CN106960070A - 一种基于有限元‑离散元ct重构煤体的渗流模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限元‑离散元CT重构煤体的渗流模拟方法，通过工业CT扫描得到煤体的三维数据体，而后进行三维重构并去除“孤岛块体”，以得到可被仿真软件所调用的通用三维几何模型。通过采用离散元仿真方法，编写煤体断裂判别算法，确定煤体是否在水压应力作用下发生变形甚至断裂，同时基于有限元模拟方法，运用移动网格方法，实现断裂后的煤体碎块在煤体内随水分流动而运移，同时进行水分渗流压力场、渗流速度场及煤体水分增量的数值模拟，最大程度的展现多孔介质煤层在注水过程中煤体的变形与断裂现象及水分的运移规律。

Description

一种基于有限元-离散元CT重构煤体的渗流模拟方法

技术领域

本发明涉及矿山岩石力学领域，尤其涉及一种基于有限元-离散元CT重构煤体的渗流模拟方法。

背景技术

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。尤其是煤层高压注水，在普通渗流的基础上增加了水力压裂效果，通过产生新的裂隙增加煤体润湿效果。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。且目前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，而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基于有限元-离散元CT重构煤体的渗流模拟方法，以准确模拟出煤层注水过程中煤体损伤及水分的运移规律，为矿山开采提供理论支持。

为解决上述技术问题，本发明方案包括：

一种基于有限元-离散元CT重构煤体的渗流模拟方法，其包括以下步骤：

A、通过CT技术扫描用于试验的煤体参数，重构具有真实岩心孔隙空间拓扑结构及几何特征的三维模型，并去除其中的孤岛块体，导出STL格式的通用三维几何模型；

B、采用有限元仿真软件耦合定义相关参数进行渗流模拟并计算煤体应力分布；

以CT扫描获取的数字岩心为基础建立图形学模型，度量孔隙、喉道的几何参数，从而建立具有真实岩心孔隙空间拓扑结构及几何特征的三维几何模型。由于煤体在成煤过程中由于地质作用的影响，包含一些相对整体煤体尺度较小(体积相差超过一个数量级)的孤岛块体，孤岛块体不与整体煤体相连，因此需要在生成三维几何模型前将其剔除，以防孤岛块体 对后期的数值模拟研究造成干扰，影响最终的模拟结果。

将剔除孤岛块体后的剩余部分导格式为STL格式的通用三维几何模型文件，并进行适当优化，以减少细微曲面数量，从而减少划分后的网格数量，节约计算资源，加快模拟速度。

将煤体三维几何模型文件导入有限元仿真软件，并依据煤体应力-应变类型及煤体基本岩石力学参数设定边界条件和初始条件；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；将初始条件与边界条件输入仿真软件，进行渗流速度场及压力场的数值模拟，得到水分在煤体细微孔隙中的流动规律；并计算煤体各处应力分布，得到煤体各处的应力值及应变量。

C、采用离散元仿真软件进行渗流模拟的过程中，依据耦合渗流压力后的煤体应力分布来判断煤体是否发生断裂损伤，若为是，则对其采用移动网格法进行重新剖分后转步骤D；若为否，则直接转步骤D；

D、继续进行渗流速度场与渗流压力场的模拟，并依据新的水分渗流状态重新计算应力分布，存储该时间节点的模拟结果；而后再次进行是否存在断裂的判断，若有断裂则转步骤C，直至不再有新的断裂生成；

E、将步骤D中的结果存储，每存储一次当前时间节点的模拟结果，需比较累计存储时间是否达到预设模拟时间，若未达到预设模拟时间则返回判断是否存在断裂；若达到预设模拟时间，则整合所有时间节点的模拟结果并输出得到独立文件。

所述的模拟方法，其中，上述步骤C中移动网格法具体的还包括：

C1、依据煤体应力分布及煤体岩石力学参数设定边界条件，进行移动网格技术重新划分；将初始条件与边界条件输入有限元仿真软件，耦合定义方程进行此时刻下的渗流速度场及渗流压力场的数值模拟，计算煤体各处应力分布，得到煤体各处的应力值；

C2、基于离散元仿真软件，编程采用Drucker-Prager准则判断煤体是否发生断裂，若煤体发生断裂损伤，则转步骤C3，若煤体未发生断裂损伤，则转步骤C5；

C3、计算得到完成的断裂面，对比断裂面两侧的煤体，将较小的煤体作为独立几何转步骤C1进行重新划分，该移动网格的移动速度、加速度与位移由水分在煤体上的作用力、是否受到其它煤体阻碍运算得到；

