基于X形真實裂隙通道的煤層瓦斯滲流模擬

蘇政睿，韋善陽,2

基于X形真實裂隙通道的煤層瓦斯滲流模擬

蘇政睿1，韋善陽1,2

(1. 貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州大學 貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

使用常規X射線或CT掃描進行圖像處理，研究裂隙結構時，主裂隙不易提取，其特征不明顯，不能直接反映主裂隙構造與流體速度關系。運用高清相機拍攝井下煤壁X形真實裂隙進行數字化處理，并運用AutoCAD軟件提取裂隙特征，將圖片矢量化導入Comsol Mutiphysics仿真模擬軟件進行計算，模擬得到瓦斯分布壓力場和滲流速度場云圖。結果表明：含X形裂隙煤樣中，瓦斯自入口開始，滲流壓力從左至右遞減，裂隙通道內瓦斯壓力均勻分布，是一段壓力緩沖區；非裂隙區滲流速度場分布不均勻，X形裂隙支流處較匯流處瓦斯滲流更為活躍，瓦斯的流向和裂隙走向的夾角對滲流速度有明顯的影響，瓦斯自下邊界流入時的最大滲流速度是自左邊界流入的29.5倍；裂隙通道內的滲流速度與裂隙的尺度成單調遞減對數函數關系，裂縫尺度越大，達西滲流速度越低，當裂隙尺度為0.68~1.23 mm時對滲流速度影響最明顯。研究成果可直觀地了解煤裂隙內瓦斯滲流特征。

X形裂隙；瓦斯滲流；數值模擬；數字圖像識別；裂隙通道

煤儲層裂隙是瓦斯運移和儲集的主要通道，所以其幾何特征與滲流作用之間的相互影響對于瓦斯抽采有重要影響[1-2]。當前國內已有大量學者綜合各類常規和非常規的技術對煤儲層孔裂隙進行精細化和微觀化的定量表征，如使用CT掃描以及X光研究裂隙的主要發育方向[3-4]、寬度[5-6]、長度[7]、傾角[8-9]對煤體滲流造成的影響：同時也有學者運用三維分形模型[10-11]、Boltzmann方法[12]、BBM-DEM模型[13]、LBM模擬[14]、Multiphysics[15-16]等手段研究煤體的滲流特征。這些研究表明，煤層中的裂隙網絡是影響煤層滲透率的重要因素，煤層中的裂隙網絡分布由若干細小的裂隙通道組成，瓦斯沿煤層走向流動時，會在裂隙處產生裂隙流，并在裂隙通道內形成速度不均勻的達西滲流場。因此，不考慮裂隙網絡的滲流模擬研究將與實際產生一定偏差。裂隙網絡[17]是一種分布雜亂的非均質結構，用傳統的測量手段和統計方法很難真實準確地反映裂隙的分布規律和物理參數，需要借助圖像數字識別的方法來提取巖體中裂隙特征和結構。學者[18-19]基于數字圖像識別，結合模擬軟件對瓦斯的滲流規律做出研究，其中存在的問題是CT和X光難以對圖像進行后處理，并單獨提取主干裂隙的特征，這導致很多次生的微小裂隙同時出現在畫面中，致使在數值模擬運算中難以設置邊界條件和網格，嚴重影響工程單元的計算量與計算時間，甚至部分復雜裂隙網格無法進行有限元計算。采用CT掃描及X光等技術采集的巖體圖像的另一個缺點是，這類圖像以灰度信息為主[20]，裂隙區域的灰度和鄰近背景區域灰度接近，造成裂隙識別難度較大。

基于前人的研究基礎和現存不足，筆者利用高清相機拍攝煤壁裂隙，通過AutoCAD軟件對X形裂隙的主要裂隙特征和結構后處理，提取并轉化為矢量圖片，并與有限元計算相結合，準確反映主干裂隙通道的分布情況，在弱化消除次生裂隙的幾何影響下，節省多物理場耦合模型軟件的計算量，可較真實反映瓦斯在裂隙中的流動規律，進一步研究宏觀裂隙尺度與滲流速度相關性，以期為瓦斯抽采實踐提供基礎理論依據。

