CT 三维重构煤体结构及瓦斯渗流数值模拟_公维宽.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 CT 三维重构煤体结构及瓦斯渗流数值模拟 公维宽， 王伟强 （山东能源新矿集团 协庄煤矿， 山东 新泰 271200） 摘要 通过 CT 扫描获得长焰煤切片数据图像， 利用 Image J 将其 xy 平面切片编辑成 60 μm 80 μm 大小， 选取其中 120 张连续切片作为目标区域导入 Avizo 中对其进行三维重构， 使用 CFX 流体仿真模拟建模的方法， 对其进行低压瓦斯渗流模拟， 定量分析瓦斯在煤体中的渗流规律。结 果表明 煤样孔隙的体积分形维数为 2.56， 煤样 xy 切面方向的分形维数在 14.2～1.56 之间； 等价 孔隙网络模型相比于球棒模型更为精确，测得煤样孔隙结构模型的孔隙数为 1 760，吼道数为 956。沿z 方向的压降速度远小于沿-z 方向的压降速度； 沿-z 方向流动的渗流速度远大于z 方 向， 最大流速达到 600 m/s， 是沿z 方向的 1.5 倍； 二者的 xy 切面的平均渗流质量流量的绝大多 数数量级大约为 10-10kg/s； 渗流过程表现为势能和动能之间的转化。 关键词 CT； 三维重构； 分形维数； 微观孔隙结构； 数值模拟 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 11-0019-05 Three-dimensional Reconstruction of Coal Structure and Numerical Simulation of Gas Seepage by CT GONG Weikuan, WANG Weiqiang （Xiezhuang Coal Mine, Shandong Energy Xinwen Mining Group Co., Ltd., Xintai 271200, China） Abstract The data image of long flame coal slice was obtained by CT scanning, and its xy plane slice was edited to 60 μm80 μm by Image J. 120 consecutive slices were selected as the target area and imported into Avizo for three -dimensional reconstruction. CFX fluid simulation modeling was used to simulate the low -pressure gas seepage and quantitatively analyze the law of gas seepage in coal. The results show that the volume fractal dimension of the pore is 2.56, and the fractal dimension of the xy section direction of the coal sample is between 14.2 and 1.56; the equivalent pore network model is more accurate than the bat model; the pore number of pore structure model of coal sample is 1 760 and throat number is 956; the pressure drop velocity along z is much less than that along -z direction; the seepage velocity along -z direction is much higher than that along z direction, and the maximum flow velocity is 600 m/s, which is 1.5 times higher than that along z direction; the majority order of magnitude of the average seepage mass flow in the xy section of the two s is about 10-10kg/s; the seepage process shows the transation between potential energy and kinetic energy. Key words CT; 3D reconstruction; fractal dimension; microscopic pore structure; numerical simulation 我国在煤炭开采中， 有许多灾害， 其中以瓦斯突 出灾害最为明显， 具有发生概率大， 难以控制， 造成 损失严重等特点，制约着我国煤矿安全生产的水 平。