摘要
煤作为一种多孔介质，其内部的孔裂隙结构错综复杂，非均质性和各向异性较强，进而导致流体在煤内部的储存和运移机理不明确。且随着煤矿开采深度的增加，地层温度和压力上升，在复杂环境下煤体结构和流体的渗流-传热规律更加复杂，采用合理的研究手段对煤体结构进行表征，并对温度和压力条件下复杂孔裂隙结构内的变形和流体渗流-传热特性进行研究具有重要的科学意义。但在目前的煤体微观孔裂隙结构研究领域内存在两大难点：一是煤体微观孔裂隙结构的定量表征性差，且孔裂隙结构参数之间的关系难以描述；二是在温度和压力条件下煤体复杂孔裂隙结构内的变形和渗流-传热机理复杂，加大了煤层气开发和煤层注水的难度。对此，本文从以下三个方面展开研究： (1)基于CT三维重构技术可视化煤体微观结构，获取孔隙率、连通性等参数。并引入分形理论定量表征煤体结构的复杂程度，结合流体仿真模拟技术，分析复杂孔裂隙结构内的渗流特性，揭示分形维数与孔隙率、渗透率和连通性的关系。结果表明：煤体孔隙相结构的分形维数能够合理描述煤体的分形特征；分形维数与孔隙率的关系可用单调递增的幂函数表示，分形维数越大，煤样的孔隙率越大；连通孔隙分形维数与连通性和绝对渗透率呈负相关关系，其关系可分别用二次函数和单调递减的幂函数表示。 (2)为研究温度-压力条件下的煤体结构变形特征，依次构建6个不同的煤体结构模型，采用计盒算法分别计算煤体孔裂隙结构以及不同孔径范围内孔隙团的分形维数，分析不同孔径范围内孔隙的分形特征。并基于煤结构模型构建温度-压力作用下的线弹性变形模型，研究孔隙率和分形维数与模型变形量的关系。研究结果表明：随着孔径的增加，孔隙数量减少，在各个孔径分布范围内孔隙体积分数与分形维数的变化具有一致性。在温度-压力条件下模型孔隙率和分形维数均与变形量呈现出二次函数关系。三维模型总体以及二维截面的变形分析中均显示随着孔隙率和分形维数增加，模型变形量呈现先降低后升高的趋势，低分形维数和高孔隙率均会导致模型变形增加。 (3)针对高温煤体内部的渗流-传热问题，利用CT三维重构的煤体骨架模型和孔裂隙结构模型开展流-固共轭传热模拟。并且考虑到不同孔裂隙结构内的渗流和传热特性存在差异，依次构建6个模型开展传热模拟，结合分形维数和孔隙率分析不同结构煤体在高温下的渗流-传热规律。孔裂隙结构对于流体流动和温度的分布有重要的影响，在主渗流通道内，截面连通孔隙率大，则流动速度慢，流体升温快，固体温度下降；反之，则流动速度快，流体升温变缓，固体温度回升。在所研究模型中，随着孔隙率的增加，分形维数变大，孔裂隙结构复杂，导致模型的渗透率降低，流体将被充分加热，使其在出口处温度较高。 本文阐明了分形维数与孔裂隙结构参数之间的关系，实现了温度和压力作用下煤体结构和渗流-传热特性的模拟研究，揭示了分形维数与结构变形和渗流-传热的关系。研究成果对于深部煤层气资源的开发以及煤层注水具有一定的理论指导意义。
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