一种基于有限元-离散元CT重构煤体的渗流模拟方法技术

本发明专利技术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。

A seepage finite element based on discrete element simulation method for CT reconstruction of coal

The invention discloses a seepage finite element based on discrete element CT reconstruction of coal body simulation method, three-dimensional data of coal body by industrial CT scanning and three-dimensional reconstruction and removal of \island block\, a general three-dimensional geometric model to get can be called by the simulation software. By using discrete element simulation method, preparation of coal fracture classification algorithm, to determine whether the coal in the pressure should be deformed or even fracture force, the finite element simulation method based on the moving mesh method, coal fragments after fracture realization in coal body with water diversion and migration, while numerical simulation of water flow the pressure field, velocity field and seepage of coal moisture increment, show the greatest degree of migration in porous medium in coal seam deformation and fracture process of coal and the phenomenon of water flooding water.

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元-离散元CT重构煤体的渗流模拟方法
本专利技术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。
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。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。
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，本专利技术方案包括：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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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为本专利技术中基于有限元-离散元仿真之重构煤体的模拟方法的流程图；图2为本专利技术中孤岛块体与煤体的示意图；图3为本专利技术中去除孤岛后的煤体模型图；图4为本专利技术中煤体移动网格技术划分结果的示意图；图5为本专利技术中整个煤体内渗流压力场的模拟结果示意图；图6为本专利技术中注水孔附近煤体内渗流速度场的模拟结果示意图；图7为本专利技术中整个煤体内水分增加量的模拟结果示意图；图8为本专利技术中离散元断裂模拟结果之一个示例图；图9为本专利技术中离散元断裂模拟结果之另一个示例图。具体实施方式本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

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