煤体微观三维重构及其渗流特征

第1章 绪论 1.1 概述 煤炭是我国*重要的能源，蕴藏量居世界第三位。近年来中国在世界煤炭产量中的占比接近50%，中国煤炭生产发生的变化也对世界煤炭产量产生了深刻影响。2016年，中国煤炭行业开始施行“供给侧结构性改革”，政策引导和市场出清“双管齐下”，落后产能加快退出，当年中国原煤产量为34.1亿t，同比下降9.07%，中国原煤产量的大幅度下降对世界煤炭产量产生了较大的影响。据国家统计局数据，2019年全国原煤产量为38.5亿t，同比增长4.0%，煤炭消费量同比增长1%。虽然*近几年世界煤炭产量出现了反弹，但大部分发达国家的煤炭需求实际上正在逐步下降。从世界煤炭的生产结构方面看，中国在世界煤炭产量中的占比基本维持稳定。图1-1为2012年以来我国的煤炭产量。2020年1～11月，生产原煤34.8亿t，同比增长0.4%。 图1-1 2012年以来我国的煤炭产量 我国不仅是煤炭生产和消费大国，同时也是世界上煤矿灾害严重、灾害多发的国家。有数据统计显示：我国煤与瓦斯突出矿井占矿井总数的44%，在2004～2015年，由瓦斯突出引起的各类事故约占煤矿总事故起数的11.2%，死亡人数占比约为29.7%；在此期间，冲击地压引起的顶板事故居高不下（事故起数占比为52.1%，死亡人数占比为36.5%），成为严重威胁煤矿安全开采的危险因素之一；而由煤矿生产中生成的粉尘颗粒引起的尘肺病例也有逐渐上升的趋势，截至2014年全国尘肺病累计发病75万余例，死亡15万例，近四年平均每年新发尘肺病人2万多例，平均每年死亡近700例。2012年以来煤矿事故起数、死亡人数和百万吨死亡率的变化趋势如图1-2所示。2019年各产煤地区、煤矿安全监管监察部门、煤矿企业强化红线意识，监管监察执法效能不断提高，防灾治灾能力不断提升，煤矿智能化建设不断加快，煤矿安全基础不断夯实。2019年全国煤矿发生死亡事故170起、死亡316人，分别下降24.1%和5.1%；继2018年百万吨死亡率首次降到0.1后，2019年继续下降10.8%，为0.083。尽管近年来煤矿安全生产成效明显，但2019年较大以上事故出现反弹，事故起数和死亡人数同比分别增加6起、54人。 图1-2 2012年以来煤矿事故起数、死亡人数和百万吨死亡率变化趋势 随着对煤炭需求的增加，浅层煤炭开采逐渐枯竭，而随着煤矿开采深度的增加，复杂的应力环境对于煤体结构所造成的影响更加突出，这也导致了针对煤体结构的应力特征研究越来越受到重视。而煤作为一种多孔介质岩石材料，其自身存在的孔隙、裂隙、层理等诸多类型的缺陷结构客观限制了对煤体复杂力学行为的认识。同时，不同的载荷加载方式（路径）也会引起煤体结构的变形特性、损伤演化规律及破坏状态等力学机理和力学响应方面的差异。因此，开展不同加载方式下含孔裂隙煤体结构的力学特征研究，对矿井开采及煤矿安全防治具有重要的意义。矿井采深的增加不仅会产生复杂的受力环境，同时也会引起煤与瓦斯突出危险性增加，而煤矿开采过程中存在的粉尘污染、冲击地压、煤与瓦斯突出等自然灾害愈发突出，危险程度不断升级。如何综合治理解决煤与瓦斯突出、冲击地压事故，并对工作面煤尘进行有效防控已成为当务之急。 煤层注水作为一种减小冲击地压、煤与瓦斯突出和自然发火灾害的有效手段，已被广泛应用于深部煤层生产中。煤层注水主要通过注水孔向煤体预注高压水，利用压力水对弱面的压裂、冲刷及楔入作用，使煤岩体扩大原有裂隙、产生次生裂隙。其不仅对降低采煤工作面粉尘浓度、减小粉尘对井下工人及作业场所的危害程度具有重要的意义，也对解决煤与瓦斯突出、冲击地压、自燃发火、煤体软化等矿井实际生产问题起到积极的促进作用。