[發明專利]一種瓦斯抽采鉆機系統的多體動力學分析方法

有效

• 申請號: 202010550055.5
• 申請日: 2020-06-16
• 公開（公告）號: CN111723536B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 王建維;王詩璇;李杞超;李華;馮金龍;隋廣洲;陳小軍
• 申請（專利權）人: 嶺南師范學院
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;E21B44/00;G06F119/14
• 代理公司: 北京君泊知識產權代理有限公司 11496
• 代理人: 李丹

本發明公開了一種瓦斯抽采鉆機系統的多體動力學分析方法，包括：利用牛頓?拉夫遜Newton?Raphson和差分法求出靜力學方程的近似解；利用代入法求解運動學方程；利用直接積分和構造狀態方程法求解動力學方程，并通過動力學分析得到每一時刻的廣義坐標、廣義速度、廣義加速度，從而得到鉆機鉆進過程中的一系列動態響應。與現有技術相比，根據本發明的分析方法可以預先調整鉆進參數來降低該時刻鉆孔失效的風險，從而保證鉆進過程中鉆孔的穩定性。

技術領域

本發明涉及刻鉆孔失效的風險預防技術領域，尤其涉及一種瓦斯抽采鉆機系統的多體動力學分析方法。

背景技術

煤炭資源是世界主要能源之一。近年來，數次煤炭開采工程所引發的瓦斯爆炸災難引發了廣泛關注。有效的抽采煤層瓦斯可以將瓦斯含量和壓力降低到安全水平，從根本上消除瓦斯災害。

近年來，隨著煤層勘探開發規模的擴大，瓦斯抽采的成孔率問題受到了國內外學者的持續關注。但是，由于鉆孔失效是由多個因素相互影響、相互促進的復雜的系統性問題，涉及到摩擦學、振動學、運動學、材料科學、化學、傳熱學等一系列學科，存在許多不確定性和隨機性，因此，關于瓦斯抽采鉆進方面的研究工作還需要進一步完善。

發明內容

針對上述缺陷或不足，本發明的目的在于提供一種瓦斯抽采鉆機系統的多體動力學分析方法，使瓦斯抽采技術的優化或控制更容易實現，為瓦斯抽采向智能化發展提供數據支持。

為達到以上目的，本發明的技術方案為：

一種瓦斯抽采鉆機系統的多體動力學分析方法，包括以下步驟：

S1、靜力學分析：構建瓦斯抽采鉆機系統的靜力學方程，然后利用牛頓-拉夫遜Newton-Raphson法和差分法求出靜力學方程的近似解，并通過靜力學分析得到廣義坐標；

S2、運動學分析：在靜力學分析的前提下，構建瓦斯抽采鉆機系統的運動學方程，然后利用代入法求解運動學方程，并通過運動學分析得到廣義速度；

S3、動力學分析：構建瓦斯抽采鉆機系統的動力學方程，利用直接積分和構造狀態方程法求解動力學方程，并通過動力學分析得到每一時刻的廣義坐標、廣義速度、廣義加速度，從而得到鉆機鉆進過程中的一系列動態響應。

具體地，所述步驟S1具體包括：

當系統靜止時，構建的瓦斯抽采鉆機系統的靜力學方程：

設

R_e＝Q_e+F_mz-Kq (2)

將廣義坐標寫成分塊形式：

q_i、q_d分別表示廣義獨立坐標和相關坐標，求約束方程對廣義坐標的偏導，并寫成緊湊形式為：

將其寫為獨立坐標、相關坐標分塊形式為：

式中，為n_c×n-n_c階獨立坐標約束的雅可比矩陣，為n_c×n_c階相關坐標約束的雅可比矩陣，n_c表示相互獨立的約束方程數，n表示廣義坐標數，總體廣義坐標的虛位移表示為：

B_di為n×(n-n_c)階矩陣，將式(6)代入式(5)，兩邊乘以虛位移得：

求解式(7)即得到q_i；