多孔介质渗透率与分形维数相关性研究

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作为煤矿的灾变因素,瓦斯事故一直是瓦斯矿井的一种重大灾害和安全隐患。瓦斯灾害影响随开采深度的加深而增大。为了能够有效、可靠、有预见性的综合防治瓦斯灾害,需要准确把握住煤层瓦斯的基本情况,并掌握瓦斯在煤层中的赋存规律。煤层瓦斯参数测定是达到上述目的的基本途径。通过测定参数,可以确定煤层的渗透率,瓦斯含量、压力,煤的相关物理性质及煤的吸附瓦斯的一些特性。在确定了这些影响因素的基础上分析煤层瓦斯赋存规律、煤层瓦斯抽放可行性、确定瓦斯综合治理方案。  煤作为一种多孔介质具有分形结构特征,煤的分形维数是煤结构的重要参数,表征了煤孔隙结构的复杂与迂曲程度。本文通过编制分形维数的MATLAB程序算法,对二值化后的裂隙孔隙结构的SEM图片求算分形盒维数,研究孔隙结构的分形维数特征;并应用上述程序验证计算了两种具有严格自相似性的数学分形集Cantor三分集和Koch,发现本文所编程序计算的Cantor三分集和Koch曲线的盒维数值与理论值的误差值在允许范围内,验证了在实现分形图像的表面孔隙分形维数自动计算方面该程序的准确性。研究了瓦斯在孔隙尺度上在煤孔隙结构中的流动。采用格子Boltzmann方法,利用MATLAB语言开发程序模拟了流体(气体)在压力差作用下,在多孔介质孔隙通道中的渗流,获得了流体在孔隙通道内的详细流线图、速度矢量图以及压力分布图,解决了传统计算流体力学方法难以解决的问题;在压力梯度足够小的情况下,孔隙中的流体处于层流状态,符合达西定律。利用小压力梯度下的模拟结果计算出多孔介质的渗透率,并将模拟计算的渗透率与现场实测的煤样渗透率对照,发现程序计算的渗透率与现场实测值在误差允许范围内,验证了本文程序计算的渗透率的准确性,提供了一种新的求算多孔介质渗透率的方法。  孔隙结构的盒维数求算较为简单,而模拟渗透率的获得较为复杂。通过对规则几何形状裂隙、随机不规则几何形状裂隙以及真实岩石裂隙的模拟与计算,分别得到了所模拟裂隙的分形盒维数与渗透率。将获得的各组盒维数与渗透率进行数值拟合,求得了二者的相应关系式。把由盒维数通过经验公式预测的孔隙渗透率与实测渗透率对比,发现误差在允许范围内,公式预测渗透率有较高的准确性。结合某高瓦斯煤矿实际,使用预测的煤层渗透率求算钻孔瓦斯抽放量,并与实际检测的抽放量对比得出:现场实测得到的瓦斯流量绘制的曲线图和数值模拟预测得到的钻孔瓦斯流量曲线在数量级和曲线走向趋势上都是一致的,也符合钻孔瓦斯流量呈指数衰减的规律,说明钻孔瓦斯的流量可通过预测渗透率来求算,对工程实际应用有较大的可借鉴性,对工程瓦斯抽放的布置以及产能的预测提供了新的理论基础。
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