然而，煤层注水是一项受众多因素耦合作用的复杂工程，其作用效果往往受到工程地质、水文地质、流体和岩体力学性质及工程扰动条件等复杂因素的影响。从微观层面上来说，煤体自身的孔裂隙特征、物理力学性质等因素直接影响了煤层注水的实际效果和经济效益，同时，随着煤炭资源开采深度的逐年增加，高地应力、高地温、高瓦斯、高岩溶水压等深部地质环境通过影响成煤过程中孔裂隙的演变及开采扰动下煤体孔裂隙的扩展发育，间接影响了注水过程中孔裂隙结构流体的运移流动规律。在目前没有完全明确微观注水渗流机理的情况下，深入研究应力-渗流耦合作用下煤体渗透演化规律及其损伤机理具有十分重要的意义。因此，以含孔裂隙结构的煤体模型为基础，研究流固耦合条件下流体的运移分布规律，对煤层注水工程具有重要的理论意义和应用价值。 随着计算机技术的飞速发展及计算机层析（CT）技术在工程实际中的广泛使用，基于高分辨率的CT图像实现对煤体内部结构的重建已经成为可能，并且已经发展成为表征煤体孔裂隙结构的重要手段。CT技术不仅可以实现对煤体内部无损的检测，并能够借助三维重建软件对其内部结构进行重现，而且可以定量地获得煤体孔裂隙结构的微观参数，如孔径、孔体积、孔隙数量、孔隙率、渗透率等参数。在对煤体孔裂隙结构的量化研究过程中，许多专家和学者引入分形维数对其进行定量分析，而分形维数在研究多孔介质结构的过程中是不同于常规方法的一种新技术，其易于进行定量分析的特性使得众多学者应用其对多孔介质结构特征进行定量分析，故将其应用于煤体结构的研究中能够更准确地对煤储层进行评价及量化分析。目前有众多学者的研究对预防煤层开采灾害起到了积极促进作用，且发表了大量关于煤层开采方面的论文，其作者的高被引分析结果如图1-3所示。 1.2 基于CT扫描的数字岩心技术研究进展及评述 由于多数的煤深埋于地下，通过观察法和实地探测法进行研究的难度较大，因此研究人员多借助实验方法来研究煤体的微观结构。常规实验方法主要有压汞 图1-3 煤层开采发文作者的高被引分析 法[MIP]、低温氮气吸附法、扫描电镜（SEM）切片法、核磁共振法（NMR）和计算机断层技术（CT）。CT法与其他方法相比，不仅可以获得表征煤体结构的参数，还可以在对煤体破坏尽可能小的情况下定量表征煤体的微观孔隙结构，建立可视化的物理模型。 在对煤的微观研究中，CT技术主要用3D表征煤体的孔、裂隙，如煤层的割理及孔径间距、构造煤渗流孔、煤体内矿物的赋存特征等。Simons等[1]使用CT重建技术与彩色图像分析技术对煤体进行了定量表征，表征精度约为53μm。Coles等[2]利用LBM方法模拟研究了孔隙介质多相流，对砂岩表征的精度达到了30μm。硬件的改善逐渐提高了3D表征的效果，Van等[3]设计开发了微焦点CT装置，其*小观测精度可达0.35μm，赵阳升等[4]使用的μCT225kVFCB型高精度显微CT系统可分辨1～2μm的孔隙和1μm宽的裂缝。其他研究人员通过CT研究了煤体的受载破碎过程，Nie等[5]通过设计开发的CT系统研究了细观尺度下的煤体破裂过程。Li等[6]通过CT技术研究了煤体结构对煤体物理性质的影响，并随压力升高将煤体结构的变化划分了5个阶段。 此外，对于煤体瓦斯的吸附与运移过程，Karacan和Okandan[7]通过定量CT技术进行了相应的研究，He等[8]则通过煤样单轴压缩后的可视化孔隙及细观裂隙，进一步研究了煤与瓦斯耦合的作用机制。研究人员也通过CT技术对煤体的热破裂规律进行了探索，分析了次烟煤热干燥时的煤体孔隙空间的变化[9]、定量评价了煤热解时各影响因素的影响程度[10]、对瘦煤内部的热破裂过程进行了观测和分析，并得出热破裂发生的阈值温度[11]。