基于温度、应力变化效应的煤岩体渗透率演化规律研究

发布时间：2020-10-23 09:28

　　 本文以河南省平顶山天安煤业股份有限公司十矿正在掘进开采的工作面煤岩体样品为研究对象,从煤体孔隙、裂隙等微观结构着手,探究温度及有效应力,尤其是温度对煤岩体渗透率的影响规律。笔者前期分别进行了不同温度、有效应力下型煤样品的渗透率测定试验和在线加热、同步观测原煤样品微观结构演变的偏光显微镜试验。然后利用SEM扫描观测该煤矿工作面煤样的微观形貌,并对扫描图像进行有效分割,通过与不同分割算法(直方图分割、K-均值聚类分割、K-均值聚类结合闭运算、K-均值聚类结合先闭后开运算等算法)作对比试验,探究得到一种更为优越的分割算法——K-均值聚类结合数学形态学中的先开后闭算法,便于对微观扫描图像进行更为精准地分割及定量分析,最终得到不同温度、有效应力下煤岩渗透率变化的内在原因,旨在为今后研究煤岩体微观结构及微观渗透率变化,煤层气开采及运移规律提供新思路。试验结果显示:(1)煤岩渗透率随温度升高呈先增后减趋势。温度升高,煤样整体向外膨胀,渗流通道增大且增多,渗透率增大;温度继续升高,固体颗粒持续膨胀,孔、裂隙不再扩张,导致孔、裂隙占有率下降,渗流通道减小,渗透率降低;60℃后,随温度升高渗透率趋于平缓。(2)煤岩渗透率随围压增大呈单减趋势。初始加载应力下,煤体渗流通道快速减小,渗透率降低;中间由应力场引起的固体颗粒扩张弱于温度场引起的煤样整体扩张,渗透率平稳或局部回增,之后缓慢减小,直至趋于平缓。(3)从微观形貌角度较好地验证了煤岩渗透率随温度持续升高的变化机制。观测发现,温度升高,煤样孔、裂隙先扩张,渗流通道扩大,导致升温前期渗透率快速增大;60℃后,孔、裂隙受挤压减小,导致渗透率降低。渗透率实测曲线与微观研究存在较高契合度。(4)利用K-均值聚类数学形态学中先开后闭滤波运算,对SEM扫描得到的灰度区域不明显的微观图像进行有效分割,并验证本文算法的精确性。开运算能消除图像分割后区域内形成的孔噪声,闭运算能填平物体内细小孔洞,连接相邻区域,去除图像中点噪声,确保SEM扫描图像分割形状不变的前提下尽可能消除噪声引发的影响。(5)利用K-均值聚类数学形态学中先开后闭滤波运算,从局部扫描图像面孔率着手,更进一步验证温度对渗透率的影响。20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、160℃、200℃、240℃时的面孔率依次为4%、5%、7%、6%、4%、3%、2%、2%。这些数值构成的曲线走势与渗透率随温度变化趋势基本保持吻合。
【学位单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD712
【部分图文】：

发射环境扫描电子显微镜（图2.3），该显微镜分辨率如下：高真空模式3.0nm@30kV，8nm@3kV；高真空减速模式7nm@3kV（可选项）；低真空模式3.0nm@30kV ， 10nm@3kV ； 环 境 真 空 模 式 3.0nm@30kV ； 背 散 射 电 子4.0nm@30kV，能谱分辨率优于132eV。QUANTA200型SEM显微镜除了不仅可以在高真空状态下对样品表面形貌进行成像，还可以在低真空模式（15Pa~130Pa）和环境状态模式（130Pa~2600Pa）下直接观察样品，且其样品室大，且工作距离大，能够更加有效地观察大块样品和磁性材料。该型号的SEM除样品室压力最高可达2600Pa，加速电压范围为200V~30kV。FEI ESEM在环境扫描模式下，探测器为8/16bitSSD，视域能够达到3584×3094像素，能够单帧或四幅图像显示，支持TIF8位或者16位、BMP、JEGP图像格式。

聚光器则主要由聚光镜和光圈组成，聚光镜起到凸透镜的作用，能够会聚光线，主要用来增强标本的照明，光圈由十几张金属薄片组成，用于调节光强度，同时使聚光镜的数值孔径与物镜的数值孔径和相匹配。本次试验所采用的光学显微镜为OLYMPUS的BX52TF显微镜（图2.4），并将加热台与该显微镜连接进行试验研究。显微镜内置透射科勒照明系统，采用12V，100W卤素灯泡（预先对中）12V100WHAL，光强电压范围：直流不高于1.0V到12.0V（连续），额定电压：100-120/220-240V、1.8/0.8A，、50/60Hz，额定功率为140W。通过滚轴导轨改变载物台高度来聚焦，总行程范围为25mm，视场数为22~26.5，镜筒倾斜度能达到30°；载物台移动范围：垂直方向52mm，水平方向76毫米。本文试验放大倍数为500倍，加热台采用5℃/min的升温速率，温控精度为±0.1℃。

25（e）制备好的型煤样品图3.1 型煤样品制备3.2 煤岩渗透率试验研究3.2.1 试验设备渗流试验仪器采用河南理工大学煤储层实验室的储层渗透性动态伤害评价系统实验机，该实验系统主要由储层渗透性动态伤害评价系统、环压跟踪泵（KDHB-60）、气体供给系统以及恒温箱（KDCT-Ⅲ）三部分组成，气体供给系统又包含高压氮气罐、减压阀、压力表以及一些导管等。实验参数主要有：岩心直径，单位CM；岩心长度，单位CM；气体粘度，单位mpa．s，由于实验所采用的是N2，所以气体粘度在此处为定值0.01758mpa．s
【参考文献】

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本文编号：2852852