【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及地下資源開采領域，具體涉及一種巖體基質-裂隙-巷道瓦斯擴散的數值模擬方法。
技術介紹
1、隨著地下資源的開發和利用，開采過程中的巷道，巖體基質內的瓦斯泄漏等安全和環境問題日益顯著，并且隨著人們科技水平的提高，開采過程中煤層氣已經為重要的能源，由于開采過程以及區域的復雜性，采用數學模型進行數值仿真當前是分析裂隙，巖體以及巷道傳質過程的重要手段。當前由于瓦斯擴散過程的數值模擬方法往往只是巖體基質-裂隙或者裂隙-巷道模型下的分析，忽視了在地層開采中巖體基質-裂隙-巷道完整的瓦斯擴散情況，導致無法準確和全面地判斷開采過程中的瓦斯泄露風險，無法高效合理的利用氣體資源。主要原因是該過程存在：三維地層、二維裂隙面和一維簡化巷道的跨維度耦合；巖體基質和巷道存在滲流和對流的耦合，所以難以形成統一的跨維度的求解方案。全面提升瓦斯擴散過程模擬的精度，優化資源利用并有效評估瓦斯泄漏風險。
技術實現思路
1、為了全面模擬地下瓦斯擴散現象、精確預測滲流場分布、深入揭示流體與固體介質間的相互作用機理、有效評估環境風險以及優化相關工程設計，本專利技術提出了一種基質、裂隙與巷道瓦斯擴散于一體的耦合數值模擬方法，此方法能夠依據實際礦產開采條件，通過分析各區域內部的壓強分布與流量動態信息，精準把握瓦斯擴散的具體狀況，具體方案如下：
2、一種巖體基質-裂隙-巷道瓦斯擴散的數值模擬方法，包含以下步驟：
3、（1）依據地理信息系統gis平臺提供的地質模型與巷道幾何形態，界定計算區域的邊界
4、（2）將（1）中的地質模型轉化為覆蓋整個計算區域的高精度網格模型；并在地層內部嵌入低維度單元，以精確模擬裂隙面的幾何特征；
5、（3）確定巖石基質、裂隙、巷道三種體系的瓦斯控制方程；
6、（4）運用離散裂隙模型對裂隙體系實施數值模擬，并根據需求采用達西或非達西滲流以及表皮系數對裂隙和基質模型進行數值模擬；
7、（5）將巷道處的瓦斯擴散簡化為斷面為矩形的一維對流擴散模型來進行數值模擬；并對基質-裂隙-巷道三種體系的瓦斯的狀態方程進行耦合，獲取巷道中的瓦斯濃度；
8、（6）將數值模擬得到的巷道中不同時刻的瓦斯濃度與實際瓦斯閾值對比，進行地層內的災害預警，并將基質-裂隙-巷道的模擬結果進行可視化展示。
9、步驟（2）中，將預處理后的幾何模型轉化為覆蓋整個計算區域的高精度網格模型的過程中，在地層內部嵌入二維單元，以精確模擬裂隙面的幾何特征，同時，為裂隙區域及不同類型的多孔介質地層分配獨特的材料屬性編號，以便于后續實施差異化的滲流計算策略，確保模擬過程的高精度與適用性；
10、步驟（4）中，運用離散裂隙模型對裂隙體系實施數值模擬時，需將裂隙網絡視為巖體內部的薄弱部分，其特性表現為高滲透性和低力學強度，在模擬分析中，這些特性必須得到充分的考量，為此，采用無厚度二維單元作為計算工具，以精確捕捉裂隙的幾何與物理特性，該方法在模擬裂隙、細小裂紋以及界面過渡區域等薄層構造時展現出顯著的優勢；
11、步驟（5）中，對于在三維基質到二維裂隙、二維裂隙到一維巷道等跨維度的耦合中，采用壓強相等、流量滿足疊加的原理建立邊界條件以及源項，具體方案分別包括基質-裂隙的耦合，基質-巷道的耦合，裂隙-巷道的耦合。
12、優選地，步驟（3）中所述的巖石基質三維滲流模型是在默認瓦斯為飽和狀態下進行，其滲流場控制方程如下：
13、??????????（1）
14、?其中 ε p為基質的孔隙率，無量綱， u g代表流體在多孔介質中的達西速度，單位：m/s， ρ g表示瓦斯的密度，單位：kg/m3， t表示時間，單位：s， q m為基質的體積源項，單位：1/s,▽為梯度；
15、步驟（3）中所述的裂隙二維滲流模型的控制方程如下：
16、??????????（2）