其他研究手段的加入弥补了CT研究的不足，Cai等[12]通过CT重建技术并结合声发射和超声技术研究了煤体在三轴加载时煤体破坏产生的裂隙及其对煤体渗透系数的影响。 目前，CT扫描技术已广泛应用于各个领域的研究中。通过统计发文机构与合作分析，得到中国矿业大学、中国矿业大学（北京）、中国科学院和山东科技大学等高校及机构利用CT扫描技术对煤岩体的研究较多，如图1-4所示。通过绘制的机构合作分布，可见国际机构之间也维持着较多的学术合作，且我国科研机构是全球该领域研究的重要力量。 图1-4 CT技术在煤岩体中应用的发文机构与合作分析 1.3 煤体孔裂隙结构的国内外研究现状 煤岩储层是一种具有双重孔隙结构的岩石，其双重孔隙系统可以划分为基质孔隙和裂隙。在煤基质中的微孔隙称为基质孔隙，该类孔隙是煤层气的主要储集场所；煤岩裂隙按构造可分为内生裂隙和外生裂隙两种类型。外生裂隙主要由构造应力引起，内生裂隙则形成于煤化过程。煤层气的主要渗流通道为裂隙，不同的裂隙影响着煤层气的储集和渗流。另外，许多宏观的物理和化学参数，如密度和煤岩强度，都与煤的孔裂隙结构有着密不可分的联系。 煤体孔裂隙结构的研究主要是通过对孔裂隙参数中的孔径大小、分布及孔隙率和渗透率等信息进行分析，从而达到对孔裂隙结构表征的目的。目前，煤体孔裂隙结构的表征有很多种方法，其中密度计算法只能得到孔隙率，传统的氮气吸附法及压汞法等可获得煤体的孔径大小、孔体积及比表面积等孔隙信息，但在实验过程中会对煤体孔裂隙结构造成一定的破坏。后续利用纳米CT、扫描电镜等高分辨率设备来表征孔裂隙的方法，不仅能无损地观测到煤体孔裂隙结构，而且在CT方面还可以通过三维重建孔裂隙模型进一步对煤体从三维的层面来分析煤体结构。此外，煤体孔裂隙结构的复杂程度还可以通过分形维数进行定量表征，这对研究煤体孔裂隙结构具有不可忽视的作用。 煤体孔裂隙结构的研究方法可分为观察描述法和物理测试法，其中观察描述法主要包括宏观描述法和光学显微描述法。宏观描述法主要选择具有代表性的原生样品对其裂隙类型、走向、倾角等参数进行描述，记录裂隙充填矿物及程度、连通性等作为宏观裂隙的统计结果。煤岩孔裂隙结构在光学显微镜下的描述法是借助光学镜测试技术，利用了不同组分对光的反射及吸收能力的差异，从而经人的眼睛及大脑神经系统转化为电信号产生差异性，以此获得样品孔裂隙结构信息并进行研究分析[13]。物理测试法包括密度计算法、氮气吸附法、压汞法、扫描电镜法、小角X射线散射、透射电子显微镜、核磁共振法、计算机层析技术（CT）等。赵虹等[14]通过低温氮吸附法研究褐煤的孔隙分布及吸附特征，实验测得的*小孔径可达0.43nm。杨峰等[15]通过氮气吸附实验研究页岩的孔隙结构，得到其孔径分布、孔体积等孔隙信息。Zhou[16]等通过压汞法得到了孔尺寸的体积分布，并利用分形维数的几何模型表征孔隙的非均质性。Zhao[17]等利用氮气等温线吸附/脱附实验研究煤体孔隙特征及分形维数的变化。Cai等[18]基于MIP和氮气吸附/脱附实验，建立了孔隙度/孔径分布与基质压缩系数的数学模型。Yuan等[19]使用核磁共振技术分析了煤阶、润湿性和微裂隙等因素对煤的自吸能力的影响。Li和Liu等[20，21]利用多种方法研究了孔隙大小及分布等几何特征，并推导了分形维数的公式。何雨丹等[22，23]提出通过核磁共振实验中的自由水T2分布构造毛管的压力曲线来消除薄膜束缚水对分布的影响，改进了通过核磁共振分布来研究孔隙结构的理论和方法。 目前，利用CT扫描技术对于煤体孔裂隙的可视化研究已成为一个主流方法，通过绘制作者合作网络分析图谱，可以看到程远平、刘世民、刘大猛等众多学者在该领域做了大量研究，如图1-5所示。