一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化方法与系统技术方案

本发明专利技术提供了一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化方法与系统，获取目标煤层参数，建立三维煤层结构，进行模型颗粒填充，形成煤层数值模型；设置造穴参数，建立造穴系统的模型三维结构，按配比生成磨料颗粒和液体颗粒，设定边界条件；对煤、水和磨料的颗粒间进行参数标定并平衡模型；进行离散单元法和计算流体动力学耦合的水力造穴过程数值模拟计算，模拟水力造穴作业过程，记录模拟过程中目标造穴区域内局部应力、密度和孔隙率的分布情况；根据不同造穴参数下的多次数值模拟计算结果，分析卸压增透效果对各水力造穴参数的响应关系，基于分析成果，确定水力造穴参数的优化方案，得到最终水力造穴工艺方案。本发明专利技术提高了模拟的准确性和适用性。性和适用性。性和适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化方法与系统


[0001]本专利技术属于煤矿井下含瓦斯煤层卸压增透
，涉及一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化方法与系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]随着浅埋煤炭资源的逐渐枯竭，目前，很多矿井都进入了深部开采阶段。深部开采往往伴随着高地应力、高地热辐射、高瓦斯涌出、低煤层透气性等复杂环境，尤其高瓦斯矿井中，煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等瓦斯事故风险对矿井安全生产造成了严重威胁。
[0004]瓦斯抽采是治理矿井瓦斯事故最有效的方法之一，水力造穴作为一种基于瓦斯抽采钻孔的水力化煤层卸压增透手段，不仅可以增加煤层透气性，促进瓦斯解析，而且可以对煤体局部卸压，促进瓦斯抽采钻孔周围煤体内部裂隙的发育贯通，从而实现更高效的瓦斯抽采。
[0005]目前，水力造穴已经作为一种安全有效的卸压增透手段逐步大范围应用在高瓦斯低透气性煤层的瓦斯治理工作中，然而，由于煤体的不可透视性，实际作业中无法准确直观地判断当前造穴作业的卸压增透效果，只能依靠出煤量等间接参数以及操作人员的工作经验来对造穴参数进行调节，常常出现串孔、卸压不到位等造穴效果不理想的情况，无法满足煤层在复杂赋存环境下的高效造穴要求，缺乏对造穴工艺过程理论上的指导，数值模拟具有成本低、易调控、可视化程度高等优点，已广泛应用于地下工程问题的研究中，现有的水力造穴模拟多基于FEM
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CFD方法，忽略了水力冲击造成的煤体质量损失、裂隙发育等重要参量。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化方法与系统，本专利技术可以克服现有水力造穴数值模拟方法在煤体质量损失、磨料颗粒冲击作用、裂隙发育等参数表征上的不足。
[0007]根据一些实施例，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化方法，包括以下步骤：
[0009]获取目标煤层参数，建立三维煤层结构，进行模型颗粒填充，形成煤层数值模型；
[0010]根据实际造穴方案设置造穴参数，建立造穴系统的模型三维结构，按配比生成磨料颗粒和液体颗粒，设定边界条件；
[0011]对煤、水和磨料的颗粒间进行参数标定并平衡模型；
[0012]进行离散单元法和计算流体动力学耦合的水力造穴过程数值模拟计算，模拟水力造穴作业过程，记录模拟过程中目标造穴区域内局部应力、密度和孔隙率的分布情况；
[0013]根据不同造穴参数下的多次数值模拟计算结果，分析卸压增透效果对各水力造穴
参数的响应关系，基于分析成果，确定水力造穴参数的优化方案，得到最终水力造穴工艺方案。
[0014]作为可选择的实施方式，获取目标煤层参数的具体过程包括从目标造穴区域获取煤样，开展物理实验，获取试样矸石含量、抗压强度、抗剪强度、孔隙率、密度和层理分布情况；
[0015]利用扫描方法，获取钻孔孔周裂隙的分布情况，统计其长度、分布位置和方向。
[0016]作为可选择的实施方式，建立三维煤层结构，进行模型颗粒填充的具体过程包括根据目标区域煤层结构，建立三维模型，并基于物理实验结果，设置颗粒的密度、粒径范围、分组和孔隙率参数，向模型中填充颗粒。
[0017]作为可选择的实施方式，形成煤层数值模型的具体过程包括根据扫描或电镜扫面得到的结构面信息分布情况，给煤层模型添加层理和节理信息，根据裂隙分布情况，给煤层模型添加裂隙分布信息，完成煤层数值模型的建立。
[0018]作为可选择的实施方式，根据实际造穴方案设置造穴参数，建立造穴系统的模型三维结构的具体过程中，设置水力造穴模型参数，包括：水压、磨料组分配比、磨料性质、轴向退钻速度、周向旋转速度、造穴长度、造穴间距、水
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磨料配比和喷嘴结构，参数设定完成后，设置颗粒参数，并设置边界条件。
[0019]作为可选择的实施方式，对煤、水和磨料的颗粒间进行参数标定的具体过程包括：
[0020]固体颗粒间采用无粘结模型，依据落料实验和滚筒实验得到的动静态休止角，宏观标定颗粒间的静摩擦系数和滚动摩擦系数；
[0021]根据物理实验得到的弹性模量、泊松比、摩擦系数、抗压强度和抗拉强度，采用试错法标定平行粘结键的弹性模量、法向刚度、切向刚度、法向粘结强度和切向粘结强度，使模型在细观参数标定后，其宏观参数仍与物理实验测试结果一致。
