一种煤层高压注水致裂-渗流数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于最省卸压路径算法的煤层高压注水致裂‑渗流数值模拟方法，依据注水煤层高度、走向长度及倾向长度建立煤体几何模型，并在此基础上根据注水孔直径、长度、倾角及封孔长度参数添加注水孔模型，根据原生裂隙宽度、分布及走向添加裂隙模型，最后通过布尔运算使其形成联合体，对煤体几何模型进行四面体网格剖分，寻找最易被破坏的网格集合，并将其视为已生成断裂并在原几何模型中标记为“计算裂隙”，重复上述寻找“计算裂隙”的算法步骤，直至所有网格的强度参数均不低于其所受应力，则由得到的网格组合而成的路径即为最省卸压路径，亦即裂隙生成与发育路径。准确模拟水压致裂，为决策者提供水分在煤体中运移规律的相关数据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及矿山安全领域，尤其涉及一种基于最省卸压路径算法的煤层高压注水致裂-渗流数值模拟方法。
技术介绍
煤层注水可有效润湿煤体，释放煤体的弹性能、增加其塑性，改变煤体吸附－解吸瓦斯特性，并有驱替瓦斯的作用，是煤层开采过程中防冲、抑尘、防止煤与瓦斯突出的常用方法之一。但由于煤体内部孔隙裂隙结构复杂，水的渗流过程无法有效监测等原因，使得实验研究煤体中水分运移规律不易进行。同时，随着现代计算技术的飞速发展以及岩石力学、计算流体力学的逐渐成熟，仿真模拟成为广大科研人员与工程技术人员研究水分在煤体内的运移规律的重要方法。但在煤层高压注水过程中，煤体在水压作用下易发生致裂，产生裂隙，而现有的基于有限元方法设计的仿真软件难以在计算裂隙发育的同时耦合流场进行模拟，即模型中的裂隙需预设且不可更改，而这与工程实际严重不符。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于最省卸压路径算法的煤层高压注水致裂-渗流数值模拟方法，在准确模拟水压致裂的基础上，提供水分在煤体中运移规律的相关数据。为解决上述技术问题，本专利技术方案包括：一种基于最省卸压路径算法的煤层高压注水致裂-渗流数值模拟方法，其包括以下步骤：A、建立包含注水孔及裂隙的煤体几何模型依据需注水煤层的高度、走向长度及倾向长度建立煤体几何模型，根据注水孔直径、长度、倾角及封孔长度参数添加注水孔模型，根据原生裂隙宽度、分布及走向添加裂隙模型，最后通过布尔运算使其形成联合体；B、建立裂隙生成及发育算法通过设定煤体几何模型的边界条件，计算煤体网格所受压应力，将压应力与现场煤体材料强度参数比对，寻找最易被破坏的网格集合，将其视为已生成断裂并在所述煤体几何模型中标记为计算裂隙，然后导出为第一独立文件；C、通过生死单元方法实现裂隙生成及发育应用生死单元方法，若步骤B中某网格集合被标记为计算裂隙，使某网格集合对应的区域在煤体几何模型中失效，而后得到新的煤体几何模型，然后导出为第二独立文件；D、耦合渗流场进行数值模拟读取第二独立文件，对得到并剔除计算裂隙后新生成的界面添加边界条件，将剔除之计算裂隙的边界填充材料变更为空气，孔隙率变更为1，使得水分可在其中自由流动且可接触周边煤体，同时对其周边煤体加载水压载荷；E、使用步骤D中新生成的煤体几何模型进行渗流场模拟与应力场模拟，储存得到的渗流场运算结果，并依据新的应力场计算结果，重新运行裂隙生成及发育算法，直至算法终止；F、算法终止后，由于此时已不再有新的裂隙生成，则以此时的渗流场及应力场模拟结果为初始条件与边界条件，进行普通的渗流场数值模拟至所需时间点，即得到所需结果。