煤矿瓦斯形成和储藏在煤岩中的孔隙结构中,其流动通道主要是煤层中的裂隙结构,煤体中复杂的裂隙结构特征极大地影响甚至控制着其渗流特性。由于煤层气开采、瓦斯灾害防治等工程问题均涉及煤体裂隙渗流,研究裂隙的结构特征对渗流的影响,对于科学开发利用煤层气、瓦斯灾害防治等工程问题具有重要的指导意义。 本文为了获取含人造裂隙煤体的真实物理模型,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有限元模型的这一研究思路,逐步开展了“基于插值算法的CT三维重建人造裂隙煤体瓦斯渗流数值模拟”这一课题的研究。 通过μCT225kVFCB高精度CT系统对采集煤样进行了CT扫描,得到了煤样的CT图像。通过噪声识别方法,检测到现有的CT图像主要存在高斯噪声,采用维纳滤波进行去噪处理,得到去噪后CT图片。然后以去噪后的CT图片作为输入样本,基于插值重建对煤体CT图像进行三维重建,可以提高重建过程中的数据精度,为下一步的研究打下良好的数据基础。 在CT图像中像素灰度值的大小反映了物体内部密度的变化情况。利用这一特性在CT图像中人为做出具有最小灰度值的正方形、正五边形、正六边形、圆形、椭圆形来代表不同形状的裂隙面。通过平移人造裂隙平面,改变每张图片不同的移动间距来实现不同角度人造裂隙。采用DTM阈值分割法实现阈值分割,基于三维重建获取煤体裂隙真实数学模型。通过进一步的网格优化,和边界条件设定,进而得到基于真实煤体结构的有限元模型。 通过建立的含人造裂隙煤体的有限元模型,进行有限元数值模拟试验。模拟时使用最基础的非定常Navier-Stokes方程作为控制方程,使用CFX软件对含人造裂隙煤体进行瓦斯渗流数值模拟。提取了煤体模型截面的渗流速度通过对比发现,含裂隙煤体较原始煤样渗流速度明显增大,说明裂隙的存在会增大煤体中瓦斯的渗流速度。裂隙空间形状相同时,煤体截面渗流速度随角度的变化无明显规律,这可能是受其他孔裂隙结构的影响。为进一步分析瓦斯在煤体中裂隙中的渗透规律,提取煤体中人造裂隙截面的渗透速度,发现在相同形状下,裂隙截面的渗透速度随着裂隙角度的增大随之增大,对比相同角度不同形状裂隙面的渗透速度发现随着裂隙边数的增加(正方形到圆形)渗透速度也随之增大。