一种变质量破碎岩石渗透性参量计算方法技术

本发明专利技术涉及一种变质量破碎岩石渗透性参量计算方法,该方法设计一种遗传算法，对渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数三者之间幂指数函数关系和中渗透率的参考值kr、非Darcy流β因子的参考值βr、加速度系数的参考值car、幂指数nβ和nc进行优化，可以克服试验者经验不足的困境，也不需要参考先前的试验结果，即可获取合理的决策变量；可以输出初始种群及各代新种群的位串、kr、βr、carnβ和nc、渗流速度时间曲线、最佳个体的渗透率、非Darcy流β、加速度系数和适应度；根据压力梯度和渗流速度时间序列计算各采样时刻的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数，为分析质量流失引起的破碎岩石渗透性参量的变化规律提供条件。

【技术实现步骤摘要】
一种变质量破碎岩石渗透性参量计算方法
本专利技术涉及一种岩石力学性质测试的计算方法，具体涉及一种变质量破碎岩石渗透性参量计算方法。
技术介绍
在破碎岩石渗透试验过程中，由于水的溶蚀、磨蚀和冲蚀作用，细小颗粒从破碎岩石的表面分离出来，并在破碎岩石的孔隙中迁移。细小颗粒的迁移造成破碎岩石的质量流失，故破碎岩石的孔隙度和渗透性参量（渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数）随时间变化。借助于实验室试验，分析破碎岩石在渗透过程中质量迁移与流失规律、孔隙度和渗透性参量时变规律，对于破碎岩体渗流系统的数字仿真、渗流失稳的机理分析具有基础性和支撑性作用。根据压力梯度和渗流速度时间序列计算各采样时刻的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数，是破碎岩体渗流系统非线性动力学行为的重要环节。目前，变质量破碎岩石渗透性参量参照恒定质量破碎岩石的方法进行，对于质量慢变的破碎岩石来说，精度一般可以达到工程设计的要求，但当质量流失较大时，计算的渗透性参量误差较大。目前，计算变质量破碎岩石在采样时刻ti＝iτ(i＝1,2,…,N;τ为采样周期)的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数是建立在渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数三者之间满足幂指数函数关系的基础上的，即将恒定质量破碎岩石在确定的孔隙度和确定的孔隙度下的渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数作为参考值，而是时变孔隙度和时变压力梯度下的渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数三者之间满足如下的幂指数关系其中，幂指数nβ和nc也参照恒定质量破碎岩石的渗透试验结果确定。具体的做法分为五步：第一步，构造时间序列，包括渗流速度时间序列Vi(i＝0,1,2,L,N)、压力梯度时间序列和当地加速度的时间序列ai(i＝0,1,2,L,N)；第二步，建立采样时刻渗透率的代数方程，即将动量守恒方程与式（a-1）、式（a-2）结合，得到：利用Newton切线法代数方程（a-3）的根，得到采样时刻的渗透率，再利用式（a-2）和式（a-3）分别计算出采样时刻的非Darcy流β因子和加速度系数；第三步，构造动量守恒方程的外部函数，利用变步长的四阶Runge-Kutta法求方程动量守恒方程：的数值解，需要构造压力梯度、渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数非采样时刻（如t＝2.2τ）的值，在变步长的四阶Runge-Kutta法子程序中，外部函数需要调用全区间三节点插值子程序，分别对压力梯度、渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数进行全区间三节点插值。例如，时刻t∈(tk,tk+2),(k＝0,1,2,L,N)的渗透率，可按如下的插值公式计算：第四步，以τ为步长，利用变步长的四阶Runge-Kutta法求方程（a-1）的数值解，得到渗流速度计算值时间序列。第五步，计算渗流速度的数值解与试验数据Vi(i＝0,1,2,L,N)之间的差Err，第六步，如果Err≤ε（ε为某一预设值），则可认为参数合理，并将在这组参数下计算得到的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数序列作为渗透性参量的测试结果。如果Err>ε，则需要对参数进行调整，再重复第一至第四步。