率等宏观物理特性的同时，也会影响煤体内部流体的储存能力和渗流特性。因此，对煤体微观孔隙结构进行分析，建立煤岩体孔隙三维模型，利用数值模拟分析瓦斯、水等流体在孔隙内部的渗流特性，对改善煤矿生产条件、降低煤尘含量、防治瓦斯突出灾害具有重要意义。　　本文采用实验操作、理论分析、数值模拟相结合的方法。首先，利用X射线三维显微镜对无烟煤进行扫描处理，构建三维数据体。然后，对模型进行图像处理，基于最大球法建立孔隙网络模型，分析孔隙、喉道等特征参数，结合分形理论，分析孔隙、体积、表面积的分形分布，并对分形渗透率进行了预测。最后，基于扫描的模型，进行了不同压力梯度下的瓦斯、水渗流模拟，得到了瓦斯、水在渗流过程中压力、速度、质量流量的变化结果。　　研究结果表明：无烟煤模型孔隙均质性良好，孔喉尺寸较大，孔隙连通性较好，且孔隙分布存在自相似性，结构较简单。同一压力梯度下，瓦斯、水的渗流压力变化趋势大体相同，均沿渗流方向，渗流压力逐渐减少；瓦斯渗流速度远远大于水的渗流速度，且速度流线图较水的流线图更加饱满，某些小孔隙中有瓦斯流过，同样位置处的孔隙中却没有水流通过；水的质量流量大于瓦斯的质量流量，虽然流体类型不同，但在同一孔隙模型中，瓦斯、水的质量流量分布相似，最大质量流量均集中在同一位置。随着压力梯度的增大，压力场的变化更加明显，整体速度随着压力梯度的增大而增大，同一截面的最大质量流量也逐渐增大。　　通过CFD-POST软件后处理，提取不同渗流压力作用下，瓦斯、水的平均渗流速度，分析了渗流速度与压力梯度的关系，通过拟合曲线，结合非达西渗流公式，计算了渗透率。通过计算，瓦斯的渗透率为6.15×10-13m2，水的渗透率为3.36×10-13m2，均略小于预测的基于分形理论预测的渗透率，而且水的渗透率小于瓦斯的渗透率。

目录

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变量注释表

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 煤孔隙结构特征研究现状

1.2.2 煤体分形特征研究现状

1.2.3 基于CT扫描技术的煤岩体孔隙渗流数值模拟研究概况

1.3研究内容与技术路线

2 基于显微CT技术的煤体扫描实验及数据体构建

2.1 显微CT设备

2.1.1 CT成像技术基本原理

2.1.2 CT设备简介

2.2 CT实验介绍

2.2.1 煤样采集与处理

2.2.2 实验参数设置

2.2.3 扫描流程及结果

2.3 三维数据体构建

2.4 本章小结

3 煤体孔隙结构定量表征

3.1 CT扫描成像法建立数字岩心

3.1.1 CT图像的滤波处理

3.1.2 常用阈值分割算法

3.2 孔隙网络模型建立及性质分析

3.2.1 孔隙网络模型建立

3.2.2 孔隙网络模型性质分析

3.3 煤体孔隙结构的分形表征

3.3.1 分形几何理论

3.3.2 孔隙介质的分形模型

3.3.3 无烟煤孔隙结构的分形维数

3.4 分形渗透率预测

3.5 本章小结

4 煤体瓦斯/水渗流数值模拟对比分析

4.1 ANSYS软件简介

4.2 有限元模型构建

4.2.1 几何模型构建及网格划分

4.2.2 边界条件设置

4.2.3 孔隙内流体流动数学模型

4.3 不同压力梯度瓦斯/水渗流模拟定性分析

4.3.1 渗流压力场分析

4.3.2 渗流速度场分析

4.3.3 质量流量场分析

4.4 不同压力梯度瓦斯/水渗流模拟定量分析

4.4.1 渗流速度与压力梯度的关系分析

4.4.2 瓦斯、水不同渗流长度下的平均压力、速度、质量流量定量分析

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2创新点

5.3 展望

参考文献

作者简历

致谢

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