[发明专利]一种煤岩体分区注水渗流-损伤-应力耦合数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种煤岩体分区注水渗流‑损伤‑应力耦合数值模拟方法，依据地质勘测结果，建立煤层模型；通过分区，分别对非采动影响区和采动影响区的煤岩体注水渗流进行模拟；在非采动影响区，编程通过计算比较各网格的拉剪力矩值，判断煤体是否在水压应力作用下发生形变甚至断裂；同时采用无网格法模拟煤体断裂过程，用边界元法模拟渗流过程，在微观尺度上结合两种模拟方法的优点；在采动影响区，分别采用N‑S方程和Darcy定律两种数学模型进行模拟，准确的模拟煤岩体分区注水过程中煤体损伤及水分的运移规律。为煤层注水提供坚实的数据基础，在大量减少了煤体被破碎为尘粒的可能性，降低了煤尘的产生量，保证了煤层开采的安全性。

主权项

1.一种煤岩体分区注水渗流‑损伤‑应力耦合数值模拟方法，其包括以下步骤：步骤一，依据地质勘测结果，建立包含断层的煤岩体模型；步骤二，对地质勘测得到之煤岩体中的相应煤体进行扫描，并结合FDK三维重建算法构建具有真实孔隙结构特征的三维数字岩心模型；步骤三、在边界元环境下，执行“采动裂隙”生成算法，判断是否为采动影响区，即判断距离采掘面是否小于80m；如果是采动影响区，则执行步骤四；如果不是采动影响区，则执行步骤五；步骤四、判断流域的截面积是否大于30μm²，若流域截面积大于30μm²，则进行N‑S计算处理，储存并输出结果；若小于30μm²，则进行Darcy计算处理，储存并输出结果；步骤五、判断流域的截面积是否大于30μm²，若流域截面积大于30μm²，则执行步骤六，若小于30μm²，则执行步骤十二；步骤六、以C#语言为基础，编程以埋深、地质条件、上覆岩层岩性及煤层倾角生成初始应力集中点；步骤七、对经过步骤六处理的三维数字岩心模型进行剖分网格；步骤八、通过计算煤体网格所受拉剪力矩，将网格所受拉剪力矩与抗拉剪力矩比对，寻找最易被破坏的网格集合；若存在拉剪力矩大于抗拉剪力矩的网格，则标记为“原生裂隙”，然后执行步骤九；若不存在拉剪力矩大于抗拉剪力矩的网格，则终止计算，执行步骤十一；步骤九、替换“原生裂隙”网格中的材料为煤层内气体；步骤十、判断经过步骤九处理后的“原生裂隙”的总面积是否超过断层面积的两倍，如果没有超过，则生成删除“原生裂隙”网格后的新模型，返回重复步骤八；如果超过，则终止计算，执行步骤十一；步骤十一、构建最终包含地质构造原生裂隙、计算过程中生成裂隙两类煤层裂隙的模型,并重新剖分网格，导出STL通用几何后进行N‑S计算处理，储存并输出结果；步骤十二、在边界元环境下，耦合自定义方程计算渗流场与应力参数后，执行步骤十三；步骤十三、在无网格仿真环境中，判断是否存在拉剪力矩大于煤岩体相关参数的点，如果有，则将此类点依次连接，闭合区域标记为“无效煤岩体”，执行步骤十四；如果没有，则执行步骤十五；步骤十四、将步骤十三中，标记的“无效煤岩体”边界重新添加水分入口条件；步骤十五、单独进行湍流模拟，并计算应力分布，并储存节点的模拟结果；步骤十六、判断步骤十五中模拟结果的断裂脱离是否达到煤体表面，如果没有，则执行步骤十七；如果到达煤体表面，则执行步骤十八；步骤十七、累计存储时间是否达到预设模拟时间，如果没有达到，则返回执行步骤十二；如果达到计算时间，则执行步骤十八；步骤十八、停止无网格仿真环境中的运算，仅在边界元环境中计算湍流与应力后则进行Darcy计算处理，储存并输出结果；步骤十九、将步骤四、步骤十一与步骤十八的输出结果整合后输出并存储为独立文件，得到量化统计结果。