基于NMR的深部煤储层孔裂隙特征

为了研究大宁—吉县地区深部煤储层的孔裂隙特征,采用核磁共振(NMR)对煤样进行了压力条件模拟测试,得到了不同条件下的T2图谱。结果表明:研究区煤储层的中孔、大孔和裂隙峰较发育,微小孔峰较差;随着围压的增加,裂隙峰减小最明显,中孔峰次之、微小孔峰不明显;煤储层总核磁孔隙度随着围压增加呈现负指数函数规律减小。     

基于显微CT的构造煤渗流孔精细表征

利用显微CT技术对重庆市中梁山南矿构造煤的渗流孔进行了精细定量表征。研究发现：构造煤孔隙直径一般小于10 μm,但不同类型构造煤的孔隙分布特征有着明显差别。随着构造变形的增强,煤的孔隙数量、面孔隙度逐渐增大。原生-碎裂煤的孔隙以原生孔为主;碎裂煤脆性破坏加剧,角砾孔增加;碎粒煤碎粒孔和微裂隙发育,平均孔径加大;鳞片煤受到强烈剪切作用,煤颗粒在脆性破碎的基础上,同时具有韧性变形特征,包括局部揉皱和粉末状糜棱质,充填部分孔隙,造成平均孔径下降。构造煤孔隙三维建模表明,随着应力作用的增强,构造煤的孔隙度、孔比表面积、孔体积及最大连通孔隙团不断增高。     

基于CT三维重建煤骨架结构模型的渗流过程动态模拟研究

为了探究煤体微观结构中的渗流变化情况,以新疆大黄山气煤为研究对象,运用CT扫描和三维重建技术建立了含有孔裂隙的三维煤体骨架结构模型。在此基础上构建了一种能够反映动态渗流过程的流固耦合模型,并结合内置Navier-Stokes控制方程的ALE算法进行了渗流模拟。结果表明:渗流过程中,孔裂隙中每个点的流速都会存在一个速度峰值和稳定流速值;相较于裂隙结构,孔隙结构较差的连通性增大了其在模型前端的流体动能损耗,减缓了后续孔隙中流体的流动。初始流速影响了入水口处流速及流体密度的变化趋势,也改变了裂隙中速度峰值的变化规律,当初始流速值低于0.03 mm/s时,裂隙中速度峰值沿渗流方向呈现出"先增大后减小"的变化趋势,而当初始流速值大于0.03 mm/s时,速度峰值则沿着渗流方向逐渐减小。在低压力梯度条件下,孔裂隙的速度峰值与压力梯度之间存在非线性变化关系,而稳定流速值则随压力梯度的变化线性增大。研究成果为后续相关渗流影响因素的研究提供了一种新的思路。     

基于CT成像的煤岩孔裂隙结构重建及渗流模拟研究

为了探索煤层压力注水在不同渗透率裂隙条件下的渗流特性,采用CT成像技术对煤样扫描,获得原始图像,利用MATLAB软件中值滤波函数对其噪声点进行滤除,获得二值化孔隙骨架图像,最后采用COMSOL数值分析软件中的插值函数重构煤体二维模型,建立煤体渗流过程的液体流动模型,数值模拟分析压力水的渗流演化过程。研究结果表明:利用MATLAB分析软件处理CT扫描图像,可准确的描述煤岩的孔隙结构;经过COMSOL插值函数对煤的二维模型做出精细表征;水在煤体中流动主要受孔隙结构的影响,在主裂隙水流动衰减速度很小,而在煤基质和次裂隙夹杂区域部分流动,在基质部分基本不流动。     

基于扫描电镜的寺河矿3号煤微孔裂隙精细定量表征

煤的微孔裂隙是控制煤层气赋存和运移最为关键的因素,为了实现对寺河矿3号煤的微孔裂隙精细定量表征,利用EVO MA15钨灯丝扫描电子显微镜对其进行了大量观测和分析。研究发现:寺河矿3号煤中可见气孔、摩擦孔、溶蚀孔、铸模孔4种不同成因类型微孔隙发育且孔隙的连通性较差,不同成因类型微孔隙的发育程度、形态、大小、充填情况及其连通性等有所不同;煤中张、剪裂隙较发育,裂隙多呈张开状态且部分被充填;剪裂隙仅发育于原生结构煤中,而碎裂煤中张、剪裂隙均有发育,它们的展布形态、裂隙面宽度、裂隙充填情况等各异。     