1 仿真模擬與圖像采集

1.1 模擬條件

運用Comsol Mutiphysics多物理場耦合模型軟件進行仿真模擬時，無法與真實環境做到完全匹配，所以需要設定合理的條件讓模型貼近真實并且便于計算和模擬。參考文獻[21]并結合井下實際情況，構建模型時假設條件為：煤體為裂隙域和非裂隙域，且在各區域內，煤體為非均質連續介質；模型中瓦斯從左邊界進入，從右邊界流出；不考慮裂隙中的流固耦合，即瓦斯流動對裂隙造成的形變；瓦斯流動時整體溫度不變，煤體裂隙內各向同性；瓦斯在煤裂隙中流動遵循達西滲流理論[22]。

1.2 圖像處理

煤樣圖片采集設備為ZHS2400礦用本安型防爆數碼單反照相機，配備防爆閃光燈，ISO的感光度為100~12 800，自帶鏡頭為18~55 mm標準的變焦鏡頭。

圖1為使用防爆照相機在某礦井下拍攝的真實裂隙照片，照片取材于14采區12號煤層，該煤層測定瓦斯壓力為1.44 MPa。拍攝時相機調整曝光度為9 800。選取有代表性的X形裂隙位置進行拍攝，相機的有效像素為2 470萬。

圖1 裂隙高清照片

圖2為實物處理后數字圖像，提取出圖1中清晰的X形主裂隙，并將該裂隙轉換為矢量圖片，以便于在模擬軟件中建模，數字圖片處理步驟如下。

運用Windows照片編輯功能對原始的高清裂隙圖片進行預處理，將X形裂隙放大為圖片中心，設置圖片亮度為85，顏色23，暈影13，清晰度為100。去除圖片噪聲后保存副本。

打開AutoCAD軟件，將處理好的圖像以光柵格式插入，運用多段線對圖像邊界進行擬合提取特征，主要保留主裂隙區域的邊界曲線，省略微小的次生裂隙。

擬合完成后，用圖片轉換軟件轉為矢量格式，保存為DXF的格式并導入Comsol Mutiphysics多物理場耦合模型軟件。

圖2 AutoCAD提取特征曲線擬合的重構裂隙

2 數值模擬

2.1 模型建立

將數字圖像處理后的真實裂隙導入模擬軟件中，設置修復容差后重構裂隙，模型如圖3所示，由圖中可知，裂隙模型被分成網格化形式，每個格子內的邊長為2 mm，其中裂隙所在煤樣面積為4 532 mm2。

圖3 裂隙模型

使用數值模擬軟件多物理場耦合模型中達西定律模塊中的裂隙流進行計算，其適應條件是巖土達西滲流定律。裂隙處的邊界設置為裂隙流，模型上下邊界均為無流體流動的壁面無位移邊界，參考文獻[19]、文獻[22]設置計算邊界和參數(表1)。與前人參數設置不同的是，本次設置了初始壓力0.1 MPa和考慮實際井下瓦斯壓力1.44 MPa；另外，在煤層右邊界設置流出速度為一個隨時間遞減的函數，設置研究模型為瞬態研究，時步為10 s，整個過程共1 000 s。

表1 數值模擬計算參數設置

2.2 模擬結果與分析

2.2.1 瓦斯壓力分布模擬分析

圖4為模擬瓦斯自左邊界進入，流經裂隙區域B，最后從右邊界流出過程中瓦斯壓力的變化過程。由圖中可知，裂隙區域B和非裂隙區域A、C中，瓦斯壓力分布不同，總體上從左往右瓦斯壓力呈單調遞減的變化狀態。當初始瓦斯壓力為0.1 MPa時(圖4a)，左邊界入口處最大瓦斯壓力為0.1 MPa，右邊界出口處最小瓦斯壓力為0.05 MPa。在裂隙區域B內，瓦斯壓力的變化范圍在0.075~0.080 MPa；當初始瓦斯壓力為1.44 MPa時(圖4b)，左邊界入口處最大瓦斯壓力為1.44 MPa，右邊界出口處最小瓦斯壓力為0.44 MPa，裂隙區域B內瓦斯壓力為0.9~1.0 MPa。對比圖4a和圖4b可知，不同初始瓦斯壓力設置并未對整個模擬煤樣中的瓦斯壓力分布產生影響，這與文獻[22]得出的結論一致。

圖4 瓦斯壓力分布云圖(t=1 000 s)