目前的计算方法不足之处在于渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数的参考值、幂指数nβ和nc的选择完全依赖于试验者的经验和先前的试验数据。由于不同矿区的破碎岩石的渗透性差异很大，参考先前的试验数据确定决策变量kr、βr、carnβ和nc的取值，可能出现较大误差。试验者的经验积累也是漫长的过程，只有短时间试验经历的试验者难以找到合理的决策变量。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种变质量破碎岩石渗透性参量计算方法，该方法设计一种遗传算法，对渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数三者之间幂指数函数关系和中渗透率的参考值kr、非Darcy流β因子的参考值βr、加速度系数的参考值car、幂指数nβ和nc进行优化，可以克服试验者经验不足的困境，也不需要参考先前的试验结果，即可获取合理的决策变量；可以输出初始种群及各代新种群的位串、kr、βr、carnβ和nc、渗流速度时间曲线、最佳个体的渗透率、非Darcy流β、加速度系数和适应度；根据压力梯度和渗流速度时间序列计算各采样时刻的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数，为分析质量流失引起的破碎岩石渗透性参量的变化规律提供条件。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种变质量破碎岩石渗透性参量计算方法，是变质量破碎岩石在渗透试验过程中各采样时刻的渗透性参量，包括渗透率k、非Darcy流β因子β、加速度系数ca的计算方法，具体操作步骤为：步骤1，假设渗透率k、非Darcy流β因子β、加速度系数ca之间存在幂指数关系，即，步骤2，构造压力梯度、渗流速度和渗流速度当地导数的时间序列，采样周期为τ，长度为N的压力梯度Gp、渗流速度V和渗流速度当地导数的时间序列分别记为：Vi(i＝0,1,2,L,N)，ai(i＝0,1,2,L,N)；步骤3，对渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数的参考值kr、βr、car、幂指数nβ和nc进行编码及解码；步骤3.1，参照恒定质量破碎岩石渗透试验的结果，确定渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数的参考值kr、βr、car、幂指数nβ和nc的可能取值范围；步骤3.2，确定基因长度，将决策变量渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数的参考值kr、βr、car、幂指数nβ和nc，转换为长度分别为l1、l2、l3、l4和l5，由字符0和1组成的位串和；步骤3.3，由长度为m＝l1+l2+l3+l4+l5的二进制位串I1I2…Im构成遗传算法的个体基因型；步骤3.4，产生初始种群，并对种群中每一个体进行解码操作，计算出个体的kr、βr、car、nβ和nc的值；步骤3.4.1，确定初始种群规模kgroup；步骤3.4.2，产生随机种子数；步骤3.4.3，产生kgroup个长度为m的二进制位串，得到初始种群步骤3.4.4，对种群中每一个体进行解码操作，得到个体基因的表现型，计算出个体的kr、βr、car、nβ和nc的值；步骤4，获取种群中每一个体对应的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数时间序列，构造动量守恒方程的外部函数，将渗流速度计算值与试验数据进行对比，计算种群中个体的适应度；步骤4.1，利用Newton切线法求采样时刻的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数，得到每一个体对应的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数时间序列，步骤4.2，分别对压力梯度、渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数进行全区间三节点插值构造动量守恒方程的外部函数；步骤4.3，以τ为步长，利用变步长的四阶Runge-Kutta法求动量守恒方程的数值解，得到采样时刻的渗流速度计算值时间序列步骤4.4，计算渗流速度的计算值与试验数据Vi(i＝0,1,2,L,N)之间的误差Err；步骤4.5，构造适应度函数并以误差Err计算种群中个体的适应度；步骤5，通过对种群进行选择、交叉、变异操作获得新的种群，对新种群中的个体的适应度进行排序以得到最佳个体，并最佳个体进行解码；利用Newton切线法计算，获取最佳个体的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