基于顯微CT技術(shù)的煤體微觀孔隙結(jié)構(gòu)構(gòu)建及低壓水滲流數(shù)值模擬.pdf

1、煤是一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)材料，其內(nèi)部含有大量孔隙，這些孔隙的大小、形態(tài)和排列方式各不相同，構(gòu)成了眾多的結(jié)構(gòu)。煤的微觀孔隙結(jié)構(gòu)不僅影響其孔隙度、滲透率等物理性質(zhì)，對其宏觀物化參數(shù)如密度、吸水性、注水軟化性及弱化性等也有很大的影響，進(jìn)而在很大程度上決定了氣液在煤巖層中的賦存狀態(tài)和流動(dòng)特性。高分辨率顯微 CT成像技術(shù)和可視化軟件技術(shù)的發(fā)展，為我們揭露“摸不清，看不見”的煤體微觀孔隙結(jié)構(gòu)及滲流特性等物理力學(xué)過程或機(jī)制提供了可能。隨著研究的不斷深入

2、，從微觀孔隙結(jié)構(gòu)層面揭示煤巖體孔隙特征及內(nèi)部流體滲流特性已然成為巖石力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。鑒于此，本文采用理論分析、實(shí)驗(yàn)測試及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對煤體數(shù)字巖心的實(shí)現(xiàn)過程、基于濾波及灰度分割技術(shù)的煤體微觀孔隙結(jié)構(gòu)模型提取和煤體微觀層面孔隙滲流特性進(jìn)行了較為深入的研究，從而逐步展開了“基于顯微CT技術(shù)的煤體微觀孔隙結(jié)構(gòu)構(gòu)建及低壓水滲流特性數(shù)值模擬”的研究。該方向的拓展研究，對從微觀層面研究煤體微觀孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)部滲流規(guī)律提供了新

3、的思路和途徑，為探討煤體微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變及離散元分析提供了啟示。
　　本文首先介紹了顯微 CT技術(shù)的基本概念及所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備 nanoVoxel-2000系列X射線三維顯微鏡，同時(shí)對X射線三維顯微鏡的成像原理、重建原理以及成像系統(tǒng)的組成部分進(jìn)行了詳細(xì)的說明，為后續(xù)的顯微 CT掃描實(shí)驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)；進(jìn)而使用nanoVoxel-2000系列X射線三維顯微鏡分別對四種不同煤樣進(jìn)行顯微 CT掃描，每個(gè)煤樣均得到一系列二維切片圖及三維灰度分

4、布圖，從掃描圖像可以清晰地觀察到煤體各成分的分布情況。將掃描得到的數(shù)據(jù)保存為RAW格式后導(dǎo)出，為后續(xù)煤體微觀孔隙模型的建立奠定了基礎(chǔ)。然后，通過對比三種不同的濾波算法，最終選擇中值濾波器對原始圖像進(jìn)行降噪平滑處理，濾波處理后的孔隙和巖石基質(zhì)之間的過渡變得自然，邊界也變得平滑，同時(shí)也盡可能的保留了圖像重要特征信息，為下一步實(shí)現(xiàn)孔隙和基質(zhì)的圖像分割奠定了基礎(chǔ)；基于孔隙度的圖像分割法，結(jié)合巖芯實(shí)際孔隙度求出最佳分割閾值，對濾波處理后的圖像進(jìn)行

5、了二值化處理。通過基于孔隙度的表征單元體分析，最終選取邊長為120的立方體素用以開展微觀孔隙模型建立及孔隙滲流特性數(shù)值模擬研究。利用 Avizo軟件實(shí)現(xiàn)了煤體微觀結(jié)構(gòu)模型孔隙、骨架的分離，并保存為通用CAD格式，為煤體微觀孔隙結(jié)構(gòu)有限元模型的構(gòu)建提供了基于真實(shí)尺寸且能夠代表煤樣物理特性的孔隙結(jié)構(gòu)幾何模型。最后，基于ICEM CFD軟件對CAD格式的微觀孔隙模型進(jìn)行了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)置，采用k-epsilon標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，考