然而， 随着煤矿开采深度的不断增加， 高瓦斯矿 井的占比不断提升， 发生瓦斯突出的概率越大[1]。因 此，基于山东能源新汶矿业集团的协庄煤矿的实际 背景，展开瓦斯在煤体中的流动特征及规律研究， 这对山东能源新汶矿业集团协庄煤矿的工作人员认 知、预防瓦斯突出有着重大的意义。煤作为一种结 构比较松散的多孔介质，其密度、比表面积和孔隙 率的变化范围都很大。这些微观结构特性对煤体孔 隙中瓦斯的流动特性有着极其重要的影响[2]。因此， 对煤体微观结构进行认知和研究煤最为真实的孔隙 结构是研究瓦斯在煤体中流动特征的关键环节。大 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.004 公维宽， 王伟强.CT 三维重构煤体结构及瓦斯渗流数值模拟 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 19-23. GONG Weikuan, WANG Weiqiang. Three-dimensional Reconstruction of Coal Structure and Numerical Sim- ulation of Gas Seepage by CT［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 19-23.移动扫码阅读 19 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 2孔隙表面分形维数 Fig.2Fractal dimension of pore surface 图 1孔隙结构模型构建 Fig.1Pore structure model construction 表 1X 射线三维显微镜扫描参数设置 Table 1Scanning parameters setting of X-ray three- dimensional microscope 探测器 类型 SOD∶ODD/ （mm mm-1） 电压 /kV 电流 /μA 扫描 帧数 耗时 /h 曝光 时间/s 穿透率 / 20X35/1341240900196557 部分学者多通过实验方法研究煤的微观结构。常规 的实验方法有压汞法[3]、 低温氮气吸附法[3]、 切片法[4] 和 CT 法[5]等。显微 CT 作为一种新型的采用 X 射线 成像原理进行高分辨三维成像的设备，可以在不破 坏样品结构的情况下， 对样品进行高分辨三维成像， 进而研究煤的微观孔隙结构，因此， CT 法相较于其 他方法具有明显优点[1]。近年来， 显微 CT 技术也逐 渐应用于实现岩心数字化，对岩心内部孔隙结构在 微观尺度上进行三维空间表征。大量研究的注水渗 流模型都是通过三维建模构建的理想型模型[6-10]， 与 基于 CT 扫描获得的真实孔隙模型存在一定差异 性。随着 CT 扫描精度的不断提高， 这些研究结果的 误差问题也逐步凸显，与真实结构研究也存在较大 差距。因此， 采用精度为 0.5 μm 的 X 射线三维显微 镜对煤变质程度最低的烟煤-长焰煤[11]， 进行显微 CT 扫描获得切片数据图像， 导入 Avizo 中对其进行 三维重构，再使用 CFX 流体仿真模拟建模的方法， 设置其进出口压差为 3 MPa，对其进行低压瓦斯渗 流模拟，分析其压力场、速度场分布，并定量计算 进、 出口面的质量流量及速度大小分布规律， 为从微 观角度认知煤层中瓦斯运移、 扩散、 吸附解析提供一 种新的途径， 对预防瓦斯突出有着重大的意义。 1试验方法 研究选用最高分辨能力为 0.5 μm 的 X 射线三 维显微镜作为 CT 试验扫描设备对煤样进行扫描， X 射线三维显微镜扫描参数设置见表 1。在煤样上钻 取直径约 2 mm， 长度约 5 mm 的煤心， 并用蜡将煤 心密封， 密封后的煤心直径测量结果为 3.31 mm。 