数，具体操作步骤为：步骤5.1，选择操作，从初始种本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变质量破碎岩石渗透性参量计算方法，是变质量破碎岩石在渗透试验过程中各采样时刻的渗透性参量，包括渗透率k、非Darcy流β因子β、加速度系数ca的计算方法，其特征在于，具体操作步骤为：步骤1，假设渗透率k、非Darcy流β因子β、加速度系数ca之间存在幂指数关系，即，β=βr(kkr)nβ,---(1-1)]]>ca=car(kkr)nc;---(1-2)]]>步骤2，构造压力梯度、渗流速度和渗流速度当地导数的时间序列，采样周期为τ，长度为N的压力梯度Gp、渗流速度V和渗流速度当地导数的时间序列分别记为：Vi(i＝0,1,2,L,N)，ai(i＝0,1,2,L,N)；步骤3，对渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数的参考值kr、βr、car、幂指数nβ和nc进行编码及解码；步骤3.1，参照恒定质量破碎岩石渗透试验的结果，确定渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数的参考值kr、βr、car、幂指数nβ和nc的可能取值范围；步骤3.2，确定基因长度，将决策变量渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数的参考值kr、βr、car、幂指数nβ和nc，转换为长度分别为l1、l2、l3、l4和l5，由字符0和1组成的位串和；步骤3.3，由长度为m＝l1+l2+l3+l4+l5的二进制位串I1I2…Im构成遗传算法的个体基因型；步骤3.4，产生初始种群，并对种群中每一个体进行解码操作，计算出个体的kr、βr、car、nβ和nc的值；步骤3.4.1，确定初始种群规模kgroup；步骤3.4.2，产生随机种子数；步骤3.4.3，产生kgroup个长度为m的二进制位串，得到初始种群initial_pop={I1iI2i...Imi|i=1,2,...,kgroup};]]>步骤3.4.4，对种群中每一个体进行解码操作，得到个体基因的表现型，计算出个体的kr、βr、car、nβ和nc的值；步骤4，获取种群中每一个体对应的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数时间序列，构造动量守恒方程的外部函数，将渗流速度计算值与试验数据进行对比，计算种群中个体的适应度；步骤4.1，利用Newton切线法求采样时刻的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数，得到每一个体对应的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数时间序列，βti(i=1,2,...,N),cati=(i=1,2,...,N);]]>步骤4.2，分别对压力梯度、渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数进行全区间三节点插值构造动量守恒方程的外部函数；步骤4.3，以τ为步长，利用变步长的四阶Runge‑Kutta法求动量守恒方程的数值解，得到采样时刻的渗流速度计算值时间序列步骤4.4，计算渗流速度的计算值与试验数据Vi(i＝0,1,2,L,N)之间的误差Err；步骤4.5，构造适应度函数并以误差Err计算种群中个体的适应度；步骤5，通过对种群进行选择、交叉、变异操作获得新的种群，对新种群中的个体的适应度进行排序以得到最佳个体，并最佳个体进行解码；利用Newton切线法计算，获取最佳个体的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数，具体操作步骤为：步骤5.1，选择操作，从初始种群中选择出具有交配权的kcop个体；步骤5.2，交叉操作，对每一基因位串随机产生交叉位，并按某一交叉概率pc对每一对交叉个体（夫妇）进行交叉操作，得到个体集合；步骤5.3，变异操作，对个体集合中每一基因位串随机产生变异位，并按某一交叉概率pc对每一个体进行变异操作，得到新一代种群；步骤5.4，对新种群中的个体进行解码操作，计算每一个体的适应度；步骤5.5，对新种群中的每一个体适应度进行排序；步骤5.6，设置停止繁殖的条件；步骤5.7，对最佳个体（适应度最大的个体）进行解码，将最佳个体的基因型转化为表现型，得到kr、βr、carnβ和nc的估计值；步骤5.8，利用Newton切线法计算出最佳个体各采样时刻的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数。...

