[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

说明书

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。

技术领域

本发明涉及矿山岩石力学领域，尤其涉及一种含地质构造的煤岩体分区注水渗流-损伤-应力耦合数值模拟方法。

背景技术

煤层注水是通过钻孔，将压力水和水溶液注入煤体的过程，水的湿润作用使煤体塑性增强，脆性减弱，当煤体受外力作用时，许多脆性破碎变为塑性形变，因而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。整个过程涉及计算流体力学、断裂岩石力学与流固耦合等多门学科，对其进行数值模拟的过程较为复杂。

目前针对煤层注水的数值模拟研究大都以宏观角度进行，通过模拟宏观层面的渗流速度场及渗流压力场等研究水分在煤体内的运移规律。但作为一种典型的多孔介质材料，煤体润湿的本质是水分进入煤体内的众多细微孔隙，宏观角度的模拟无法复现这一过程以供深入研究。且现有技术中针对水分渗流的研究大都基于有限元或离散元之一单独进行分析，但是有限元难以实现煤体断裂，离散元无法准确描述渗流过程与水分增量数据。

因此，现有技术有待于更进一步的改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种含地质构造的煤岩体分区注水渗流-损伤-应力耦合数值模拟方法，更准确的模拟出煤岩体分区注水过程中煤体损伤及水分的运移规律，为煤层注水提供数据。

为解决上述技术问题，本发明方案包括：

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；