煤体微观三维重构及其渗流特征

本书基于CT三维重建和数值模拟，提供了一种探索微细观尺度下煤体结构特征及渗流规律的方法。主要内容包括CT三维重建方法、煤体孔裂隙结构的定量表征、瓦斯渗流模拟和注水渗流模拟、人造孔裂隙模型、应力-渗流耦合特性、流固共轭传热模拟及热变形机理、温-压耦合条件下的变形特征等。

前言
第1章绪论1
1.1概述1
1.2基于CT扫描的数字岩心技术研究进展及评述3
1.3煤体孔裂隙结构的国内外研究现状5
1.4煤体渗流的国内外研究现状7
1.5研究内容和技术路线9
参考文献11
第2章CT扫描技术的基本原理14
2.1概述14
2.2计算机断层扫描技术的基本原理15
2.3CT设备部件及功能16
2.4CT扫描的实验流程17
2.5小结与讨论19
参考文献20
第3章煤体微观结构的三维重建21
3.1概述21
3.2CT图像降噪22
3.3图像阈值分割24
3.4表征单元体选取29
3.5煤体结构的三维重建31
3.6小结与讨论31
参考文献33
第4章基于CT重建的煤体孔裂隙结构表征34
4.1概述34
4.2煤体孔裂隙结构的定性分析35
4.2.1基于灰度直方图的煤体结构分析35
4.2.2煤体三维孔裂隙结构的定性表征37
4.3煤体孔裂隙结构的定量分析38
4.3.1煤体孔裂隙结构的微观参数分析38
4.3.2孔隙网络模型的建立42
4.4煤体孔裂隙结构的分形几何概述44
4.4.1分形几何的基本概念及定义44
4.4.2分形维数的计算46
4.5孔裂隙结构和渗流参数与分形维数的关系47
4.5.1孔隙率与分形维数的关系48
4.5.2连通性与分形维数的关系53
4.5.3渗透率与分形维数的关系56
4.6小结与讨论59
参考文献60
第5章煤体微观结构的瓦斯渗流模拟62
5.1概述62
5.2瓦斯流动速度参数辨析63
5.3瓦斯渗流参数提取64
5.4非达西渗流影响因素的分析68
5.4.1有效孔隙率对非达西渗流的影响68
5.4.2渗透率与非达西系数对非达西渗流的影响69
5.5煤体非达西系数经验公式优选70
5.6小结与讨论73
参考文献74
第6章煤体微观结构的注水渗流模拟75
6.1概述75
6.2扫描实验及三维重建76
6.3流固耦合模拟设置77
6.3.1流固耦合模型77
6.3.2单元格算法77
6.3.3材料属性78
6.3.4模拟方案79
6.4注水渗流模拟结果分析79
6.4.1渗流过程分析79
6.4.2初始流速对渗流的影响81
6.4.3压力梯度对渗流的影响84
6.5小结与讨论85
参考文献86
第7章含人造裂隙的煤体三维重建及有限元模型的建立88
7.1概述88
7.2插值算法89
7.3含人造裂隙煤体的三维重建91
7.4含人造裂隙煤体有限元模型的建立94
7.5小结与讨论100
参考文献101
第8章人造裂隙-死端孔隙结构的注水渗流特征103
8.1概述103
8.2煤样的选择与图片处理104
8.3基于人造孔隙技术的注水渗流模拟105
8.3.1人造孔隙技术105
8.3.2注水渗流模型106
8.3.3注水渗流模拟方案106
8.4渗流结果与分析108
8.4.1渗流分布特征108
8.4.2死端孔对渗流变化规律的影响110
8.4.3连通孔-裂隙-死端孔隙结构的渗流规律114
8.5小结与讨论117
参考文献118
第9章基于煤体微观结构的应力-渗流耦合特性120
9.1概述120
9.2煤体应力加载模型的构建121
9.3煤体应力-渗流耦合模型的构建122
9.4载荷作用下煤体结构特征124
9.4.1煤体整体的应力、形变特征124
9.4.2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126
9.4.3煤体局部孔隙结构的应力特征129
9.4.4煤体局部孔隙、裂隙结构的应变特征134
9.5煤体的注水渗流特征137
9.6煤体结构的应力-渗流耦合特性研究138
9.6.1模型整体的不同形变程度对于渗流的影响139
9.6.2局部孔隙、裂隙结构形变程度对于渗流的影响142
9.7小结与讨论145
参考文献146
第10章煤体微观结构的流固共轭传热和热变形模拟147
10.1概述147
10.2CT三维重建的传热和变形模型148
10.2.1流固共轭传热模型148
10.2.2热载荷作用下的骨架变形模型149
10.3共轭传热的模拟结果分析150
10.4煤体骨架热变形与孔裂隙结构的模拟结果分析154
10.4.1煤体骨架热变形154
10.4.2煤体孔裂隙结构的热变形155
10.5不同煤体微观结构的共轭传热和热变形特征分析157
10.5.1煤体微观孔裂隙结构的特征分析158
10.5.2温度作用下煤体不同孔裂隙结构的渗流特性162
10.5.3温度作用下煤体不同孔裂隙结构的变形特征165
10.6小结与讨论168
参考文献169
第11章煤体温-压耦合下微观结构特性模拟170
11.1概述170
11.2实验和方法171
11.3煤体变形模型构建172
11.3.1原理介绍173
11.3.2几何模型构建173
11.3.3温-压耦合作用下的煤体变形模型174
11.4温-压耦合作用下的煤体结构特征分析175
11.4.1煤体结构的三维重构及分形特征175
11.4.2温-压耦合作用下煤体结构的特征177
11.4.3煤体内部微观孔裂隙结构的变形特征180
11.5小结与讨论184
参考文献184
第12章煤体孔裂隙结构和渗流特性的综合表征方法186
12.1概述186
12.2CT实验及核磁共振实验187
12.3孔裂隙结构的可视化表征189
12.3.1孔裂隙结构的三维重建189
12.3.2饱水状态下的核磁成像190
12.4煤体结构的定量表征191
12.4.1CT三维重建的孔裂隙结构量化192
12.4.2NMR对孔隙结构参数的表征194
12.4.3孔隙率的综合表征197
12.4.4孔裂隙的连通性199
12.5基于核磁共振的影响煤体渗流因素的研究203
12.5.1不同注水时间下的渗流特性203
12.5.2注水压力对渗流特性的影响206
12.6小结与讨论208
参考文献209