所述的煤层高压注水致裂-渗流数值模拟方法，其中，还包括最省卸压路径算法的步骤：步骤一，依据煤体应力分布及煤体岩石力学参数设定煤体几何模型边界条件；步骤二，将煤体几何模型进行网格划分，在注水孔附近提高网格划分精度；步骤三，输入初始条件与边界条件，进行此时刻下的渗流速度场、压力场及水分增量场的数值模拟，计算煤体各处应力分布，得到各网格应力值；步骤四，判断每一个网格的应力值是否大于抗拉强度，若应力值大于抗拉强度，将此网格标记为计算裂隙，并执行步骤五；若该应力值小于抗拉强度，则忽略并执行步骤九；步骤五，将计算裂隙通过生死单元方法去除，并采用布尔运算将标记为计算裂隙的网格对应煤体做差集消去，将该网格对应空间的填充材料定义为空气，水分在其中的流动形式为自由流动，并重生成新的煤体几何模型；步骤六，判断计算裂隙是否抵达煤体表面，若已抵达煤体表面，则表明煤体已被完全劈裂，终止本次模拟运算并输出模拟结果，若未抵达煤体表面，则执行步骤七；步骤七，判断是否达到预设计算时间，若已达到预设计算时间，则整合所有时间节点结果并输出，若未达到预设计算时间，则执行步骤八；步骤八，储存步骤七中所述所有时间节点数值模拟结果，并返回执行步骤三与步骤四；步骤九，终止裂隙发育算法，并判断是否达到预设计算时间，若已达到裂隙计算时间，则整合步骤七中所有时间节点结果并输出，若未达到预设计算时间，则执行十；步骤十，单独进行渗流压力场、速度场及水分增量场的模拟至预设时间，并整合步骤七中所有时间节点的模拟结果输出。本专利技术提供的一种基于最省卸压路径算法的煤层高压注水致裂-渗流数值模拟方法，可在正确模拟水力压裂的基础上，以较低的运算成本，提供准确的煤层高压注水渗流及润湿效果的模拟计算。依据注水煤层高度、走向长度及倾向长度建立煤体几何模型，并在此基础上根据注水孔直径、长度、倾角及封孔长度参数添加注水孔模型，根据原生裂隙宽度、分布及走向添加裂隙模型，最后通过布尔运算使其形成联合体，对几何模型进行四面体网格剖分，在计算机运算力允许的范围内尽可能提高网格剖分精度，以保证裂隙计算结果的准确性与可靠性，在准确模拟水压致裂的基础上，为决策者提供水分在煤体中运移规律的相关数据。附图说明图1为本专利技术中煤层高压注水致裂-渗流数值模拟方法的流程图。图2为本专利技术中一条计算裂隙的生成示意图；图3为本专利技术中(5MPa注水压力条件下)注水孔及裂隙附近煤体渗流速度的模拟结果图；图4为本专利技术中(5MPa注水压力条件下)裂隙附近煤体内渗流压力场的模拟结果图；图5为本专利技术中(5MPa注水压力条件下)煤体内平均水分增量的模拟结果图。具体实施方式本专利技术提供了一种基于最省卸压路径算法的煤层高压注水致裂-渗流数值模拟方法，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供了一种基于最省卸压路径算法的煤层高压注水致裂-渗流数值模拟方法，依据注水煤层高度、走向长度及倾向长度建立煤体几何模型，并在此基础上根据注水孔直径、长度、倾角及封孔长度参数添加注水孔模型，根据原生裂隙宽度、分布及走向添加裂隙模型，最后通过布尔运算使其形成联合体。对煤体几何模型进行四面体网格剖分，在计算机运算力允许的范围内尽可能提高网格剖分精度，以保证裂隙计算结果的准确性与可靠性。通过仿真软件设定煤体几何模型的边界条件，计算注水孔表面各网格所受应力，并与现场煤体材料参数中的抗拉强度比对，寻找最易被破坏的网格集合，并将其视为已生成断裂并在原几何模型中标记为“计算裂隙”。