基于CT扫描的煤样图像处理及裂隙形态表征

利用工业CT扫描设备对赵固一矿优质无烟煤进行样品取心和微观扫描分析;运用图像处理技术对原始图像进行降噪、增强对比度和二值化处理,借助阈值调节使图像信息得到准确表达;通过Avizo软件对CT图像进行重建,得到三维的裂隙结构模型。结果表明:基于工业显微CT扫描重建的三维数字煤心,能准确地反映真实煤心的内部裂隙结构;图像精细处理能够对煤样中错综复杂的裂隙网络进行精确表征,达到定量描述的要求。     

基于核磁共振的煤岩孔裂隙应力变形特征

为探讨煤岩孔裂隙应力变形特征,设计不同围压（0,2,4,6,8,10 MPa）下的核磁共振实验,并基于弯曲变形理论对煤岩孔裂隙应力变形问题进行理论分析。实验得到各煤样孔裂隙在不同围压下的核磁共振T2谱图,绘制了各煤样不同围压下不同孔径的孔裂隙核磁信号衰减率图,推导出煤岩应力变形时孔裂隙截面积弹性减小率公式。实验显示：煤岩孔裂隙应力变形存在差异性：相同围压下,裂隙变化最显著,大中孔次之,微小孔变化微弱;对孔隙（或裂隙）而言,孔径大者变化程度大;但无烟煤样不同孔径孔裂隙应力变形差异性不明显。理论分析表明：相同应力作用下,孔径越大,孔裂隙应力变形越严重。煤岩孔裂隙在实验中通过加载围压发生的“被动式”变形与实际排水降压生产过程中在有效应力作用下的“部分主动式”变形存在一定差异,需引起注意。     

基于CT三维重建的煤层气非达西渗流数值模拟

为了探究煤层气非达西渗流中各参数对渗流的影响,通过CT三维重建技术,建立了从现场采集到的6种煤样的真实模型。基于建立的真实模型,进行了在30种不同压力梯度下的煤层气渗流数值模拟试验。模拟试验结果表明：（1）在微观尺度下(<100 μm),模拟得到的渗流速度与压力梯度符合Forchheimer高速非线性渗流规律;（2）渗透率随有效孔隙率的增长并不是绝对的,在有效孔隙率较大时会出现局部波折的情况,在相同压力梯度下,渗流速度总的趋势随有效孔隙率、渗透率、非达西系数的增大而增大;（3）非达西系数随着有效孔隙率和渗透率的增大而减小。幂函数拟合和多元回归分析结果表明有效孔隙率对非达西系数的影响最为显著,仅考虑有效孔隙率的经验公式可更加精确的估算非达西系数。由数值模拟结果得到的非达西经验常数为0.003 171,有效孔隙率幂次为-5.387 45。     

基于工业CT扫描和LBM方法的含瓦斯煤裂隙演化与渗流特性研究

煤层裂隙系统的扩展和发育是控制煤层渗透率的主要因素,分析加载条件下煤层渗透率的变化对研究煤层气的运移特性及其开发具有重要意义.开展了基于工业CT扫描条件下的含瓦斯煤三轴渗流实验,测试结果表明:含瓦斯煤在加载条件下的变形过程大致分为初始裂隙压密阶段、弹性变形阶段、屈服变形阶段、破坏阶段和残余变形阶段;基于CT扫描技术的裂...     

煤储层孔-裂隙非均质性及其地质影响因素研究进展

煤储层孔-裂隙是煤层气吸附、运移和赋存的重要空间,其非均质性对煤层气勘探选区和合理开发具有重要意义。从煤储层孔-裂隙分类方法、定量表征技术、非均质性分布规律以及地质控制因素等方面进行分析,总结了国内外煤储层孔-裂隙非均质性及地质控制研究的最新进展。研究结果表明:孔-裂隙的分类方案具有多样性,但以尺度和机理分类为主,尺度与机理结合的分类方法深化了对煤层气赋存和运移机理的理解,孔-裂隙非均质性的表征技术呈现精细化、定量化和超微观化特征,结合其他学科综合分析,是国际上煤储层孔-裂隙研究方法的重要发展趋势;煤储层孔-裂隙非均质性主要受控于煤变质作用、沉积环境、构造演化、岩浆活动及其相互的叠合作用。综合多种常规与非常规表征技术对煤储层孔-裂隙非均质性进行系统化、精细化、超微观化的定量表征,并探寻煤储层孔-裂隙非均质性的地质成因规律,将是今后该研究领域的发展趋势。     

