基于CT三维重构煤体变开度裂隙渗流特性研究
基于CT三维重构煤体变开度裂隙渗流特性研究
# 论文推荐 # 作者：
王刚1,2，陈昊2，陈雪畅2，杨宝东2
单位：
1.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地
2.山东科技大学 安全与环境工程学院
01 摘要 煤层注水过程中会发生水沿着煤体原生孔裂隙滤失现象，影响注水现场施工效果。为进一步从微观层面探讨煤体裂隙变开度对其渗透特性的影响，结合CT三维重构技术构建6种不同开度的裂隙模型，分析裂隙体积、形状因子等结构参数以及煤体渗透率与裂隙开度的关系。基于Navier-Stokes方程开展变开度裂隙的渗流模拟研究。研究结果表明：形状因子随着裂隙开度变化逐渐减小，这表示随着开度增加，三维裂隙模型趋近于标准球体，空间形态更加简单，更有利于渗流的持续进行；沿渗流方向裂隙压力逐渐降低，水流速度逐渐增加，其中截面整体的速度分布密度保持不变，平均渗流速度随开度增加呈现增大趋势；渗透率与裂隙开度之间呈非线性关系，裂隙开度在60 μm以下时，渗透率随裂隙开度增速缓慢，此时裂隙粗糙度对整体渗流的阻碍作用较强，裂隙开度在60 μm以上时，渗透率随着裂隙开度的增加迅速提高，也会导致部分区域发生回流、涡流现象，最终裂隙空间将对渗流起主导作用。
02 创新点 煤层注水润湿煤层的过程中，水会沿着煤体原生孔裂隙发生滤失现象，严重影响了注水现场施工效果，其中煤层内部渗流运移过程属于“黑箱问题”，存在大量难以解释的可变性。煤岩裂隙的渗透能力是孔隙的千百倍，裂隙结构特征将直接影响注水渗流效果，单裂隙作为裂隙网络的基本单元，其粗糙度、开度等结构参数对煤岩体内的渗流特性有着至关重要的控制作用。国内外学者对煤岩裂隙渗流特性的几何结构影响机制开展了大量的理论或试验研究，前人研究重点主要集中在粗糙度上，而关于粗糙裂隙开度对煤岩裂隙细观流动特性研究较少。随着CT扫描试验设备精度的提高，三维重构煤体微观裂隙模型进行渗流数值模拟成为可能，因此，通过人造裂隙技术在CT图像中预设不同开度的裂隙区域，三维重构煤体裂隙模型，分析开度变化对裂隙体积、形状因子等微观参数的影响，模拟水在不同裂隙开度下的三维渗流过程，能够探究裂隙开度与渗透率之间的关系。研究结果可为后续深部煤层注水工艺及技术的研究提供一定理论支撑。
取得的主要成果如下： （1）随着裂隙开度的增加，裂隙模型的形状因子逐渐减小，两者基本呈现负相关关系；其中在L1~L3之间形状因子减幅较大，在L4之后减幅减小，开度增加导致裂隙结构模型趋于简单，三维模型逐渐趋近于球体。
（2）沿渗流方向，煤体裂隙受到的压力逐渐降低，而水流速度逐渐增加。其中，改变裂隙开度对流体运移的速度分布密度影响较小，随着裂隙开度的增大，截面的平均渗流速度呈现增大的趋势。
（3）裂隙渗透率与裂隙开度呈现非线性增长。开度增加裂隙的过水截面积增大，通过裂隙的流量增大，渗透率同样呈上升趋势。裂隙开度在60 μm以下时，渗透率随裂隙开度增速缓慢，此时裂隙粗糙度对整体渗流的阻碍作用较强，当裂隙开度在60 μm以上时，会导致部分区域发生回流、涡流现象，从整体情况分析，裂隙粗糙度对整体渗流的阻碍作用减弱，裂隙空间将对渗流起主导地位。
03 部分图表
基于CT三维重构煤体变开度裂隙渗流特性研究
作者：
王刚1,2，陈昊2，陈雪畅2，杨宝东2
单位：
1.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地
2.山东科技大学 安全与环境工程学院
煤层注水过程中会发生水沿着煤体原生孔裂隙滤失现象，影响注水现场施工效果。为进一步从微观层面探讨煤体裂隙变开度对其渗透特性的影响，结合CT三维重构技术构建6种不同开度的裂隙模型，分析裂隙体积、形状因子等结构参数以及煤体渗透率与裂隙开度的关系。基于Navier-Stokes方程开展变开度裂隙的渗流模拟研究。研究结果表明：形状因子随着裂隙开度变化逐渐减小，这表示随着开度增加，三维裂隙模型趋近于标准球体，空间形态更加简单，更有利于渗流的持续进行；沿渗流方向裂隙压力逐渐降低，水流速度逐渐增加，其中截面整体的速度分布密度保持不变，平均渗流速度随开度增加呈现增大趋势；渗透率与裂隙开度之间呈非线性关系，裂隙开度在60 μm以下时，渗透率随裂隙开度增速缓慢，此时裂隙粗糙度对整体渗流的阻碍作用较强，裂隙开度在60 μm以上时，渗透率随着裂隙开度的增加迅速提高，也会导致部分区域发生回流、涡流现象，最终裂隙空间将对渗流起主导作用。
