本书基于CT三维重建和数值模拟，提供了一种探索微细观尺度下煤体结构特征及渗流规律的方法。主要内容包括CT三维重建方法、煤体孔裂隙结构的定量表征、瓦斯渗流模拟和注水渗流模拟、人造孔裂隙模型、应力-渗流耦合特性、流固共轭传热模拟及热变形机理、温-压耦合条件下的变形特征等。
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前言
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 基于CT扫描的数字岩心技术研究进展及评述 3
1.3 煤体孔裂隙结构的国内外研究现状 5
1.4 煤体渗流的国内外研究现状 7
1.5 研究内容和技术路线 9
参考文献 11
第2章 CT扫描技术的基本原理 14
2.1 概述 14
2.2 计算机断层扫描技术的基本原理 15
2.3 CT设备部件及功能 16
2.4 CT扫描的实验流程 17
2.5 小结与讨论 19
参考文献 20
第3章 煤体微观结构的三维重建 21
3.1 概述 21
3.2 CT图像降噪 22
3.3 图像阈值分割 24
3.4 表征单元体选取 29
3.5 煤体结构的三维重建 31
3.6 小结与讨论 31
参考文献 33
第4章 基于CT重建的煤体孔裂隙结构表征 34
4.1 概述 34
4.2 煤体孔裂隙结构的定性分析 35
4.2.1 基于灰度直方图的煤体结构分析 35
4.2.2 煤体三维孔裂隙结构的定性表征 37
4.3 煤体孔裂隙结构的定量分析 38
4.3.1 煤体孔裂隙结构的微观参数分析 38
4.3.2 孔隙网络模型的建立 42
4.4 煤体孔裂隙结构的分形几何概述 44
4.4.1 分形几何的基本概念及定义 44
4.4.2 分形维数的计算 46
4.5 孔裂隙结构和渗流参数与分形维数的关系 47
4.5.1 孔隙率与分形维数的关系 48
4.5.2 连通性与分形维数的关系 53
4.5.3 渗透率与分形维数的关系 56
4.6 小结与讨论 59
参考文献 60
第5章 煤体微观结构的瓦斯渗流模拟 62
5.1 概述 62
5.2 瓦斯流动速度参数辨析 63
5.3 瓦斯渗流参数提取 64
5.4 非达西渗流影响因素的分析 68
5.4.1 有效孔隙率对非达西渗流的影响 68
5.4.2 渗透率与非达西系数对非达西渗流的影响 69
5.5 煤体非达西系数经验公式优选 70
5.6 小结与讨论 73
参考文献 74
第6章 煤体微观结构的注水渗流模拟 75
6.1 概述 75
6.2 扫描实验及三维重建 76
6.3 流固耦合模拟设置 77
6.3.1 流固耦合模型 77
6.3.2 单元格算法 77
6.3.3 材料属性 78
6.3.4 模拟方案 79
6.4 注水渗流模拟结果分析 79
6.4.1 渗流过程分析 79
6.4.2 初始流速对渗流的影响 81
6.4.3 压力梯度对渗流的影响 84
6.5 小结与讨论 85
参考文献 86
第7章 含人造裂隙的煤体三维重建及有限元模型的建立 88
7.1 概述 88
7.2 插值算法 89
7.3 含人造裂隙煤体的三维重建 91
7.4 含人造裂隙煤体有限元模型的建立 94
7.5 小结与讨论 100
参考文献 101
第8章 人造裂隙-死端孔隙结构的注水渗流特征 103
8.1 概述 103
8.2 煤样的选择与图片处理 104
8.3 基于人造孔隙技术的注水渗流模拟 105
8.3.1 人造孔隙技术 105
8.3.2 注水渗流模型 106
8.3.3 注水渗流模拟方案 106
8.4 渗流结果与分析 108
8.4.1 渗流分布特征 108
8.4.2 死端孔对渗流变化规律的影响 110
8.4.3 连通孔-裂隙-死端孔隙结构的渗流规律 114
8.5 小结与讨论 117
参考文献 118
第9章 基于煤体微观结构的应力-渗流耦合特性 120
9.1 概述 120
9.2 煤体应力加载模型的构建 121
9.3 煤体应力-渗流耦合模型的构建 122
9.4 载荷作用下煤体结构特征 124
9.4.1 煤体整体的应力、形变特征 124
9.4.2 煤体整体结构在不同加载速度、围压条件下的能量变化特征 126
9.4.3 煤体局部孔隙结构的应力特征 129
9.4.4 煤体局部孔隙、裂隙结构的应变特征 134
9.5 煤体的注水渗流特征 137
9.6 煤体结构的应力-渗流耦合特性研究 138
9.6.1 模型整体的不同形变程度对于渗流的影响 139
9.6.2 局部孔隙、裂隙结构形变程度对于渗流的影响 142
9.7 小结与讨论 145
参考文献 146
第10章 煤体微观结构的流固共轭传热和热变形模拟 147
10.1 概述 147
10.2 CT三维重建的传热和变形模型 148
10.2.1 流固共轭传热模型 148
10.2.2 热载荷作用下的骨架变形模型 149
10.3 共轭传热的模拟结果分析 150
10.4 煤体骨架热变形与孔裂隙结构的模拟结果分析 154
10.4.1 煤体骨架热变形 154
10.4.2 煤体孔裂隙结构的热变形 155
10.5 不同煤体微观结构的共轭传热和热变形特征分析 157
10.5.1 煤体微观孔裂隙结构的特征分析 158
10.5.2 温度作用下煤体不同孔裂隙结构的渗流特性 162
10.5.3 温度作用下煤体不同孔裂隙结构的变形特征 165
10.6 小结与讨论 168
参考文献 169
第11章 煤体温-压耦合下微观结构特性模拟 170
11.1 概述 170
11.2 实验和方法 171
11.3 煤体变形模型构建 172
11.3.1 原理介绍 173
11.3.2 几何模型构建 173
11.3.3 温-压耦合作用下的煤体变形模型 174
11.4 温-压耦合作用下的煤体结构特征分析 175
11.4.1 煤体结构的三维重构及分形特征 175
11.4.2 温-压耦合作用下煤体结构的特征 177
11.4.3 煤体内部微观孔裂隙结构的变形特征 180
11.5 小结与讨论 184
参考文献 184
第12章 煤体孔裂隙结构和渗流特性的综合表征方法 186
12.1 概述 186
12.2 CT实验及核磁共振实验 187
12.3 孔裂隙结构的可视化表征 189
12.3.1 孔裂隙结构的三维重建 189
12.3.2 饱水状态下的核磁成像 190
12.4 煤体结构的定量表征 191
12.4.1 CT三维重建的孔裂隙结构量化 192
12.4.2 NMR对孔隙结构参数的表征 194
12.4.3 孔隙率的综合表征 197
12.4.4 孔裂隙的连通性 199
12.5 基于核磁共振的影响煤体渗流因素的研究 203
12.5.1 不同注水时间下的渗流特性 203
12.5.2 注水压力对渗流特性的影响 206
12.6 小结与讨论 208
参考文献 209
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