基于CT扫描的露天煤矿排土场重构土壤孔隙三维重建及定量表征

土壤孔隙对水分、养分的运移起着重要作用,重构土壤孔隙状况反映着复垦土壤质量的高低。通过对安太堡露天煤矿不同复垦年限排土场重构土壤(23,20,0 a)以及原地貌土壤进行CT扫描,获取土壤孔隙信息,基于Matlab平台进行土壤孔隙分布的三维重建,并搜索土壤孔隙团的个数及每个孔隙团的体积大小,计算土壤孔隙度,实现了重构土壤孔隙状况的定量表征。结果表明：随着复垦年限的增加,重构土壤孔隙度、连通性得到显著性提高,其中复垦23 a土壤孔隙状况最好,50~75 cm土层孔隙度最大,为23.92%,其次为复垦20 a土壤,25~50 cm土层孔隙度最大,为14.58%,未复垦土壤因受大型机械的压实作用,孔隙连通性最差,3个土层孔隙分布比较均一,孔隙度都接近于3%;孔隙团个数、最大孔隙团体积与孔隙度都符合较好的线性关系,随着孔隙度的增加,孔隙团的个数呈减小的趋势,最大孔隙团体积呈递增趋势;每个重建区域除最大孔隙团外,其余团的体积非常小。为了改善未复垦排土场土壤孔隙状况,应尽快进行植被恢复。     

基于CT三维重构的深部煤体损伤演化规律

为研究不同应力条件下深部煤体损伤演化规律及破坏机理,以平煤十二矿己15-17220工作面的深部煤体为研究对象,进行了单轴压缩的实时CT扫描实验,结合细观统计损伤力学,提出了一种基于CT图像灰度值定义损伤变量的方法,定量分析了煤样单轴压缩过程中损伤演化规律。通过CT扫描实验、压汞实验和室内基本力学实验,建立了能够反映固体基质分布的深部非均质煤样的三维数值几何模型,进行了合理的网格划分,确定了不同材料组分的本构模型及其物理力学参数,在位移控制加载条件下开展了煤样单轴压缩的数值模拟,定性研究了煤样单轴压缩过程中的损伤演化规律及破坏机理。进一步,在单轴压缩数值模拟基础上,通过对煤样施加不同的环向应力,进行了5种不同围压条件下煤样三轴压缩的数值模拟,从应力-应变曲线形态、煤样破裂形态及破裂角大小等方面定性分析了三轴压缩条件下深部煤体损伤演化规律。结果表明:单轴压缩数值模拟的应力-应变曲线及损伤演化特征与CT实时扫描实验得到的结果具有较好的一致性。随着轴向应力的逐渐增加,煤样损伤依次经历了零损伤阶段、局部损伤产生阶段、损伤线性和非线性稳定增长阶段和损伤加速增长致使完全破坏阶段。试件最终破坏时其最大剪切应变率区域及塑性区都近似平行或垂直于煤基质和煤杂质的交界面,且损伤发生的两个主破坏面相互垂直。单轴压缩的整个过程煤样主要发生拉伸破坏,屈服应力后由于煤样的不均匀变形才发生剪切破坏。基于CT重构的煤样三轴压缩的数值模拟得到的损伤演化特征和经典的岩石损伤演化的6个阶段能够很好的吻合,煤样主要发生剪切破坏;随着围压的增大,峰值强度、扩容点应力和残余强度均逐渐增大,破裂角逐渐减小,破裂角与围压之间近似呈负线性相关。在数值模拟的网格划分、几何模型建立、材料参数和本构模型的选取以及应力应变的计算方法等方面做出了优化,取得了较好的数值模拟效果,能够消除实验样品差异性带来的影响,且能够直观准确地定性描述单轴和三轴压缩过程中的损伤演化规律。     

微焦点显微CT在煤岩热解中的应用

详细介绍了μ225 kV微焦点显微CT试验系统的结构及功能,该试验系统的焦点尺寸＜3 μm,分辨率达到0.5 μm,密度分辨率达到0.3%,是目前国内较为先进的显微CT系统,为岩石的微细观研究提供了先进的试验设备。利用该试验系统详细地研究了煤岩在不同温度下孔隙裂隙结构的演化发展过程,研究结果表明：无烟煤在常温~600 ℃的热解过程中,孔隙结构参数先增加后减小,100～200 ℃孔隙结构变化最剧烈,小孔和大孔都增加,煤体连通性增加; 500～600 ℃孔隙率、比表面积减小,连通性下降;无烟煤在常温~600 ℃的热解过程中,在200 ℃集中产生了大量裂隙,裂隙分维数最大,随温度的升高,裂隙分维数不断减小,裂隙以“扩展-搭接-连通”为主。     