煤层注水润湿煤层的过程中，水会沿着煤体原生孔裂隙发生滤失现象，严重影响了注水现场施工效果，其中煤层内部渗流运移过程属于“黑箱问题”，存在大量难以解释的可变性。煤岩裂隙的渗透能力是孔隙的千百倍，裂隙结构特征将直接影响注水渗流效果，单裂隙作为裂隙网络的基本单元，其粗糙度、开度等结构参数对煤岩体内的渗流特性有着至关重要的控制作用。国内外学者对煤岩裂隙渗流特性的几何结构影响机制开展了大量的理论或试验研究，前人研究重点主要集中在粗糙度上，而关于粗糙裂隙开度对煤岩裂隙细观流动特性研究较少。随着CT扫描试验设备精度的提高，三维重构煤体微观裂隙模型进行渗流数值模拟成为可能，因此，通过人造裂隙技术在CT图像中预设不同开度的裂隙区域，三维重构煤体裂隙模型，分析开度变化对裂隙体积、形状因子等微观参数的影响，模拟水在不同裂隙开度下的三维渗流过程，能够探究裂隙开度与渗透率之间的关系。研究结果可为后续深部煤层注水工艺及技术的研究提供一定理论支撑。
（1）随着裂隙开度的增加，裂隙模型的形状因子逐渐减小，两者基本呈现负相关关系；其中在L1~L3之间形状因子减幅较大，在L4之后减幅减小，开度增加导致裂隙结构模型趋于简单，三维模型逐渐趋近于球体。
（2）沿渗流方向，煤体裂隙受到的压力逐渐降低，而水流速度逐渐增加。其中，改变裂隙开度对流体运移的速度分布密度影响较小，随着裂隙开度的增大，截面的平均渗流速度呈现增大的趋势。
（3）裂隙渗透率与裂隙开度呈现非线性增长。开度增加裂隙的过水截面积增大，通过裂隙的流量增大，渗透率同样呈上升趋势。裂隙开度在60 μm以下时，渗透率随裂隙开度增速缓慢，此时裂隙粗糙度对整体渗流的阻碍作用较强，当裂隙开度在60 μm以上时，会导致部分区域发生回流、涡流现象，从整体情况分析，裂隙粗糙度对整体渗流的阻碍作用减弱，裂隙空间将对渗流起主导地位。
部分图表
CT扫描装置
连通裂隙三维重建示意
Feret直径及其角度分布
裂隙变开度操作示意
不同裂隙开度的连通裂隙模型
裂隙开度与形状因子的关系
压力模拟结果
速度模拟结果
不同裂隙开度各监测点的平均水流速度
不同裂隙开度渗透率及体积流量曲线
王刚
山东科技大学，二级教授，矿山灾害预防控制实验室副主任。山东临沂人，工学博士，教授、博士生导师，国家级青年人才。近年来，主持国家自然科学基金项目（2014、2017、2020、2022）、国家重点研发计划子课题（2017）、山东省杰出青年科学基金（2021）等10余项纵向课题。以第一作者/通讯作者在《INT J ROCK MECH MIN》《FUEL》《煤炭学报》等行业权威期刊发表SCI论文58篇（一区TOP18篇），EI论文39篇，其中高被引论文6篇，中国百篇最具影响国际学术论文1篇；以第一发明人授权中国发明专利25项，美国专利3项，澳大利亚专利1项；首位出版专著2部，制定国家能源行业标准1项。获国家级教学成果二等奖（2/17）、山东省科学技术进步奖二等奖（1/9）、重庆市科技进步奖二等奖（1/10）、中国职业安全健康协会科学技术奖一等奖（1/12）等奖励。获全国煤炭青年科技奖、全国高校矿业石油与安全工程领域优青年科技人才、中国煤炭工业协会先进个人、杰出青年科技工作者等荣誉称号。取得的科研成果攻克了低渗煤层注水效果不佳及坚硬煤层开采碳排放强度过高的工程难题，在国家能源、山东能源等矿业集团推广使用，为促进绿色低碳发展、实现双碳目标贡献了重要力量。
研究方向:
煤岩孔裂隙结构渗流理论及防灾工程应用。
主要成果：
作者长期围绕“煤岩微观孔裂隙结构渗流理论与防灾工程应用”这一主线，坚持“以渗流力学为手段、以灾害治理为需求、以源头防控为导向”的科研理念，从“煤岩结构表征、工程渗流理论、高效水力防灾”三个维度开展了系列研究：
1、阐释了煤体“气-液”输运条件下的应力-损伤-渗流耦合作用机制，构建了深部复杂环境条件下煤体孔裂隙结构渗流理论体系，创研了深部低渗煤层高效水力增透一体化技术，破解了低渗煤层增透抽采效果不佳的难题。
2、发明了基于煤体三维重构的微观尺度孔缝共存精细表征方法，将CT扫描三维数字模型创新性地引入煤体多孔介质输运演化机理中，实现了煤-水-瓦斯渗流体系中固-液-气三相耦合动力学参数的精细化表征。
3、基于计算机CT扫描技术，开展了多场耦合条件下煤岩孔裂隙结构、应力分布，以及多相流体传输机制的研究，厘清了应力、损伤和渗流之间的耦合关系，进一步深化了对深部低渗煤岩工程渗流的理论认知。研发了煤岩物理渗流系列实验装备，基于理论与实验研究结果构建了注水防灾工程评价体系。
本文引用格式：
王 刚，陈 昊，陈雪畅,等.基于 CT三维重构煤体变开度裂隙渗流特性研究[J],中国矿业大学学报,2024,53(1):59-67.
WANG Gang, CHEN Hao, CHEN Xuechang, et al.Study on seepage characteristics of coal fissures with variable apertures based on CT 3D reconstruction[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2024,53(1):59-67