為了直觀地對比在同一個煤樣中，有裂隙區域與無裂隙區域中流體的瓦斯壓力隨時間的變化趨勢，繪制了圖5。

如圖5中顯示，在250 s時，A、B、C 3個區域之間的瓦斯壓力梯度不明顯，瓦斯壓力最高處與最低處僅差0.2 MPa。以250 s為間隔，當計算達到1 000 s時可以觀察到A、C區域的瓦斯壓力梯度明顯增大，瓦斯壓力最高處與最低處相差1 MPa，瓦斯壓力高度圖的坡度變陡；裂隙區域B處的瓦斯壓力在不同時刻均處于同一高度，瓦斯壓力分布均勻，高度從1.3 MPa下降到1.0 MPa，這與文獻[23]得出的“裂隙剖面上瓦斯壓力近乎不變”相一致。

圖5 1.44 MPa瓦斯壓力下不同時刻的壓力高度圖

圖5表明，裂隙區域B對瓦斯壓力的變化有抑制作用，區域A、C瓦斯壓力隨時間變化較明顯，造成這個現象的原因為：B區裂隙通道中的空隙明顯大于非裂隙區域處，流體的容積增大，壓力梯度變小，且裂隙走向與瓦斯流入的方向呈夾角相交，受煤體構造影響，瓦斯壓力在此處的變化并不明顯；A區瓦斯壓力變化是受其右邊界接壤裂隙影響，瓦斯流入裂隙中，造成泄壓，瓦斯壓力明顯降低；C區域臨近瓦斯的出口，是3個區域中瓦斯壓力變化最明顯的區域，由圖4也可看到右側出口處的煤樣寬度小于左側入口處，瓦斯壓力在更小的“管徑”中會產生更大壓力梯度，導致C區瓦斯壓力變化略高于A區。

2.2.2 滲流場分布模擬分析

圖6模擬了0.1 MPa和1.44 MPa兩種壓力下瓦斯自左邊界進入，流經裂隙區域B，最后從右邊界流出過程中達西速度場的演變過程，圖7模擬了1.44 MPa下瓦斯自左邊界進入和自下邊界進入的達西速度場，顯示在同一裂隙通道內支流處的速度場分布與匯流處速度場的分布對比，模擬了裂隙通道中瓦斯流向與裂隙走向的關系對滲流場的影響。圖8直觀地對比瓦斯從不同邊界流入的最大滲流速度隨時間的變化情況。

如圖6所示，瓦斯在裂隙區域內外的流動規律為：非裂隙區域處的流場分布均勻，方向由左往右，流速大小分布對稱，滲流速度最大值出現在兩處紅色圓圈標記區域，其中，左上角滲流活躍區域是瓦斯入口處與裂隙最近區域，流體從此處進入裂隙路程最短，動能消耗最少；右下角滲流活躍區域處離瓦斯出口最近，速度場分布是周圍流域的最大值。

圖6 不同初始壓力條件下瓦斯壓力達西速度場(t=1 000 s)

不同初始瓦斯壓力只影響滲流速度的大小，并未改變整個煤樣內的滲流分布。被裂隙通道包圍的區域D，是整個瓦斯滲流速度場中數值最小區域。由于煤體屬于雙重孔隙介質系統，裂隙通道處孔隙率小，滲透率大，D區域煤的孔隙率大滲透率小，瓦斯在裂隙通道內流動的阻力小于進入D區域的阻力。

設置瓦斯分別從左邊界和從下邊界流入，截取裂隙通道處模型，計算兩種條件下瓦斯滲流速度，如圖7和圖8所示，由圖中可以看出：

注：線上箭頭表示達西速度場；初始壓力pi=1.44 MPa；時間t=1 000 s

當瓦斯自左邊界流入，X形相交處F區域為裂隙通道內的匯流處，達西速度小于各支流。區域①—④屬于裂隙網絡中的優勢水力路徑，入口出口對應圖6中紅圈標記位置，線上達西箭頭密集于這條路徑；在支流E區域處發生部分逆流，且達西滲流場最為活躍，這說明在匯流處各支流相遇后動能產生消耗，不同方向的速度分量相互抵消，方向速度場較大的支流②在匯集后于另一支流③處產生逆流。

當瓦斯自下邊界流入，滲流場分布均勻，各支流內達西速度場箭頭指向順沿裂隙走向，滲流活躍區集中在支流匯入中心前的一段路徑；滲流速度較瓦斯自左側流入有明顯增大，圖中黑色箭頭代表瓦斯流向，瓦斯流向與裂隙走向夾角越小，滲流速度越大，當計算進行到1 000 s時，自下邊界流入時最大滲流速度是自左邊界流入的29.5倍。

