基于CT扫描的预测应力加载条件下煤体渗透率的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于CT扫描的预测应力加载条件下煤体渗透率的方法，解决了变形煤体渗透率计算的技术问题，该方法步骤包括：A.制作煤样试件，进行单轴压缩实验，同时对煤样试件进行CT扫描；B.采用数字地形模型法进行阀值分割，得到煤样试件的阀值，将CT扫描图像导入建模软件建立三维数值模型；C.将三维数值模型导入有限元分析软件中并设置渗流条件；D.对三维数值模型施加多个压力梯度值▽P，设置初始流动速度v0，调整▽P和v0参数，得到多个渗流模型；E.将渗流模型导入有限元软件中模拟计算，得到计算结果；F.将计算结果导入数据处理软件中，沿渗流方向等距提取渗流速度，得到渗流速度和压力梯度的关系，计算渗透率。

Method of Predicting Coal Permeability under Stress Loading Based on CT Scanning

The invention provides a method for predicting coal permeability under stress loading condition based on CT scanning, and solves the technical problem of calculating the permeability of deformed coal body. The steps of the method include: A. making coal sample, carrying out uniaxial compression experiment, and CT scanning of coal sample; B. dividing the threshold value of coal sample by digital terrain model method, obtaining the threshold value of coal sample, and scanning CT. Drawing image is imported into modeling software to establish three-dimensional numerical model; C. Importing three-dimensional numerical model into finite element analysis software and setting seepage conditions; D. Applying multiple pressure gradient values to three-dimensional numerical model, setting initial flow velocity v0, adjusting parameters of_P and v0 to obtain multiple seepage models; E. Importing seepage model into finite element software to simulate and calculate the results; The calculation results are imported into the data processing software, and the seepage velocity is extracted equidistantly along the seepage direction. The relationship between seepage velocity and pressure gradient is obtained, and the permeability is calculated.