C4、计算断裂面与移动网格的过程中，同时进行对应时间节点下渗流压力场与渗流速度场的仿真模拟；

C5、储存此时间节点数值模拟结果，并判断是否达到预设的模拟计算时间，若未达到预设模拟时间则返回执行步骤C2；若达到预设模拟时间，则转步骤C6；

C6、终止基于移动网格技术的煤体断裂-微孔隙渗流算法，并整合所有时间节点的模拟结 果并输出为独立文件。

本发明提供的一种基于有限元-离散元CT重构煤体的的模拟方法，通过工业CT扫描得到煤体的三维数据体，而后进行三维重构并去除“孤岛块体”，以得到可被仿真软件所调用的通用三维几何模型，通过采用离散元仿真方法，编写煤体断裂判别算法，确定煤体是否在水压应力作用下发生变形甚至断裂，同时基于有限元模拟方法，运用移动网格方法，实现了断裂后的煤体碎块在煤体内随水分流动而运移，同时进行水分渗流压力场、渗流速度场及煤体水分增量的数值模拟，最大程度的展现多孔介质煤层在注水过程中煤体的变形与断裂现象及水分的运移规律。

本发明结合两种模拟方法的优点，在微观尺度上准确模拟出煤层注水过程中煤体损伤及水分的运移规律，通过有限元方法仿真模拟水分在煤体孔隙中的运移规律，通过离散元方法模拟煤作为一种多孔介质的细微断裂。而传统的单一有限元方法无法准确模拟煤体断裂，传统的单一离散元方法无法准确模拟流体流动，相比之下，本发明结合有限元方法与离散元方法二者的长处，形成一种具有普遍适用性的煤体断裂-微孔隙渗流数值模拟方法。

附图说明

图1为本发明中基于有限元-离散元仿真之重构煤体的模拟方法的流程图；

图2为本发明中孤岛块体与煤体的示意图；

图3为本发明中去除孤岛后的煤体模型图；

图4为本发明中煤体移动网格技术划分结果的示意图；

图5为本发明中整个煤体内渗流压力场的模拟结果示意图；

图6为本发明中注水孔附近煤体内渗流速度场的模拟结果示意图；

图7为本发明中整个煤体内水分增加量的模拟结果示意图；

图8为本发明中离散元断裂模拟结果之一个示例图；

图9为本发明中离散元断裂模拟结果之另一个示例图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于有限元-离散元CT重构煤体的渗流模拟方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种基于有限元-离散元CT重构煤体的渗流模拟方法，如图1所示的，其包括以下步骤：

步骤一、通过CT技术扫描用于试验的煤体参数，重构具有真实岩心孔隙空间拓扑结构及几何特征的三维模型，并去除其中的孤岛块体，导出STL格式的通用三维几何模型；

步骤二、采用有限元仿真软件耦合定义相关参数进行渗流模拟并计算煤体应力分布；

步骤三、采用离散元仿真软件进行渗流模拟的过程中，依据耦合渗流压力后的煤体应力分布来判断煤体是否发生断裂损伤，若为是，则对其采用移动网格法进行重新剖分后转步骤四；若为否，则直接转步骤四；

步骤四、继续进行渗流速度场与渗流压力场的模拟，并依据新的水分渗流状态重新计算应力分布，存储该时间节点的模拟结果；而后再次进行是否存在断裂的判断，若有断裂则转步骤三，直至不再有新的断裂生成；

步骤五、将步骤四中的结果存储，每存储一次当前时间节点的模拟结果，需比较累计存储时间是否达到预设模拟时间，若未达到预设模拟时间则返回判断是否存在断裂；若达到预设模拟时间，则整合所有时间节点的模拟结果并输出得到独立文件。

更进一步的，上述步骤三中移动网格法具体的还包括：

步骤三一、依据煤体应力分布及煤体岩石力学参数设定边界条件，进行移动网格技术重新划分；将初始条件与边界条件输入有限元仿真软件，耦合定义方程进行此时刻下的渗流速度场及渗流压力场的数值模拟，计算煤体各处应力分布，得到煤体各处的应力值；

步骤三二、基于离散元仿真软件，编程采用Drucker-Prager准则判断煤体是否发生断裂，若煤体发生断裂损伤，则转步骤C3，若煤体未发生断裂损伤，则转步骤C5；