单轴受压条件下煤岩非均质性对其破坏特征的影响

以忻州窑14号煤为研究对象,基于波速测试、CT扫描和三维重构技术,分析了煤岩内部原生裂隙、孔隙以及矿物夹杂分布的非均质特征,研究了单轴受压条件下,沿不同方向加载时,煤样内部结构分布的非均质性对煤岩破坏特征的影响。研究发现,煤样内部原生裂隙、孔隙以及矿物夹杂分布方向的非均质性是造成不同加载方向上煤岩破坏特征差异性的原因:煤样内部原生裂隙、矿物夹杂沿层理方向分布和延伸,造成沿垂直层理加载煤样的单轴抗压强度、总声发射计数等参数的均值高于沿平行层理加载的煤样;割理的横向截割作用使沿垂直割理加载煤样整体性低于沿平行割理加载煤样,并造成其单轴抗压强度,总声发射计数等参数的均值以及加载过程中声发射现象的规律性略低于后者;煤样单轴抗压强度与纵波波速呈指数函数关系,煤样内部非均质性对其单轴抗压强度的影响可由非均质系数表示,且2者呈负相关。     

基于流变实验和红外光谱检测的高煤级煤流变特征

通过对沁水盆地高煤级原生结构煤(镜质组最大反射率Ro,max=2.571%)样品进行不同温压和不同应变速率流变实验,并对实验前后样品进行傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测,深入研究了高煤级煤的流变特征,同时探讨了其流变条件。结果表明：不同温压和应变速率下,煤岩发生了不同程度的流变。当温度在300 ℃时,样品开始表现出脆性流变向脆韧性流变转换的特征;温度接近400 ℃,煤岩可见韧性流变特征;高煤级煤脆性向韧性转化能够提高其煤化程度;通过红外光谱测试,高煤级原生结构煤随着流变程度的不断增强,其脂肪族结构发生不同程度的变化,而芳香族结构有所增加,韧性流变煤结构有序度大为提高。将流变煤结果与同类型的天然流变特征对比发现：实验流变煤的显微构造和大分子结构与天然条件下是一致的;300~400 ℃是实验室高煤级煤岩发生脆韧性转换的条件,而地质演化过程中高煤级煤在较低应变速率下脆韧性转换的温度可能为50～150 ℃,在较高应变速率下脆韧性转换的温度可能为100～250 ℃。     

基于数字图像重构的含瓦斯煤失稳模拟研究

为研究瓦斯压力下煤变形破坏过程及塑性区扩展规律,降低煤与瓦斯突出灾害风险,确保煤矿安全生产。通过基于数字图像重构技术,采用FLAC^3D有限差分软件,对无侧限压缩下煤样失稳破坏过程进行数值模拟,分析了瓦斯压力对煤峰值强度和破坏形态的影响。研究结果表明：无瓦斯煤样以剪切破坏为主,存在一个贯穿整个模型的主剪切破坏面;煤的失稳破坏是外部荷载及内部瓦斯压力共同作用的结果,含瓦斯煤样存在2种破坏形式,即在剪切破坏的基础上增加了拉伸破坏;含瓦斯煤样的峰值强度和峰值点应变随瓦斯压力的增大而减小,呈线性关系。结合数字图像重构技术与有限元程序,可建立反映煤真实结构的数值模型,为研究煤岩的非均质性对其力学特性的影响提供了一种有效手段。     

双碳背景下煤炭安全区间与绿色低碳技术路径

煤岩渗透性决定了瓦斯流动的难易程度,而煤岩的力学特性也在一定程度上影响着煤岩的渗透性。为深入探究不同应力—应变状态下煤岩的渗流特性变化,开展了煤岩渗流试验,并结合CT扫描对煤样孔裂隙结构进行三维重构,从煤岩孔裂隙受应力—应变影响而变化的角度分析煤岩渗透特性演化规律,同时应用Avizo软件对破碎后的煤样进行可视化气体流动及渗透率值的模拟。研究结果表明：煤岩渗透率随着轴向应力—应变的增加而呈现“V”形变化,并且渗透率的变化与煤岩内部孔隙变化具有明显的相关性;通过CT扫描得到的煤样渗透率值与试验所得的渗透率值基本一致。研究结果可为相似条件下煤岩渗透性及可视化研究提供参考。

     

特厚煤层综放开采上覆岩层导水裂隙带高度研究

针对老虎台矿区复杂地质条件和特厚煤层综放开采方法,应用数值模拟方法对综放开采诱发的导水裂隙带高度进行了研究。根据所得的应力结果确定了导水裂隙带高度并对其演变规律进行分析。应用现场钻孔注水实验结果对其进行验证,结果基本一致,从而可以确定所得上覆岩体导水裂隙带范围和高度的合理性,可用以指导后续开采的设计和安全防护。     

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。