将计算裂隙视作已存在边界，设定其加载与临近边界相同的载荷，并依据修改后的边界条件重新计算应力分布，再次与现场煤体材料参数中的抗拉强度比对，寻找最本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于最省卸压路径算法的煤层高压注水致裂‑渗流数值模拟方法，其包括以下步骤：A、建立包含注水孔及裂隙的煤体几何模型依据需注水煤层的高度、走向长度及倾向长度建立煤体几何模型，根据注水孔直径、长度、倾角及封孔长度参数添加注水孔模型，根据原生裂隙宽度、分布及走向添加裂隙模型，最后通过布尔运算使其形成联合体；B、建立裂隙生成及发育算法通过设定煤体几何模型的边界条件，计算煤体网格所受压应力，将压应力与现场煤体材料强度参数比对，寻找最易被破坏的网格集合，将其视为已生成断裂并在所述煤体几何模型中标记为计算裂隙，然后导出为第一独立文件；C、通过生死单元方法实现裂隙生成及发育应用生死单元方法，若步骤B中某网格集合被标记为计算裂隙，使某网格集合对应的区域在煤体几何模型中失效，而后得到新的煤体几何模型，然后导出为第二独立文件；D、耦合渗流场进行数值模拟读取第二独立文件，对得到并剔除计算裂隙后新生成的界面添加边界条件，将剔除之计算裂隙的边界填充材料变更为空气，孔隙率变更为1，使得水分可在其中自由流动且可接触周边煤体，同时对其周边煤体加载水压载荷；E、使用步骤D中新生成的煤体几何模型进行渗流场模拟与应力场模拟，储存得到的渗流场运算结果，并依据新的应力场计算结果，重新运行裂隙生成及发育算法，直至算法终止；F、算法终止后，由于此时已不再有新的裂隙生成，则以此时的渗流场及应力场模拟结果为初始条件与边界条件，进行普通的渗流场数值模拟至所需时间点，即得到所需结果。...

【技术特征摘要】
1.一种基于最省卸压路径算法的煤层高压注水致裂-渗流数值模拟方法，其包括以下步
骤：
A、建立包含注水孔及裂隙的煤体几何模型
依据需注水煤层的高度、走向长度及倾向长度建立煤体几何模型，根据注水孔直径、长
度、倾角及封孔长度参数添加注水孔模型，根据原生裂隙宽度、分布及走向添加裂隙模型，
最后通过布尔运算使其形成联合体；
B、建立裂隙生成及发育算法
通过设定煤体几何模型的边界条件，计算煤体网格所受压应力，将压应力与现场煤体材
料强度参数比对，寻找最易被破坏的网格集合，将其视为已生成断裂并在所述煤体几何模型
中标记为计算裂隙，然后导出为第一独立文件；
C、通过生死单元方法实现裂隙生成及发育
应用生死单元方法，若步骤B中某网格集合被标记为计算裂隙，使某网格集合对应的区
域在煤体几何模型中失效，而后得到新的煤体几何模型，然后导出为第二独立文件；
D、耦合渗流场进行数值模拟
读取第二独立文件，对得到并剔除计算裂隙后新生成的界面添加边界条件，将剔除之计
算裂隙的边界填充材料变更为空气，孔隙率变更为1，使得水分可在其中自由流动且可接触
周边煤体，同时对其周边煤体加载水压载荷；
E、使用步骤D中新生成的煤体几何模型进行渗流场模拟与应力场模拟，储存得到的渗
流场运算结果，并依据新的应力场计算结果，重新运行裂隙生成及发育算法，直至算法终止；
F、算法终止后，由于此时已不再有新的裂隙生成，则以此时的渗流场及应力场模拟结果
为初始条件与边界条件，进行普通的渗流场数值模拟至所需时间点，即得到所需结果。
2.根据权利要求1所述的煤层...

【专利技术属性】
技术研发人员：周刚，徐茂，程卫民，张琦，邱晗，范韬，王家远，邱磊，马云龙，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37