【技术实现步骤摘要】
基于CT扫描的预测应力加载条件下煤体渗透率的方法
本专利技术涉及煤层注水渗流
，尤其是一种基于CT扫描的预测并计算应力加载条件下煤体渗透率的方法。
技术介绍
煤矿生产过程中，需要通过煤层注水实现对工作面粉尘污染、煤与瓦斯突出、冲击地压、自然发火、煤体软化等矿井实际生产问题进行综合治理，而注水后的渗流是自然界最常见的物理现象。在一定压差下，岩石允许流体通过的能力叫渗透率，渗透率是表征土或岩石本身传导液体能力的参数，其大小与孔隙度、液体渗透方向上空隙的几何形状、颗粒大小以及排列方向等因素有关，渗透率用来表示渗透性的大小。传统的渗透率研究方法包括：(1)通过岩石试验系统和真三轴试验系统等对稳定渗流状态下的煤体应力-渗流耦合作用进行研究，在轴压和侧压稳定的情况下，通过测取流量、流动长度、压力梯度等参数，并结合达西渗流公式也可以实现对煤体渗透率的计算。但是由于煤体结构的非均质不透明等特性，所以该方法不能对煤体内部微细观孔裂隙结构的渗流过程进行解释和描述，而复杂的外界环境会影响流量等参数的确定，从而降低渗透率计算结果的准确性。(2)对于非稳态渗流过程中的渗透率变化规律，常采用脉冲衰减法进行研究，其基本工作原理为通过测试岩样一维非稳态渗流过程中孔隙压力随时间的衰减数据，在此基础上，结合数学模型对煤样脉冲渗透率进行测取。但是该方法在测试高渗透煤样时误差很大，这限制了此方法的测试范围。随着CT扫描技术在岩石领域的大量应用，其具有的高精度、无损伤等特点，可以帮助人们捕获各种储层岩石的孔裂隙空间几何形状，实现对于孔隙率的测定以及孔裂隙结构特征、矿物形态的分析；同时，借助载荷加载装置还可以实现对于孔裂隙结构演化规律的研究。在气体渗流方面，CT扫描技术主要侧重于气体吸附和解吸作用研究；而在注水渗流方面，利用该技术则可以实现渗流通道的构建以及揭示注水渗流过程中微细观结构的损伤破坏机理。但是受到监测手段的制约，目前的CT扫描实验仍然无法实现对渗流通道中流速、压力梯度变化情况进行详细的测量统计，同时复杂的实验测试也增大了研究成本。因此，为进一步的提高煤体渗透率计算的准确性，实现对煤体内部渗流分布情况的描述，有效预测不同应力条件下渗透率的变化情况，需要对现有的技术有待于更进一步的改善和发展。
技术实现思路
为解决实现直观描述变形煤样内部渗流分布情况，并有效预测不同应力条件下煤体渗透率变化的技术问题，本专利技术提供了一种基于CT扫描的预测应力加载条件下煤体渗透率的方法，具体技术方案如下：基于CT扫描的预测应力加载条件下煤体渗透率的方法，其特征在于，包括以下步骤：A.制作煤样试件，进行单轴压缩实验，同时对煤样试件进行CT扫描；B.采用数字地形模型法进行阀值分割，并得到煤样试件的阀值，将CT扫描图像导入Simpleware软件中建立三维数值模型；C.将三维数值模型导入HyperMesh软件中并设置渗流条件；D.对三维数值模型施加多个压力梯度值▽P，设置初始流动速度v0，调整▽P和v0参数分别模拟，得到渗流模型；E.将渗流模型导入Ls-dyna软件中模拟计算，得到计算结果；F.将计算结果导入HyperView软件中，沿渗流方向等距提取渗流速度，得到渗流速度和压力梯度的关系，计算渗透率。优选的是，煤样试件为圆柱体，所述单轴压缩实验使用原位拉伸、压缩及温度控制实验装置；所述单轴压缩试验中分别进行加载速度不同的多组煤样试件的单轴压缩，同一煤样试件的加载速度恒定。进一步优选的是，步骤A中，在CT扫描前首先根据X射线稳定性、煤样试件尺寸、煤样试件X射线衰减分数和曝光时间来确定扫描电压、扫描功率和视场大小；所述CT扫描是以恒定的速度旋转扫描，检测器捕捉由X射线源发出穿过煤样试件的X射线，以电信号的形式储存CT扫描图像。还优选的是，步骤B中确定煤样试件的阀值包括：将CT扫描图像转化为数字地形模型，表示孔裂隙体积和煤体总体积，孔裂隙体积与煤体总体积的比值作为孔隙率；建立孔隙率和图像灰度值的函数关系，计算孔隙率函数所有极小值中的最大值，作为CT扫描图像的阀值。还进一步优选的是，步骤B中在Simpleware软件建立三维数值模型后进行网格划分。还优选的是，步骤C中的渗流条件包括水场模拟、空气场模拟和煤体模拟；所述水场模拟选用MAT-NULL本构模型，设置流体沿一个方向流动，在流动方向上的两个侧面施加垂直于流动方向的两个方向的约束，在另外四个侧面施加固定约束；通过布置线性多项式状态方程为水头处流体的运动提供压力。还进一步优选的是，空气场模拟中选用MAT-VACUUM空隙材料模型，并选择ALE算法作为运算方法。还进一步优选的是，煤体模拟选用拉格朗日算法作为运算方法。还优选的是，压力梯度值▽P的选择范围为0～300Pa/mm；所述初始流动速度v0的选择范围为0.01～0.09mm/s。还进一步优选的是，骤D中渗流模型施加的压力梯度值▽P分别为0Pa/mm、10Pa/mm、24Pa/mm和213Pa/mm；初始流动速度v0设置为0.02mm/s。本专利技术的有益效果包括：(1)本方法通过室内试验和CT扫描获得煤体的结构特征，并采用数字地形模型法进行阀值分割，得到煤样阀值并建立三维数值模型，从而降低了试验和测量成本，提高了计算效率，保证了数值模拟的准确性。(2)通过设置渗流条件得到渗流模型，在煤体模拟中选用了拉格朗日算法能够精确地描述结构边界运动；空气场模拟中选用MAT-VACUUM空隙材料模型，并选择ALE算法作为运算方法，能够克服因流体穿过煤体骨架结构而引起的自身网格的严重畸变。(3)利用数值模拟的方法对渗流进行模拟，根据模拟结果能够实现对煤体内部渗流分布情况的直观描述，并根据变化过对对渗流变化进行有效的预测。(4)本方法中利用达西定律拟合压力梯度和渗流速度的关系，得到形变煤体结构的渗透率，预测结果准确性高，测试方法的适用范围广。附图说明图1是煤样试件形状结构示意图；图2是CT扫描结构示意图；图3是原位拉伸、压缩及温度控制实验装置结构示意图；图4是煤样试件微观结构示意图；图5是渗流模型和渗流条件示意图；图6是裂隙渗流速度曲线图；图7是孔隙渗流速度曲线图；图中：1-煤样试件；2-X射线源；3-载物台；4-CCD探测器；5-X射线；6-刚性压头；7-上夹持装置；8-上固定螺栓；9-下加持装置；10-下固定螺栓；11-煤样试件微观结构；12-水场；13-空气场。具体实施方式结合图1至图7所示，本专利技术提供的基于CT扫描的预测应力加载条件下煤体渗透率的方法具体实施方式如下：实施例1基于CT扫描的预测应力加载条件下煤体渗透率的方法，包括以下步骤：A.制作煤样试件，进行单轴压缩实验，同时对煤样试件进行CT扫描；其中，煤样试件为圆柱体，所述单轴压缩实验使用原位拉伸、压缩及温度控制实验装置；所述单轴压缩试验中分别进行加载速度不同的多组煤样试件的单轴压缩，同一煤样试件的加载速度恒定。在本步骤中，CT扫描前首先根据X射线稳定性、煤样试件尺寸、煤样试件X射线衰减分数和曝光时间来确定扫描电压、扫描功率和视场大小；所述CT扫描是以恒定的速度旋转扫描，检测器捕捉由X射线源发出穿过煤样试件的X射线，以电信号的形式储存CT扫描图像。B.采用DTM数字地形模型法进行阀值分割，并得到煤样试件的阀值，将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于CT扫描的预测应力加载条件下煤体渗透率的方法，其特征在于，包括以下步骤：A.制作煤样试件，进行单轴压缩实验，同时对煤样试件进行CT扫描；B.采用数字地形模型法进行阀值分割，并得到煤样试件的阀值，将CT扫描图像导入Simpleware软件中建立三维数值模型；C.将三维数值模型导入HyperMesh软件中并设置渗流条件；D.对三维数值模型施加多个压力梯度值▽P，设置初始流动速度v0，调整▽P和v0参数分别模拟，得到渗流模型；E.将渗流模型导入Ls‑dyna软件中模拟计算，得到计算结果；F.将计算结果导入HyperView软件中，沿渗流方向等距提取渗流速度，得到渗流速度和压力梯度的关系，计算渗透率。