将 密封后的煤心固定在牙签端部， 放入 X 射线三维显 微镜样品台，并以螺丝固定。启动主控计算机界面 操作平台， 进行试验。 2几何模型重构 2.1模型构建 研究利用 image 软件对 CT 扫描得到的 xy 平面 的切片进行处理，对于 image 软件处理后的切片数 据选择目标区域所在的 120 张连续切片（每张切片 的厚度为 1 μm） ，即 z120 μm，将其导入 Avizo 中 进行 CT 切片三维可视化构建。 选中目标区域的 120 张切片导入 Avizo 软件，实现对目标区域的三维可 视化， 其大小为 60 μm80 μm120 μm。 对重构后的 目标区域， 继续进行中值滤波进行平滑去噪[12]。 然后 根据图像的阈值差异，使用阈值分割提取孔隙网络 结构模型， 孔隙结构模型构建如图 1。 直接将目标区域的切片导入 Avizo 在很大程度 上减小计算机重构计算的压力， 而且能够直接真实的 反应煤体结构， 减少由复杂重构过程造成的误差。 2.2模型分析 2.2.1分形维数 天然多孔岩石往往具有良好的分形特征，煤样 具有分形结构，因此可以利用分形维数对煤样孔隙 结构进行表征。分形维数越大， 孔隙越粗糙， 均一性 越差[13]。在 Avizo 中可以利用 Fractal Dimension 命令 对数据进行分形维数的计算。研究利用该命令对孔 隙模型进行分形维数计算，算出其体积分形维数为 2.56， 对于每个 xy 平面切片上计算出的孔隙表面分 形维数进行作图处理， 孔隙表面分形维数如图 2。 从图 2 可以看出， 模型 xy 切面方向的面分形维 20 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 6压力云图 Fig.6Pressure nephogram 图 5边界条件设置 Fig.5Boundary condition setting 图 4网络模型 Fig.4Network model 图 3球棒模型 Fig.3Bat model 表 2模型统计煤相关参数 Table 2Model statistical coal related parameters. 模型体积/μm3面积/μm2平均孔径/μm孔隙数吼道数 球棒模型 网络模型 199 980 200 168 162 303.6 163 027.3 4.275 4.062 1 640 1 760 822 956 数范围在 14.2～1.56 之间， 整体呈震荡起伏状。其中 第 119 个切面的分形维数最大， 为 1.55， 第 34 个切 面的分形维数最小， 为 1.42。 2.2.2构建孔隙网络模型 为了更加形象生动地来表征煤样孔隙结构特 征， 研究利用 Avizo 进行孔隙网络模型构建， 为了保 证构建的准确性，使用其中的 Pore Network Model 和 Auto-Skeleton 命令分别对孔隙模型进行网络模 型构建以及进行对比验证。 利用 Pore Network Model 命令来进行孔隙网络模型的构建， 球棒模型如图 3， 其中用球体表征孔隙，柱体表征喉道，其整体模型 呈现球棒状。通过 Auto-Skeleton 命令建立目标区域 模型的等价孔隙网络模型， 网络模型如图 4， 其中球 体表征孔隙，管束表征喉道。从图 3 和图 4 可以看 出， 2 种模型都能较好的表征煤样孔隙结构， 网络模 型比球棒模型更为精确，能够保证一些较小的孔隙 和吼道被模型化，更加接近于煤样孔隙结构的真实 情况。模型统计煤相关参数见表 2。 3煤样渗流模拟 对煤样微观孔隙模型分别进行瓦斯垂直方向的 渗流模拟， 即-z 为渗流出口 （沿-z 方向渗流）和z 为渗流出口（沿z 方向渗流） 2 个方向的渗流模拟， 边界条件设置如图 5。基于最基础的非定常 Navier- Stokes 方程[1]， 对于瓦斯渗流模拟， 设置为常温 298 K 下的甲烷气体。设置重力加速度为 9.8 m/s2， 渗流 进口压力设为 3.1 MPa， 出口为 0.1 MPa， 将进出口 面设为无滑移壁面， 侧面为自由滑移壁面。 3.1压强分布 煤体微观孔隙三维压力云图如图 6。 从图 6 可以看出，模拟结果得到的沿 z 轴方向 的压力分布不同，具体表现在压力云图中不同颜色 所占面积和轴向距离的差异， 沿z 的压降速度远小 于沿-z 方向的压降速度。其主要原因是煤样孔隙结 构的孔隙管道形状、 尺寸、 连通性以及渗透率在不同 方向上表现为各向异性，且二者的选取的渗流进口 不同， 受重力影响。