本文以河南省平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦正在掘進開采的工作面煤巖體樣品為研究對象,從煤體孔隙、裂隙等微觀結(jié)構(gòu)著手,探究溫度及有效應(yīng)力,尤其是溫度對煤巖體滲透率的影響規(guī)律。筆者前期分別進行了不同溫度、有效應(yīng)力下型煤樣品的滲透率測定試驗和在線加熱、同步觀測原煤樣品微觀結(jié)構(gòu)演變的偏光顯微鏡試驗。然后利用SEM掃描觀測該煤礦工作面煤樣的微觀形貌,并對掃描圖像進行有效分割,通過與不同分割算法(直方圖分割、K-均值聚類分割、K-均值聚類結(jié)合閉運算、K-均值聚類結(jié)合先閉后開運算等算法)作對比試驗,探究得到一種更為優(yōu)越的分割算法——K-均值聚類結(jié)合數(shù)學形態(tài)學中的先開后閉算法,便于對微觀掃描圖像進行更為精準地分割及定量分析,最終得到不同溫度、有效應(yīng)力下煤巖滲透率變化的內(nèi)在原因,旨在為今后研究煤巖體微觀結(jié)構(gòu)及微觀滲透率變化,煤層氣開采及運移規(guī)律提供新思路。試驗結(jié)果顯示:(1)煤巖滲透率隨溫度升高呈先增后減趨勢。溫度升高,煤樣整體向外膨脹,滲流通道增大且增多,滲透率增大;溫度繼續(xù)升高,固體顆粒持續(xù)膨脹,孔、裂隙不再擴張,導致孔、裂隙占有率下降,滲流通道減小,滲透率降低;60℃后,隨溫度升高滲透率趨于平緩。(2)煤巖滲透率隨圍壓增大呈單減趨勢。初始加載應(yīng)力下,煤體滲流通道快速減小,滲透率降低;中間由應(yīng)力場引起的固體顆粒擴張弱于溫度場引起的煤樣整體擴張,滲透率平穩(wěn)或局部回增,之后緩慢減小,直至趨于平緩。(3)從微觀形貌角度較好地驗證了煤巖滲透率隨溫度持續(xù)升高的變化機制。觀測發(fā)現(xiàn),溫度升高,煤樣孔、裂隙先擴張,滲流通道擴大,導致升溫前期滲透率快速增大;60℃后,孔、裂隙受擠壓減小,導致滲透率降低。滲透率實測曲線與微觀研究存在較高契合度。(4)利用K-均值聚類數(shù)學形態(tài)學中先開后閉濾波運算,對SEM掃描得到的灰度區(qū)域不明顯的微觀圖像進行有效分割,并驗證本文算法的精確性。開運算能消除圖像分割后區(qū)域內(nèi)形成的孔噪聲,閉運算能填平物體內(nèi)細小孔洞,連接相鄰區(qū)域,去除圖像中點噪聲,確保SEM掃描圖像分割形狀不變的前提下盡可能消除噪聲引發(fā)的影響。(5)利用K-均值聚類數(shù)學形態(tài)學中先開后閉濾波運算,從局部掃描圖像面孔率著手,更進一步驗證溫度對滲透率的影響。20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、160℃、200℃、240℃時的面孔率依次為4%、5%、7%、6%、4%、3%、2%、2%。這些數(shù)值構(gòu)成的曲線走勢與滲透率隨溫度變化趨勢基本保持吻合。
【學位單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TD712
【部分圖文】：

發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡（圖2.3），該顯微鏡分辨率如下：高真空模式3.0nm@30kV，8nm@3kV；高真空減速模式7nm@3kV（可選項）；低真空模式3.0nm@30kV ， 10nm@3kV ； 環(huán) 境 真 空 模 式 3.0nm@30kV ； 背 散 射 電 子4.0nm@30kV，能譜分辨率優(yōu)于132eV。QUANTA200型SEM顯微鏡除了不僅可以在高真空狀態(tài)下對樣品表面形貌進行成像，還可以在低真空模式（15Pa~130Pa）和環(huán)境狀態(tài)模式（130Pa~2600Pa）下直接觀察樣品，且其樣品室大，且工作距離大，能夠更加有效地觀察大塊樣品和磁性材料。該型號的SEM除樣品室壓力最高可達2600Pa，加速電壓范圍為200V~30kV。FEI ESEM在環(huán)境掃描模式下，探測器為8/16bitSSD，視域能夠達到3584×3094像素，能夠單幀或四幅圖像顯示，支持TIF8位或者16位、BMP、JEGP圖像格式。

聚光器則主要由聚光鏡和光圈組成，聚光鏡起到凸透鏡的作用，能夠會聚光線，主要用來增強標本的照明，光圈由十幾張金屬薄片組成，用于調(diào)節(jié)光強度，同時使聚光鏡的數(shù)值孔徑與物鏡的數(shù)值孔徑和相匹配。本次試驗所采用的光學顯微鏡為OLYMPUS的BX52TF顯微鏡（圖2.4），并將加熱臺與該顯微鏡連接進行試驗研究。顯微鏡內(nèi)置透射科勒照明系統(tǒng)，采用12V，100W鹵素燈泡（預(yù)先對中）12V100WHAL，光強電壓范圍：直流不高于1.0V到12.0V（連續(xù)），額定電壓：100-120/220-240V、1.8/0.8A，、50/60Hz，額定功率為140W。通過滾軸導軌改變載物臺高度來聚焦，總行程范圍為25mm，視場數(shù)為22~26.5，鏡筒傾斜度能達到30°；載物臺移動范圍：垂直方向52mm，水平方向76毫米。本文試驗放大倍數(shù)為500倍，加熱臺采用5℃/min的升溫速率，溫控精度為±0.1℃。

25（e）制備好的型煤樣品圖3.1 型煤樣品制備3.2 煤巖滲透率試驗研究3.2.1 試驗設(shè)備滲流試驗儀器采用河南理工大學煤儲層實驗室的儲層滲透性動態(tài)傷害評價系統(tǒng)實驗機，該實驗系統(tǒng)主要由儲層滲透性動態(tài)傷害評價系統(tǒng)、環(huán)壓跟蹤泵（KDHB-60）、氣體供給系統(tǒng)以及恒溫箱（KDCT-Ⅲ）三部分組成，氣體供給系統(tǒng)又包含高壓氮氣罐、減壓閥、壓力表以及一些導管等。實驗參數(shù)主要有：巖心直徑，單位CM；巖心長度，單位CM；氣體粘度，單位mpa．s，由于實驗所采用的是N2，所以氣體粘度在此處為定值0.01758mpa．s
【參考文獻】

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本文編號：2852852