步骤三三、计算得到完成的断裂面，对比断裂面两侧的煤体，将较小的煤体作为独立几何转步骤C1进行重新划分，该移动网格的移动速度、加速度与位移由水分在煤体上的作用力、是否受到其它煤体阻碍运算得到；

步骤三四、计算断裂面与移动网格的过程中，同时进行对应时间节点下渗流压力场与渗流速度场的仿真模拟；

步骤三五、储存此时间节点数值模拟结果，并判断是否达到预设的模拟计算时间，若未达到预设模拟时间则返回执行步骤C2；若达到预设模拟时间，则转步骤C6；

步骤三六、终止基于移动网格技术的煤体断裂-微孔隙渗流算法，并整合所有时间节点的模拟结果并输出为独立文件。

为了更进一步描述本发明，以下列举更为详尽的实施例进行说明。

Step1使用工业CT设备扫描煤样并得到数字煤体文件，其具体包括如下步骤：

(1)选取所需煤样，并在煤样获取、储存及运输过程中注意避免震动、打击，以防其微观孔隙结构被破坏；

(2)依据CT扫描设备的测试标准(尺寸、形状)制备成可供扫描分析的煤体；

(3)借助工业CT设备扫描煤样，获取切片图像等原始数据。

Step2提取最大孔隙连通团并进行三维重构，去除孤岛块体，如图2与图3所示，其具体包括如下步骤：

(1)采用与CT设备兼容的三维重构软件，对原始图像信息进行处理，重构生得到高分辨率的三维数据体；

(2)去除与主煤体不相连的孤岛块体。

Step3导出STL格式的通用三维几何模型文件，其具体包括如下步骤：

(1)将重构后的三维数据体导出STL格式的通用三维几何模型，编码形式为ASCII或Binary Little/Big Endian；

(2)对生成的三维几何模型进行优化处理，去除转换过程中可能出现的孤立面、孤立体，并适当平滑曲面。

Step4采用有限元仿真软件进行渗流模拟并计算煤体应力分布，其具体包括如下步骤：

依据但不限于Stocks-Brinkman方程描述水分在煤体裂隙及孔隙中的运移过程，即以作为渗流模拟的数学模型，其中，u为流场流速矩阵(m·s^-1)，t为时间(s)，▽为哈密顿算子，ε_p为孔隙率(％)，ρ为水的密度(kg·m^-3)，k为渗透率(mD)，p为煤体中水压(Pa)，μ为动力黏度(N·s·m^-2)，β_F为Forchheimer系数(kg·m^-4)，Q_br为源项(N·s^-1·m^-3)，F为体积力矩阵(N)。

若有需要添加的其它流动控制方程，可通过编写程序接口手动输入添加；

比如，依据但不限于基于流体渗流压力的应力方程计算煤体应力分布，其中，u_v为Stocks-Brinkman方程计算得到的流场流速矩阵(m·s^-1)，α_B为煤体Biot-Willis系数(无量纲)，t为时间(s)，e_vol为单位时间内流经某截面的流体体积(m³·s^-1)，S为应力张量(N)，p_f为煤体中水压(Pa)，Q_m为质量源项(kg·s^-1·m^-3)。

Step5执行基于离散元仿真软件的煤体断裂算法，其具体包括如下步骤：

(1)建立煤体的离散元颗粒模型，调整颗粒间的接触力使其符合煤体的结构参数与应力分布，并循环排列颗粒位置，避免其出现分布不均的现象；

(2)对比计算得到的煤体各处应力值，由于考虑了水压对屈服过程的影响，因此采用Drucker-Prager准则(以下简称D-P准则)来建立岩石断裂损伤的本构模型；由于本算法不限制离散元仿真软件的具体应用方式，因此若有需要，可选用其它强度准则(如Murrell准 则等)判断煤体的断裂损伤情况；

(3)若存在煤体断裂，则执行Step6，其中，若断裂如图8(离散元断裂模拟结果的一个示例图)或图9(离散元断裂模拟结果的另一个示例图)所示，整个煤体断裂为两块，则断裂后的煤体各自成为独立的几何模型，重新进行解算；若不存在断裂损伤，则执行Step8；

(4)计算断裂过程中，同时采用有限元仿真软件，进行对应时间节点下渗流压力场的仿真模拟；

(5)计算断裂过程中，同时采用有限元仿真软件，进行对应时间节点下渗流速度场的仿真模拟。

Step6计算断裂面与移动网格，如图4所示，其具体包括如下步骤：

(1)依据应力分布计算出裂缝生成角度与发育长度；

(2)煤体开裂后计算水分在裂缝中的运移情况，并考虑渗流压力计算新的应力分布；

(3)若形成完整断裂面，则对比断裂后的两段煤体，将其中相对较小的煤体采用移动网格处理，该移动网格的移动速度、加速度与位移由水分在煤体上的作用力、是否受到其它煤体阻碍等运算得到；

