一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化方法与系统

技术领域

本发明属于煤矿井下含瓦斯煤层卸压增透技术领域，涉及一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化方法与系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

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。

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。

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-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。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化方法与系统，本发明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。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化方法，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。

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；

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。

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。

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。

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-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。

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：

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；

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。

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：

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；

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；

进行颗粒位置信息与粘结键信息遍历统计；

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。

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：

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。

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。

一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化系统，包括：

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；

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；

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；

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；

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。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明通过物理实验、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。

2、本发明通过小尺寸颗粒等效模拟液体的方法实现对水力造穴系统液体的高精度表征，并通过按配比生成磨料颗粒和水颗粒的方法实现对水和磨料的同步表征，通过DEM-CFD耦合模拟的方法实现水颗粒、磨料颗粒、煤颗粒间相互作用过程的准确模拟，通过不同类型粒子间的相互作用，可以准确地模拟分析水力造穴工艺作业过程，获取粒子间的碰撞、回弹等信息，上述参数的获取与分析是传统FEM-CFD模拟方法无法实现的。

3、通过对模拟过程中煤层局部应力、密度、孔隙率等参数变化的监测记录，并配合多信息融合分析方法实现对水力造穴卸压增透效果的高精度表征，上述参数都是基于造穴后煤层参数计算得到，相比传统的等效参数分析具有更高的准确性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的水力造穴DEM-CFD模拟计算流程图。

图2为本发明的水力造穴工艺优化流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种DEM-CFD耦合的煤矿井下水力造穴工艺模拟优化方法，具体包括如下步骤：

步骤1：基于物理实验、现场实验、地质数据资料调研等方法获取目标造穴煤层的相关参数，对煤层模型建模；

具体地，包括以下过程：

步骤1.1：从目标造穴区域获取煤样，开展工业分析、拉压剪实验、CT扫描等物理实验，获取试样矸石含量、抗压强度、抗剪强度、孔隙率、密度、层理分布情况等参数。借助钻孔电视等扫描方法，获取钻孔孔周裂隙的分布情况，统计其长度、分布位置、方向等信息。

步骤1.2：本模型中，DEM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，将模型导入PFC软件中，设置颗粒(组)参数(密度、粒径范围、分组、孔隙率等)，向模型中填充颗粒。

步骤1.3：根据CT扫描、电镜扫面等实验统计得到的结构面信息分布情况，给煤层模型添加层理、节理信息，根据钻孔电视等手段得到的裂隙分布情况，给煤层模型添加裂隙分布信息，完成煤层数值模型的建立。

煤层模型主要由颗粒和结构面信息构成，其建模过程包括：基于煤层地质信息建立三维煤层结构，基于物理实验获取的煤样细观物理参数在模型中生成颗粒、根据得到的节理、层理、裂隙等不同尺度结构面信息构建模型中的结构面。

步骤2：基于水力造穴设计方案，建立三维模型，并将其导入PFC软件中，设定水力造穴模型参数，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-磨料配比、喷嘴结构等参数。参数设定完成后，设置颗粒(组)参数(密度、粒径范围、分组、配比等)，向模型中填充颗粒，并设置边界条件。

水力造穴系统数值建模包括：根据水力造穴系统结构建立数值模型三维结构，按磨料各成分配比分别生成磨料颗粒、按水-磨料配比按配比生成液体(颗粒)；

液体通过粒径远小于磨料颗粒的小颗粒进行表征；所述液体颗粒成团后具有表面张力，所述表面张力用外表颗粒间粘性连接键进行表征。

步骤3：基于室内实验得到的宏观参数，结合现场相关已有资料对液体颗粒-磨料颗粒、液体颗粒-墙、液体颗粒-煤颗粒、煤颗粒-磨料颗粒、煤颗粒-墙等颗粒类型间进行参数标定；

具体地，包括：

步骤3.1：无粘结固体颗粒参数标定。固体颗粒间采用无粘结模型，即不考虑磨料、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α、β宏观标定颗粒间的静摩擦系数μ

步骤3.2：平行粘结键参数标定。

根据步骤1中物理实验得到的弹性模量E、泊松比v、摩擦系数c、抗压强度σ

步骤4：记录当前模型中颗粒的分布位置、粘结键分布及受力情况，并在布置测试球。

步骤5：进行煤矿井下水力造穴工艺DEM-CFD耦合模拟数值计算，统计每一步颗粒的位置信息、应力、孔隙率等参数，统计每一步粘结键参数，直至预定造穴步骤完成。

具体包括以下步骤：

步骤5.1：生成并计算流体域。

流体主要用于在造穴系统中对小球的驱动，流体域主要分布在水力造穴系统喷嘴与液体运移管道中，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、速度等参数。

步骤5.2：固体域计算。

将步骤5.1中得到的喷出粒子速度、方向赋值到离散元模块中，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。

步骤5.3：颗粒位置信息与粘结键信息遍历统计；

利用PFC中的遍历命令，统计该时间下计算域中的所有颗粒位置信息，同时利用遍历命令统计所有粘结键信息。

步骤5.4：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。

步骤5.5：循环步骤5.1-5.4，直至预定的造穴步骤完成。

造穴系统中颗粒由CFD模型中的流场驱动，液体颗粒和磨料颗粒由流场驱动，颗粒从喷嘴喷出后不再受流场作用；

构成煤层结构的大量颗粒间存在粘结键，模拟过程中，部分煤颗粒受液体颗粒和磨料颗粒冲击，粘结键断裂，脱离煤层结构，引起煤层局部强度、应力、密度、孔隙率等参数变化，可根据颗粒数量和粘结键数量的变化情况对相应参数进行统计计算。

步骤6：通过耦合计算过程中得到不同时间步下的颗粒各参数数值，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、孔隙率等参数，其计算方法见下式。

σ

ρ

ε

式中σ

步骤7：在步骤6的基础上，通过记录模拟过程中目标造穴区域内局部应力、密度、孔隙率等参数的分布情况，设定不同权重，采用多信息融合分析方法对模拟得到的参数进行分析，对水力造穴的卸压造穴效果进行表征，其数值关系见式2

S＝f(σ

步骤8：基于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，提出水力造穴参数的优化方案，并通过数值计算分析对模型进行优选，最终得到与实际作业条件相适宜的水力造穴工艺优化方案。

实施例二

一种煤矿井下水力造穴工艺模拟优化系统，包括：

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；

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；

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；

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；

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。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。