【技术特征摘要】
1.基于CT扫描的预测应力加载条件下煤体渗透率的方法，其特征在于，包括以下步骤：A.制作煤样试件，进行单轴压缩实验，同时对煤样试件进行CT扫描；B.采用数字地形模型法进行阀值分割，并得到煤样试件的阀值，将CT扫描图像导入Simpleware软件中建立三维数值模型；C.将三维数值模型导入HyperMesh软件中并设置渗流条件；D.对三维数值模型施加多个压力梯度值▽P，设置初始流动速度v0，调整▽P和v0参数分别模拟，得到渗流模型；E.将渗流模型导入Ls-dyna软件中模拟计算，得到计算结果；F.将计算结果导入HyperView软件中，沿渗流方向等距提取渗流速度，得到渗流速度和压力梯度的关系，计算渗透率。2.根据权利要求1所述的基于CT扫描的预测应力加载条件下煤体渗透率的方法，其特征在于，所述煤样试件为圆柱体，所述单轴压缩实验使用原位拉伸、压缩及温度控制实验装置；所述单轴压缩试验中分别进行加载速度不同的多组煤样试件的单轴压缩，同一煤样试件的加载速度恒定。3.根据权利要求2所述的基于CT扫描的预测应力加载条件下煤体渗透率的方法，其特征在于，所述步骤A中，在CT扫描前首先根据X射线稳定性、煤样试件尺寸、煤样试件X射线衰减分数和曝光时间来确定扫描电压、扫描功率和视场大小；所述CT扫描是以恒定的速度旋转扫描，检测器捕捉由X射线源发出穿过煤样试件的X射线，以电信号的形式储存CT扫描图像。4.根据权利要求1所述的基于CT扫描的预测应力加载条件下煤体渗透率的方法，其特征在于，所述步骤B中确定煤样试件的阀值包括：将CT扫描图像转化为数字地形模型，表示孔裂隙体积和煤体总体积...

【专利技术属性】
技术研发人员：王刚，江成浩，程卫民，孙路路，刘义鑫，范酒源，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37