圖8 不同邊界流入最大瓦斯滲流速度隨時間變化

為了直觀地對比不同裂隙尺度對達西速度場的影響，以1.44 MPa初始瓦斯壓力為例，從數據庫中導出支流②中(圖7)裂隙尺度位置坐標點(圖9)，并導出各點滲流速度數據繪制成散點圖(圖10)。

圖9 支流處裂隙測點及位置坐標

由圖10可得，對比不同方向流入瓦斯的擬合曲線，滲流速度隨裂縫尺度單調遞減；裂隙尺度為0.68~1.23 mm時，滲流速度變化最為明顯；裂隙尺度在2.74~3.23 mm范圍時，對滲流速度的影響降到最低。每個尺度之間相差0.5 mm左右，且在同一通道內，滲透率相差微小，滲流速度與裂隙尺度大小成反比。王錄合等[23]研究得出，巖石裂隙中的滲流場分布不均，滲流活躍的通道主要為裂隙串通的通道，在單個裂隙中，寬度較窄的裂隙中流速較高且單個裂隙中測點的滲流速度與測點距壁面的距離符合二次函數關系。這與本文模擬實驗得到的認識一致。

圖10 滲流速度隨裂隙寬度變化(橫軸各點位置見圖9)

3 結論

a. 含有X形裂隙的煤樣區域內，自左至右瓦斯壓力單調遞減，裂隙區域內是煤層壓力分布的一段緩沖區，且瓦斯壓力梯度最小。X裂隙叉形交匯右邊界處瓦斯壓力變化顯著。

b. 瓦斯自左邊界流入時，X裂隙叉形交匯點上下區域內達西滲流場速度最小，裂隙通道內形成支流與匯流區，支流處比匯流區的達西滲流場活躍，當某支流在縱向上的速度分量大于另一處支流時，會發生逆流現象。

c.對于X形裂隙，當瓦斯自下邊界流入煤樣時，其滲流速度明顯大于自左邊界流入，且所有支流內速度場方向順沿裂隙走向，在計算進行至1 000 s時下邊界流入時的最大滲流速度是左邊界流入的29.5倍。

d.滲流速度和裂隙尺度成單調遞減函數關系，裂縫尺度越大，達西滲流速度越低。瓦斯滲流速度與尺度成對數關系，擬合度較高。

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X-shaped real fracture channels-based simulation of coal seam gas seepage

SU Zhengrui1, WEI Shanyang1,2

(1. Mining College, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Non-metallic Mineral Resources in Guizhou Province, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

In theudy of fracture structure, the image processing with conventional X-ray or CT scanning will be accompanied by a large number of secondary fractures, and the main fracture characteristics are not obvious, which can not directly reflect the relationship between fracture structure and fluid velocity. High definition camera is used to take X-shaped real cracks in coal wall for digital processing, and the characteristics of fractures are extracted by CAD software, and the images are vectorized into the model, the distribution nephogram of seepage velocity field and seepage pressure field is obtained by simulating software. The results show that from the entrance, the seepage pressure decreases from the left to the right, are evenly distributed in the fracture channels, the fracture area fully releases the pressure, which is a pressure buffer zone; the distribution of seepage velocity field in the rock mass is uneven, the seepage in the tributary area is more active than that in the confluence area, and the angle between the gas flow direction and the fracture direction has obvious influence on the seepage velocity. The maximum seepage velocity of gas in the same flow direction is 29.5 times. There is a logarithmic function relationship between the seepage velocity in the fracture channel and the fracture size. When the fracture size is 0.68-1.23 mm, the seepage velocity is most obvious. The research results could be used to understand the characteristic of gas seepage flow in coal fractures intuitively.

X shape crack; gas seepage; numerical simulation; digital image recognition; slit channel

請聽作者語音介紹創新技術成果等信息，歡迎與作者進行交流

TD163

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.015

1001-1986(2020)06-0109-07

2020-07-13；

2020-10-22

貴州省科技計劃項目(黔科合支撐[2019]2887號)

Science and Technology Program of Guizhou Province(Qiankehezhicheng[2019]2887)

蘇政睿，1997年生，男，云南昆明人，碩士研究生，專業為礦業工程. E-mail：2658582981@qq.com

蘇政睿，韋善陽. 基于X形真實裂隙通道的煤層瓦斯滲流模擬[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(6)：109–115.

SU Zhengrui，WEI Shanyang.X-shaped real fracture channels-based simulation of coal seam gas seepage[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：109–115.

(責任編輯 范章群)