但从总体上来看， 两者压力云图 的三维模型依然表现出了一定的规律性沿着渗流 方向， 压力逐渐减小， 最小压力接近于 0； 最大压力 21 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 9质量流量分布 Fig.9Mass flow distribution 图 8流速分布 Fig.8Velocity distribution 图 7速度流线 Fig.7Velocity streamline 出现在入口附近的连通性较好的孔隙管道；流体通 过狭窄孔隙时，压力先迅速降低后有所上升，但总 体呈现降低的趋势。 3.2速度场分布 煤体微观孔隙三维渗流速度流线及流速分布分 别如图 7、 图 8。 由图 7 和图 8 可以看出， 由于选取z 和-z 2 个 不同的面作为渗流进口时，因此，孔隙三维流体流 动及流速展布、 变化情况存在较大差异。沿-z 方向 流动 （以z 为进口） 的渗流速度远大于沿z 方向的， 其最大流速达到 600 m/s， 是沿z 方向的 1.5 倍。这 是由于重力及孔隙结构水平发育的影响。从模型整 体来看，虽然最大孔隙连通团的各孔隙全部连通， 但仍有较多孔隙中没有流体经过；二者的最大渗流 速度都集中在出口处，且孔隙孔径较小处这是由于 能量守恒定律， 即压力势能转化成动能； 从单个孔隙 喉道来看， 在渗流的过程中， 沿着孔隙中心-壁面方 向， 渗流速度逐渐减小， 直至静止。 3.3质量流量分布 xy 切面具有代表性的渗流质量流量分布如图 9。这几个切面的局部的质量流量分布相比于相邻 的几个切面差异较大，这主要是由于这几个切面的 孔隙分布不均匀、 粗糙度较大， 导致部分流体被滞留 在孔隙中， 这与图 2 中的现象一致 这几个面的分形 维数处于峰值 （第 10、 第 119 个切面） 或低谷 （第 34、 第 87 个切面） 中。 z 和-z 2 个不同的面作为渗流进口时， 孔隙三 维流体流动及质量流量的分布、变化存在较大差 异。即使对于同一个切面来说，质量流量的分布存 在明显的差异。沿-z 方向流动的 xy 切面的最大平 均质量流量为 4.38710-9kg/s，沿z 方向的最大平 均质量流量为 1.002 310-10kg/s。但从整体来看， 二 者的 xy 切面的平均渗流质量流量的绝大多数数量 级大约为 10-10kg/s。对于某几个相邻的切片， 质量流 量突然间有所减少，这主要是煤体内部孔隙结构的 复杂性和不均一性以及压强过低提供的动力不足， 导致一部分流体不能流出出口， 滞留在煤体内部。 4结论 1） 利用孔隙模型计算出煤样孔隙的体积分形维 22 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 数为 2.56， 煤样孔隙 xy 切面方向的面分形维数范围 在 14.2～1.56 之间， 整体呈震荡起伏状， 其中第 119 个切面的分形维数最大。 2） 等价孔隙网络模型相比于球棒模型更为精 确，能够保证一些较小的孔隙和吼道被模型化， 更 加接近于煤样孔隙结构的真实情况。煤样孔隙结构 模型的孔隙数为 1 760， 吼道数为 956。 3） 沿z 的压降速度远小于沿-z 方向的压降速 度； 沿-z 方向流动 （以z 为进口） 的渗流速度远大于 沿z 方向的， 其最大流速达到 600 m/s， 是沿z 方向 的 1.5 倍； 二者的 xy 切面的平均渗流质量流量的绝 大多数数量级大约为 10-10kg/s。 4） 渗流过程中， 由于物理的三大守恒定律， 渗流 突出表现为压力、重力势能和动能之间的转化。渗 流压力整体逐渐减小，但通过小孔径孔隙时，压力 先急剧减小， 后又逐渐增大， 但整体是减小的。随着 压力梯度的增大，压力场的变化更加明显。一些连 通性好，孔径较大的孔隙通道其压力场变化更趋于 平缓。在同一渗流长度上，不同切面的平均渗流速 度变化明显， 压力梯度越大， 平均渗流速度越大。 参考文献 ［1］ 周刚， 邱磊， 王家远.基于显微 CT 技术的低压瓦斯渗 流特性模拟分析 ［J］ .煤炭科学技术， 2018， 46 （1） 120-126. ［2］ 胡国忠， 黄兴， 许家林， 等.可控微波场对煤体的孔隙 结构及瓦斯吸附特性的影响 ［J］ .煤炭学报， 2015， 40 （S2） 374-379. ［3］ 李阳， 张玉贵， 张浪， 等.基于压汞、 低温 N2吸附和 CO2 吸附的构造煤孔隙结构表征 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