[發明專利]一種煤層高壓注水致裂-滲流數值模擬方法

有效

• 申請號: 201610256526.5
• 申請日: 2016-04-22
• 公開（公告）號: CN105787220B
• 公開（公告）日: 2018-10-12
• 發明（設計）人: 周剛;徐茂;程衛民;張琦;邱晗;范韜;王家遠;邱磊;馬云龍
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 濟南舜源專利事務所有限公司 37205
• 代理人: 王連君

本發明公開了一種基于最省卸壓路徑算法的煤層高壓注水致裂?滲流數值模擬方法，依據注水煤層高度、走向長度及傾向長度建立煤體幾何模型，并在此基礎上根據注水孔直徑、長度、傾角及封孔長度參數添加注水孔模型，根據原生裂隙寬度、分布及走向添加裂隙模型，最后通過布爾運算使其形成聯合體，對煤體幾何模型進行四面體網格剖分，尋找最易被破壞的網格集合，并將其視為已生成斷裂并在原幾何模型中標記為“計算裂隙”，重復上述尋找“計算裂隙”的算法步驟，直至所有網格的強度參數均不低于其所受應力，則由得到的網格組合而成的路徑即為最省卸壓路徑，亦即裂隙生成與發育路徑。準確模擬水壓致裂，為決策者提供水分在煤體中運移規律的相關數據。

技術領域

本發明涉及礦山安全領域，尤其涉及一種基于最省卸壓路徑算法的煤層高壓注水致裂-滲流數值模擬方法。

背景技術

煤層注水可有效潤濕煤體，釋放煤體的彈性能、增加其塑性，改變煤體吸附－解吸瓦斯特性，并有驅替瓦斯的作用，是煤層開采過程中防沖、抑塵、防止煤與瓦斯突出的常用方法之一。但由于煤體內部孔隙裂隙結構復雜，水的滲流過程無法有效監測等原因，使得實驗研究煤體中水分運移規律不易進行。同時，隨著現代計算技術的飛速發展以及巖石力學、計算流體力學的逐漸成熟，仿真模擬成為廣大科研人員與工程技術人員研究水分在煤體內的運移規律的重要方法。

但在煤層高壓注水過程中，煤體在水壓作用下易發生致裂，產生裂隙，而現有的基于有限元方法設計的仿真軟件難以在計算裂隙發育的同時耦合流場進行模擬，即模型中的裂隙需預設且不可更改，而這與工程實際嚴重不符。

發明內容

鑒于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種基于最省卸壓路徑算法的煤層高壓注水致裂-滲流數值模擬方法，在準確模擬水壓致裂的基礎上，提供水分在煤體中運移規律的相關數據。

為解決上述技術問題，本發明方案包括：

一種基于最省卸壓路徑算法的煤層高壓注水致裂-滲流數值模擬方法，其包括以下步驟：

A、建立包含注水孔及裂隙的煤體幾何模型

依據需注水煤層的高度、走向長度及傾向長度建立煤體幾何模型，根據注水孔直徑、長度、傾角及封孔長度參數添加注水孔模型，根據原生裂隙寬度、分布及走向添加裂隙模型，最后通過布爾運算使其形成聯合體；

B、建立裂隙生成及發育算法

通過設定煤體幾何模型的邊界條件，計算煤體網格所受壓應力，將壓應力與現場煤體材料強度參數比對，尋找最易被破壞的網格集合，將其視為已生成斷裂并在所述煤體幾何模型中標記為計算裂隙，然后導出為第一獨立文件；

C、通過生死單元方法實現裂隙生成及發育

應用生死單元方法，若步驟B中某網格集合被標記為計算裂隙，使某網格集合對應的區域在煤體幾何模型中失效，而后得到新的煤體幾何模型，然后導出為第二獨立文件；

D、耦合滲流場進行數值模擬

讀取第二獨立文件，對得到并剔除計算裂隙后新生成的界面添加邊界條件，將剔除之計算裂隙的邊界填充材料變更為空氣，孔隙率變更為1，使得水分可在其中自由流動且可接觸周邊煤體，同時對其周邊煤體加載水壓載荷；

E、使用步驟D中新生成的煤體幾何模型進行滲流場模擬與應力場模擬，儲存得到的滲流場運算結果，并依據新的應力場計算結果，重新運行裂隙生成及發育算法，直至算法終止；

F、算法終止后，由于此時已不再有新的裂隙生成，則以此時的滲流場及應力場模擬結果為初始條件與邊界條件，進行普通的滲流場數值模擬至所需時間點，即得到所需結果。

所述的煤層高壓注水致裂-滲流數值模擬方法，其中，還包括最省卸壓路徑算法的步驟：