煤是一种多孔介质,煤的微观孔裂隙结构对煤的宏观物理化学特性有着重要的影响,煤层气开采、井下水灾治理等工程问题均涉及到煤的微观结构。通过 CT三维重建研究煤体微观结构及其内部的瓦斯流动已是目前岩石力学和煤炭瓦斯动力学领域的热点话题。CT三维重建技术在计算流体力学中的应用为解决微观尺度流动问题提供了新的途径,特别是在我国面临能源结构转型的形势下,对于科学指导煤层气等非常规油气资源的开发具有重要意义。 本文为了获取能够表征煤体微观孔裂隙结构的真实物理模型,进而通过数值模拟探讨其内部瓦斯渗流规律,基于 CT扫描实验、三维重建技术以及有限元分析方法,提出了由煤体重建模型到煤体 CAD模型再到煤体有限元模型的这一研究思路,逐步开展了“基于煤体CT扫描的微观结构重建及其瓦斯渗流数值模拟”这一课题的研究。 通过μCT225kVFCB高精度CT系统对采集到的6种煤样进行了CT扫描,得到了煤样的 CT图像。采用补充后的 DTM法对煤样 CT图像进行了阈值分割,研究分析了CT图像的尺寸与孔隙率之间的关系,发现CT图像的尺寸变化与孔隙率之间具有明显的规律性,并且每条曲线都可以大致分成三段,即急剧下降段、波动下降段和稳定平缓段。当C T图像边长达到110像素时,孔隙率的值就已经趋于稳定。以此规律为基础,确定了适合用于三维重建的CT图像尺寸。 使用MATLAB语言,编制了基于体绘制法的三维重建软件,对CT图像进行了三维重建,得到了STL格式的煤体重建模型文件。以山东杨营瘦煤煤样为例,阐述了通过逆向工程技术将煤体重建模型转换为煤体 CAD模型的方法,并通过此法建立了6种煤样的CAD数字模型。使用ICEM CFD软件完成了基于煤体CAD模型的网格划分工作,通过CFX软件设置边界条件后得到了6种煤样的有限元模型,并对所有6种煤样的有限元模型进行了在30种不同压力梯度下的瓦斯渗流数值模拟试验。 模拟试验结果表明:(1)在微观尺度下(<100μm),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,数值模拟结果表明其具有波动上升的趋势。在相同压力梯度下,渗流速度总的趋势随有效孔隙率的增大而增大,随非达西系数的增大而减小;(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。