[0022]作为可选择的实施方式，进行离散单元法和计算流体动力学耦合的水力造穴过程数值模拟计算的具体过程包括：
[0023]在水力造穴系统喷嘴与液体运移管道中生成流体域，基于其分布范围确定流体的计算域，并根据水力造穴的工艺特点设定计算域内的流体参数，计算该流场作用下，水力造穴系统喷嘴出喷出粒子的方向、速度；
[0024]基于喷出粒子速度、方向，计算喷出颗粒作用下，煤层颗粒的各物理力学参数的变化情况；
[0025]进行颗粒位置信息与粘结键信息遍历统计；
[0026]在重要位置布置监测球，监测该位置区域内颗粒各参数表面化情况，重复上述步骤，直至完成造穴。
[0027]作为可选择的实施方式，记录模拟过程中目标造穴区域内局部应力、密度和孔隙率的分布情况的具体过程包括：
[0028]根据分析要求设置单位分析窗口，即单位窗口空间大小的设定，用单位分析窗口将计算域进行划分，分别计算各单位分析窗口中应力、密度和孔隙率。
[0029]作为可选择的实施方式，运用多信息融合分析方法对模拟得到的参数进行分析，表征水力造穴的卸压造穴效果。
[0030]一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化系统，包括：
[0031]数值模型构建模块，被配置为获取目标煤层参数，建立三维煤层结构，进行模型颗粒填充，形成煤层数值模型；
[0032]三维模型构建模块，被配置为根据实际造穴方案设置造穴参数，建立造穴系统的模型三维结构，按配比生成磨料颗粒和液体颗粒，设定边界条件；
[0033]参数标定模块，被配置为对煤、水和磨料的颗粒间进行参数标定并平衡模型；
[0034]模拟计算模块，被配置为进行离散单元法和计算流体动力学耦合的水力造穴过程数值模拟计算，模拟水力造穴作业过程，记录模拟过程中目标造穴区域内局部应力、密度和孔隙率的分布情况；
[0035]优化模块，被配置为根据不同造穴参数下的多次数值模拟计算结果，分析卸压增透效果对各水力造穴参数的响应关系，基于分析成果，确定水力造穴参数的优化方案，得到最终水力造穴工艺方案。
[0036]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0037]1、本专利技术通过物理实验、现场实验等多种方法实现对目标煤层参的数获取，并基于地质探测结果建立三维煤层结构，颗粒填充，并基于层理、裂隙等煤层信息实现不同尺度结构面构建，从而实现更高精度的预造穴区域煤层重构。
[0038]2、本专利技术通过小尺寸颗粒等效模拟液体的方法实现对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化方法，其特征是，包括以下步骤：获取目标煤层参数，建立三维煤层结构，进行模型颗粒填充，形成煤层数值模型；根据实际造穴方案设置造穴参数，建立造穴系统的模型三维结构，按配比生成磨料颗粒和液体颗粒，设定边界条件；对煤、水和磨料的颗粒间进行参数标定并平衡模型；进行离散单元法和计算流体动力学耦合的水力造穴过程数值模拟计算，模拟水力造穴作业过程，记录模拟过程中目标造穴区域内局部应力、密度和孔隙率的分布情况；根据不同造穴参数下的多次数值模拟计算结果，分析卸压增透效果对各水力造穴参数的响应关系，基于分析成果，确定水力造穴参数的优化方案，得到最终水力造穴工艺方案。2.如权利要求1所述的一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化方法，其特征是，获取目标煤层参数的具体过程包括从目标造穴区域获取煤样，开展物理实验，获取试样矸石含量、抗压强度、抗剪强度、孔隙率、密度和层理分布情况；利用扫描方法，获取钻孔孔周裂隙的分布情况，统计其长度、分布位置和方向。3.如权利要求1或2所述的一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化方法，其特征是，建立三维煤层结构，进行模型颗粒填充的具体过程包括根据目标区域煤层结构，建立三维模型，并基于物理实验结果，设置颗粒的密度、粒径范围、分组和孔隙率参数，向模型中填充颗粒。4.如权利要求1或2所述的一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化方法，其特征是，形成煤层数值模型的具体过程包括根据扫描或电镜扫面得到的结构面信息分布情况，给煤层模型添加层理和节理信息，根据裂隙分布情况，给煤层模型添加裂隙分布信息，完成煤层数值模型的建立。5.如权利要求1所述的一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化方法，其特征是，根据实际造穴方案设置造穴参数，建立造穴系统的模型三维结构的具体过程中，设置水力造穴模型参数，包括：水压、磨料组分配比、磨料性质、轴向退钻速度、周向旋转速度、造穴长度、造穴间距、水
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磨料配比和喷嘴结构，参数设定完成后，设置颗粒参数，并设置边界条件。6.如权利要求1所述的一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化方法，其特征是，对煤、水和磨料的颗粒间进行参数标定的具体过程包括：固体颗粒间采用无粘结模型，不考虑磨料、煤层颗粒间的粘性作用，进行宏细观参数标定，依据落料实验和滚筒实验得到的动静态休止角，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宗青，靳高汉，宋曙光，褚开维，刘聪，高成路，白松松，高天，刘雨函，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：