17、其中 ε f為裂隙的孔隙率，無量綱， u f代表流體在裂隙中的達西流速，單位：m/s， q f為裂隙的體積源項，單位：1/s；
18、步驟（3）中所述的巷道的一維滲流模型的控制方程如下：
19、??????????????（3）
20、其中 c為瓦斯濃度，單位：mol/m3， k為擴散系數，無量綱， u t為巷道內氣體的達西流速/平均流速，單位：m/s。
21、運用離散裂隙模型對裂隙體系實施數值模擬時，需將裂隙網絡視為巖體內部的薄弱部分，其特性表現為高滲透性和低力學強度。在模擬分析中，這些特性必須得到充分的考量。為此，采用無厚度二維單元作為計算工具，以精確捕捉裂隙的幾何與物理特性，該方法在模擬裂隙、細小裂紋以及界面過渡區域等薄層構造時展現出顯著的優勢。
22、優選地，步驟（5）中三種體系的耦合包括：基質與裂隙的耦合，基質與巷道的耦合，裂隙與巷道的耦合，具體耦合過程如下：
23、1）基質與裂隙的耦合過程：
24、通過穿過裂隙面的流量計算二維裂隙面的體積源項進行傳遞，即通過 q m與 q f進行基質與裂隙的耦合， q f的計算公式如下：
25、???????????????????????（4）
26、其中 n 1為裂隙法向， k f為裂隙的滲透率，單位：m2， u fp是瓦斯從基質流入裂隙的流速，單位：m/s， a f為裂隙表面積，單位：m2， v f為裂隙的體積，單位：m3， 本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種巖體基質-裂隙-巷道瓦斯擴散的數值模擬方法，其特征在于：包含以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種巖體基質-裂隙-巷道瓦斯擴散的數值模擬方法，其特征在于：步驟（3）中所述的巖石基質三維滲流模型是在默認瓦斯為飽和狀態下進行，?其滲流場控制方程如下：
3.根據權利要求2所述的一種巖體基質-裂隙-巷道瓦斯擴散的數值模擬方法，其特征在于：步驟（5）中三種體系的耦合包括：基質與裂隙的耦合，基質與巷道的耦合，裂隙與巷道的耦合，具體耦合過程如下：
4.根據權利要求3所述的一種巖體基質-裂隙-巷道瓦斯擴散的數值模擬方法，其特征在于：流體在多孔介質中的達西速度u的計算公式為：
5.根據權利要求3所述的一種巖體基質-裂隙-巷道瓦斯擴散的數值模擬方法，其特征在于：還包括使用表皮系數Sk對滲透率進行修訂，表皮系數Sk與滲透率的關系式為：
6.根據權利要求5所述的一種巖體基質-裂隙-巷道瓦斯擴散的數值模擬方法，其特征在于：在高雷諾數流動中，需引入非線性項，即非達西流，根據?Forchheimer方程，其非達西速度的計算公式為：
<...【技術特征摘要】
1.一種巖體基質-裂隙-巷道瓦斯擴散的數值模擬方法，其特征在于：包含以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種巖體基質-裂隙-巷道瓦斯擴散的數值模擬方法，其特征在于：步驟（3）中所述的巖石基質三維滲流模型是在默認瓦斯為飽和狀態下進行，?其滲流場控制方程如下：
3.根據權利要求2所述的一種巖體基質-裂隙-巷道瓦斯擴散的數值模擬方法，其特征在于：步驟（5）中三種體系的耦合包括：基質與裂隙的耦合，基質與巷道的耦合，裂隙與巷道的耦合，具體耦合過程如下：
4.根據權利要求3所述的一種巖體基質-裂隙-巷道瓦斯擴散的數值模擬方法，其特征在于：流體在多孔介質中的達西速度u的計算公式為：
5.根據權利要求3所述...
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉謀斌，王雪健，郭朝陽，沈文豪，景超，毛善君，
申請(專利權)人：北京大學南昌創新研究院，
類型：發明
國別省市：
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