【技术特征摘要】
1.一种变质量破碎岩石渗透性参量计算方法，是变质量破碎岩石在渗透试验过程中各采样时刻的渗透性参量，包括渗透率k、非Darcy流β因子β、加速度系数ca的计算方法，其特征在于，具体操作步骤为：步骤1，假设渗透率k、非Darcy流β因子β、加速度系数ca之间存在幂指数关系，即，步骤2，构造压力梯度、渗流速度和渗流速度当地导数的时间序列，采样周期为τ，长度为N的压力梯度Gp、渗流速度V和渗流速度当地导数的时间序列分别记为：Vi，ai，其中，i＝0,1,2,…N；步骤3，对渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数的参考值kr、βr、car、幂指数nβ和nc进行编码及解码；步骤3.1，参照恒定质量破碎岩石渗透试验的结果，确定渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数的参考值kr、βr、car、幂指数nβ和nc的可能取值范围；步骤3.2，确定基因长度，将决策变量渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数的参考值kr、βr、car、幂指数nβ和nc，转换为长度分别为l1、l2、l3、l4和l5，由字符0和1组成的位串和步骤3.3，由长度为m＝l1+l2+l3+l4+l5的二进制位串I1I2…Im构成遗传算法的个体基因型；步骤3.4，产生初始种群，并对种群中每一个体进行解码操作，计算出个体的kr、βr、car、nβ和nc的值；步骤3.4.1，确定初始种群规模kgroup；步骤3.4.2，产生随机种子数；步骤3.4.3，产生kgroup个长度为m的二进制位串，得到初始种群步骤3.4.4，对种群中每一个体进行解码操作，得到个体基因的表现型，计算出个体的kr、βr、car、nβ和nc的值；步骤4，获取种群中每一个体对应的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数时间序列，构造动量守恒方程的外部函数，将渗流速度计算值与试验数据进行对比，计算种群中个体的适应度；步骤4.1，利用Newton切线法求采样时刻的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数，得到每一个体对应的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数时间序列，其中，i＝1,2,…,N；步骤4.2，分别对压力梯度、渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数进行全区间三节点插值构造动量守恒方程的外部函数；步骤4.3，以τ为步长，利用变步长的四阶Runge-Kutta法求动量守恒方程的数值解，得到采样时刻的渗流速度计算值时间序列Vi*，其中，i＝1,2,…,N(i＝0,1,2,L,N)；步骤4.4，计算渗流速度的计算值Vi*与试验数据Vi之间的误差Err，其中，i＝1,2,…,N；步骤4.5，构造适应度函数并以误差Err计算种群中个体的适应度；步骤5，通过对种群进行选择、交叉、变异操作获得新的种群，对新种群中的个体的适应度进行排序以得到最佳个体，并最佳个体进行解码；利用Newton切线法计算，获取最佳个体的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数，具体操作步骤为：步骤5.1，选择操作，从初始种群中选择出具有交配权的kcop个体；步骤5.2，交叉操作，对每一基因位串随机产生交叉位，并按某一交叉概率pc对每一对交叉个体进行交叉操作，得到个体集合；步骤5.3，变异操作，对个体集合中每一基因位串随机产生变异位，并按某一交叉概率pc对每一个体进行变异操作，得到新一代种群；步骤5.4，对新种群中的个体进行解码操作，计算每一个体的适应度；步骤5.5，对新种群中的每一个体适应度进行排序；步骤5.6，设置停止繁殖的条件；步骤5.7，对最佳个体进行解码，将最佳个体的基因型转化为表现型，得到kr、βr、carnβ和nc的估计值；步骤5.8，利用Newton切线法计算出最佳个体各采样时刻的渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数。2.根据权利要求1中所述的一种变质量破碎岩石渗透性参量计算方法，其特征在于，步骤3.1中，渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数的参考值kr、βr、car、幂指数nβ和nc的可能取值范围是：kr∈[kr1,kr2]，(3-1)βr∈[βr1,βr2]，(3-2)car∈[car1,car2]，(3-3)nβ∈[nβ1,nβ2]，(3-4)nc∈[nc1,nc2](3-5)。3.根据权利要求2中所述的一种变质量破碎岩石渗透性参量计算方法，其特征在于，步骤3.3中所述遗传算法的个体基因型，相应的表现型为：

【专利技术属性】
技术研发人员：陈占清，冯梅梅，王路珍，朱南京，倪晓燕，张公一，周牧，王志飞，
申请(专利权)人：中国矿业大学，盐城工学院，华电煤业集团有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32