煤是一种具有明显分层特征的多孔介质,煤体的微观结构影响着煤本身的物理化学性质,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。由于煤的多样性和非均质性以及各种研究方法的局限性,使得准确阐明煤的孔裂隙结构具有一定的难度。随着计算机技术的不断发展,CT扫描技术在矿山领域得到越来越广泛的应用,并且研究内容已从二维CT扫描图像研究煤体损伤缺陷转向CT三维重建研究煤体结构,实现对煤体内部孔裂隙结构的提取。同时CT三维重建的数字模型可实现微观尺度的渗流模拟,结合分形维数可定量的表征煤体内部孔裂隙结构,这在我国目前面临的能源转型的形势下,对于煤层气的开发及利用具有重要意义。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,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、分形理论以及有限元分析方法,提出了定性定量表征煤体结构的方法以及应用三维分形维数表征孔裂隙结构的复杂程度的思路,逐步开展了“基于CT技术和分形理论的煤体孔裂隙结构表征”这一课题的研究,主要研究内容和结论如下:1)通过对6种不同变质程度的煤样开展CT扫描实验,得到6种煤样的高精度CT扫描图像。选取中值滤波算法对煤样的CT图像进行降噪处理,从而较好的保留图像的细节特征及边缘信息。通过基于孔隙率的方法选取阈值对图像进行分割,进而得到图像的感兴趣区域的二值化图像。以煤体孔隙率为约束条件计算重建煤样的表征单元体,从而选取最合适的模型尺寸表征煤体结构;将处理后的CT图像通过AVIZO进行煤体孔裂隙结构的三维重建,进而得到真实的煤体三维孔裂隙结构。2)通过基于重建得到三维孔裂隙结构,提出煤的孔裂隙结构定性定量表征的方法。首先进行煤体结构的定性表征,对二维的CT图像进行灰度值探测,进而得到各个煤样的灰度直方图,初步分析各个煤样内部结构;然后观察三维重建的煤体结构,定性的分析孔裂隙结构。其次,定量统计六种煤样的孔裂隙微观参数—孔径大小、孔体积、孔隙率、配位数、喉道半径等,研究每个煤样的孔径和体积的概率分布,表征煤样孔隙结构的复杂程度。利用统计得到的煤样面孔隙率平均偏差定量表征孔裂隙结构的非均质性。基于三维煤体孔裂隙结构进行了瓦斯渗流模拟,得到各煤样的速度流线图和压力云图。最后,建立具有拓扑结构的孔隙网络简化模型,进一步表征其连通性。3)通过对分形理论的研究,利用已得到三维煤体孔裂隙结构结合三维分形理论对煤样的孔裂隙结构的复杂程度及孔隙率、渗透率进行定量分析。首先,详细介绍了分形几何的概念和分形维数的计算。编写基于三维分形理论的Matlab程序然后将三维孔裂隙结构数据体导入其中计算各煤样的体积分形维数,定量的表征各煤样孔裂隙结构的复杂程度并通过孔裂隙结构参数分析及面孔隙率分析加以验证。基于CT三维重建得到的孔裂隙结构参数结合迂曲度分形数学模型求得迂曲度分形维数,分别研究了体积分形维数和迂曲度分形维数与孔隙率和渗透率的关系,定量的刻画了不同孔裂隙结构对煤体孔隙率和渗透率的影响。为了验证模拟数据的准确性,进行压汞实验,将得到的数据与模拟数据进行对比,结果表明模拟结果在合理的误差范围内,验证了数据的准确性。