基于CT技术的煤体应力损伤及注水渗流特征数值模拟研究

摘要

煤层注水是一项受众多因素耦合作用的多尺度复杂工程，通常会经历由宏观现象逐渐深入到微观机理的探究过程。从微观层面上来说，煤体自身的孔裂隙特征会直接影响宏观煤层注水的作用效果。同时，高地应力、高地温、高瓦斯、高岩溶水压等深部地质环境通过影响成煤过程中孔裂隙的演变以及开采扰动下煤体孔裂隙扩展发育，间接作用于流体的流动传输。目前对于微细观注水渗流机理的研究尚不明确，也缺少对于输水过程中应力作用的描述。因此，深入研究应力-渗流耦合作用下煤体渗透演化规律及其损伤机理具有十分重要的意义。　　为了探究微细观尺度下的注水渗流机理，明确煤变形与水运移的关系。首先，通过对现场采集的煤样进行CT扫描实验，利用基于MATLAB语言的重建软件完成煤体显微结构的三维重建。在此基础上，Mohr-Coulomb本构模型以及失效破坏准则进行应力加载模拟，获得了煤体变形结构模型。最后，在变形结构模型中加入水场和空气场结构，通过内置Navier-Stokes方程的ALE算法进行注水渗流模拟，探讨模型变形对注水渗流规律的影响。　　研究结果表明，在外力的作用下，裂缝结构周围容易发生应力集中。不同形状孔隙之间的应力分布存在一定差异。当模型的轴向应变为1%时，孔隙和裂缝结构的变形程度较小，导致煤层结构渗流分布规律无明显变化。随着位移荷载的增加，断裂构造开始出现明显的压缩变形，特别是当模型的轴向应变达到5%时，断裂结构基本闭合，流体难以到达模型的中后部区域。孔隙结构的渗透变化较为复杂，渗流面积的变化趋势逐渐增大，逐渐减小，先减小后增大。本文采用CT三维重建模型研究了微细观煤体结构的应力-渗流耦合效应，丰富了现有的数字岩石物理研究方法。

目录

声明

变量注释表

1 绪 论

1.1 引 言

1.2.1 煤体CT扫描实验及三维重建技术研究现状

1.2.2 煤体的应力损伤特性研究现状

1.2.3 注水渗流研究现状

1.3 研究内容和意义

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 技术路线

1.4.3 论文的创新点

2 基于CT扫描实验及图像处理

2.1.1 CT扫描原理

2.1.2 CT实验系统

2.2.1 CT图像中常见的噪声分类

2.2.2 降噪技术的原理

2.3.1 阈值分割的原理

2.3.2 适用于CT图像的阈值分割方法

2.4.1 岩石结构REV尺寸确定的必要性

2.4.2 REV尺寸的确定方法

2.5 本章小节

3 基于CT三维重建煤体模型的应力-渗流耦合模型建立

3.1 煤体微细观结构的三维重建

3.1.1 三维重建软件的选择及重建步骤

3.1.2 煤体微细观结构分析

3.2.1 材料参数

3.2.2 变形-破坏准则及边界条件设置

3.3 煤体应力-渗流耦合模型的构建

3.3.1 注水渗流模型的组成

3.3.2 算法的选择

3.3.3 本构模型及状态方程设置

3.3.4 应力-渗流耦合模拟方案的设置

3.4 本章小结

4 基于煤体微细观结构的应力-渗流耦合特性研究

4.1.1 煤体整体的应力、形变特征

4.1.2 煤体整体结构在不同加载速度、围压条件下的能量变化特征

4.1.3 煤体局部孔隙结构的应力特征

4.1.4 煤体局部孔隙、裂隙结构的应变特征

4.2 煤体注水渗流特征

4.3 煤体结构的应力-渗流耦合特性研究

4.3.1 模型整体的不同形变程度对于渗流的影响

4.3.2 局部孔隙、裂隙结构形变程度对于渗流的影响

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

作者简历

致谢

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