(4)储存该时间节点的模拟结果。

Step7终止基于移动网格的煤体断裂-微孔隙渗流算法并判断是否继续渗流模拟，其具体包括如下步骤：

(1)终止裂隙生成及发育算法；

(2)判断是否达到预设计算时间，若达到计算时间则执行Step9，若未达到计算时间，则存储该时间节点的模拟结果，并继续执行Step8；

Step8渗流模拟至所需时间，其具体包括如下步骤：

在无新的断裂面生成后，因未达到预设模拟时间，需继续模拟水分渗流过程；终止裂隙生成及发育算法，以最后生成的煤体几何模型作为基础模型，进行单一渗流模拟至所需时间点。

Step9整合所有时间节点结果并输出，其具体包括如下步骤：

(1)将基于移动网格技术的煤体断裂-微孔隙渗流算法的模拟结果与水分渗流的模拟结果整合；

(2)将整合后的结果输出并存储为独立文件，渗流速度场与渗流压力场的量化统计结果如图5(整个煤体内渗流压力场模拟结果图)、图6(注水孔附近煤体内渗流速度模拟结果图)及图7(整个煤体内水分增加量模拟结果图)所示。由图可知，水分在注水前期仅流动于注水孔附近的煤体中，因此在注水前期，整个煤体内的平均渗流压力较小，但随时间推移逐渐 增加。在注水孔附近煤体内，水分渗流速度在注水前期较高，但随着煤体内水压逐渐被阻力平衡，水分运移难度增大，渗流速度因此逐渐降低。整个煤体内，水分增量随注水时间推移增加，且前期增长迅速，说明水力压裂产生的裂隙对提升煤体润湿效果明显。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (2)

1.一种基于有限元-离散元CT重构煤体的渗流模拟方法，其包括以下步骤：

A、通过CT技术扫描用于试验的煤体参数，重构具有真实岩心孔隙空间拓扑结构及几何特征的三维模型，并去除其中的孤岛块体，导出STL格式的通用三维几何模型；

B、采用有限元仿真软件耦合定义相关参数进行渗流模拟并计算煤体应力分布；

C、采用离散元仿真软件进行渗流模拟的过程中，依据耦合渗流压力后的煤体应力分布来判断煤体是否发生断裂损伤，若为是，则对其采用移动网格法进行重新剖分后转步骤D；若为否，则直接转步骤D；

D、继续进行渗流速度场与渗流压力场的模拟，并依据新的水分渗流状态重新计算应力分布，存储该时间节点的模拟结果；而后再次进行是否存在断裂的判断，若有断裂则转步骤C，直至不再有新的断裂生成；

E、将步骤D中的结果存储，每存储一次当前时间节点的模拟结果，需比较累计存储时间是否达到预设模拟时间，若未达到预设模拟时间则返回判断是否存在断裂；若达到预设模拟时间，则整合所有时间节点的模拟结果并输出得到独立文件。

2.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，上述步骤C中移动网格法具体的还包括：

C1、依据煤体应力分布及煤体岩石力学参数设定边界条件，进行移动网格技术重新划分；将初始条件与边界条件输入有限元仿真软件，耦合定义方程进行此时刻下的渗流速度场及渗流压力场的数值模拟，计算煤体各处应力分布，得到煤体各处的应力值；

C2、基于离散元仿真软件，编程采用Drucker-Prager准则判断煤体是否发生断裂，若煤体发生断裂损伤，则转步骤C3，若煤体未发生断裂损伤，则转步骤C5；

C3、计算得到完成的断裂面，对比断裂面两侧的煤体，将较小的煤体作为独立几何转步骤C1进行重新划分，该移动网格的移动速度、加速度与位移由水分在煤体上的作用力、是否受到其它煤体阻碍运算得到；

C4、计算断裂面与移动网格的过程中，同时进行对应时间节点下渗流压力场与渗流速度场的仿真模拟；

C5、储存此时间节点数值模拟结果，并判断是否达到预设的模拟计算时间，若未达到预设模拟时间则返回执行步骤C2；若达到预设模拟时间，则转步骤C6；

C6、终止基于移动网格技术的煤体断裂-微孔隙渗流算法，并整合所有时间节点的模拟结果并输出为独立文件。