一种采动断层突水量预测的模拟方法与流程

本技术涉及矿井水防治，具体地，涉及一种采动断层突水量预测的模拟方法。

背景技术：

1、石炭-二叠系煤层是华北型煤田的主力煤层之一，但其往往直接覆盖在奥陶系强岩溶含水层之上。据统计，该区域高达570亿吨煤炭资源储量受水害威胁而无法开采，80％以上的底板突水与断层相关。生产实践表明，断层带往往由砂质、泥质成分充填，采动影响下断层充填物产生张拉或剪切型裂隙，并导致底板承压水沿着断层裂隙进入工作面。而断层带的发育规模、产状、煤层厚度、含水层富水性等均会影响断层突水量。采用合理的数值模拟方法预测采动断层突水量，对于工作面布置、制定矿井防治水措施至关重要。

2、近年来，国内外学者主要采用有限元(fem)、有限差分(fdm)方法模拟研究采动断层突水问题。fem与fdm方法均把断层泥视作“多孔介质”，采动应力不会从根本上破坏“孔隙结构”，只会造成“孔隙大小或孔隙度”的变化，从而改变“渗透系数”，最终影响断层突水量。事实上，采动应力不仅导致断层泥孔隙大小变化，更会导致裂隙形成。随机生成、且开度不一的裂隙，导致采动断层出现显著的渗透非均质性、渗透各向异性、渗透非线性。仅仅基于连续介质假设、孔隙介质模型框架、以及建立在“渗透系数”概念上的fem、fdm方法，很难完整描述采动断层渗透性的上述三个特征，从而导致数值预测突水量大幅偏离实际结果。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中的至少一个不足，本技术提供一种采动断层突水量预测的模拟方法。

2、第一方面，提供一种采动断层突水量预测的模拟方法，包括：

3、建立采动断层数值模型，将采动断层数值模型划分为多个实体单元；并在相邻实体单元之间生成裂缝单元；每个实体单元具有弹性力学属性和塑性力学属性，每个裂缝单元具有韧性断裂力学属性；

4、根据工作面回采速度在采动断层数值模型中模拟采煤工作面回采过程；

5、对每个实体单元，确定与实体单元相邻的每个裂缝单元的裂隙开度；

6、在采动断层数值模型的断层周围区域建立欧拉网格部件，并设置边界条件；欧拉网格部件包括多个欧拉单元，欧拉单元具有流体动力学属性；

7、基于流体体积vof方法和每个裂缝单元的裂隙开度，计算欧拉网格部件中具有气-水二向流的每个欧拉单元中流体的体积分数，根据每个欧拉单元中流体的体积分数确定采动断层突水量。

8、在一个实施例中，对每个实体单元，确定与实体单元相邻的每个裂缝单元的裂隙开度，包括：

9、确定与实体单元在各个方向上相邻的实体单元，并确定相邻的实体单元之间的所有裂缝单元；实体单元和裂缝单元均包括多个节点；

10、根据裂缝单元的韧性断裂力学属性确定裂缝单元的裂隙类型，裂隙类型包括纯张拉型裂隙、纯剪切型裂隙或者拉剪混合型裂隙；

11、若裂缝单元的裂隙类型为纯张拉型裂隙，则裂隙开度不需要剪胀修正，采用以下方式得到裂缝单元的裂隙开度：

12、计算裂缝单元中相对应的两两节点之间的间距，并采用线性插值的方法得到裂缝单元的裂隙开度；

13、若裂缝单元的裂隙类型为纯剪切型裂隙或者拉剪混合型裂隙，则裂隙开度需要剪胀修正，采用以下方式得到裂缝单元的裂隙开度：

14、在裂隙初始开度设置为δn0＝0，裂缝单元的裂隙开度δn，采用以下公式计算：

15、

16、其中，s为剪切位移，k1为材料参数，σn为法向应力，σu为相邻岩块的单轴抗压强度，ψ0为初始剪胀角。

17、在一个实施例中，根据裂缝单元的韧性断裂力学属性确定裂缝单元的裂隙类型，包括：

18、若fe,n＞0且fe,s＝0、fe,t＝0，则裂缝单元为纯张拉型裂隙；其中，fen为拉断裂能，fes，fet为两个剪切方向断裂能；

19、若fe,s＞0，或fe,t＞0，则裂缝单元为纯剪切型裂隙，或者拉剪混合型裂隙。

20、在一个实施例中，基于流体体积vof方法和每个裂缝单元的裂隙开度，计算欧拉网格部件中具有气-水二向流的每个欧拉单元中流体的体积分数，根据每个欧拉单元中流体的体积分数确定采动断层突水量，包括：

21、基于每个裂缝单元的裂隙开度，结合增强的浸没边界算法、hugoniot条件，识别流-固接触边界，并确定流-固接触边界两侧流体的法向速度、切向速度、压力、密度；

22、根据流体的法向速度、切向速度、压力、密度，基于流体体积vof方法，计算欧拉网格部件中具有气-水二向流的每个欧拉单元中流体的体积分数；

23、具有气-水二向流的每个欧拉单元的体积乘以流体的体积分数，得到每个欧拉单元中的突水量；

24、累加所有欧拉单元的突水量，得到采动断层突水量。

25、在一个实施例中，采动断层数值模型为二维模型或三维模型。

26、第二方面，提供一种采动断层突水量预测的模拟装置，包括：

27、模型建立模块，用于将采动断层数值模型划分为多个实体单元；并在相邻实体单元之间生成裂缝单元；每个实体单元具有弹性力学属性和塑性力学属性，每个裂缝单元具有韧性断裂力学属性；

28、工作面回采过程模拟模块，用于根据工作面回采速度在采动断层数值模型中模拟采煤工作面回采过程；

29、裂隙开度确定模块，用于对每个实体单元，确定与实体单元相邻的每个裂缝单元的裂隙开度；

30、欧拉网格部件建立模块，用于在采动断层数值模型的断层周围区域建立欧拉网格部件，并设置边界条件；欧拉网格部件包括多个欧拉单元，欧拉单元具有流体动力学属性；

31、突水量确定模块，用于基于流体体积vof方法和每个裂缝单元的裂隙开度，计算欧拉网格部件中具有气-水二向流的每个欧拉单元中流体的体积分数，根据每个欧拉单元中流体的体积分数确定采动断层突水量。

32、在一个实施例中，裂隙开度确定模块，还用于：

33、确定与实体单元在各个方向上相邻的实体单元，并确定相邻的实体单元之间的所有裂缝单元；实体单元和裂缝单元均包括多个节点；

34、根据裂缝单元的韧性断裂力学属性确定裂缝单元的裂隙类型，裂隙类型包括纯张拉型裂隙、纯剪切型裂隙或者拉剪混合型裂隙；

35、若裂缝单元的裂隙类型为纯张拉型裂隙，则裂隙开度不需要剪胀修正，采用以下方式得到裂缝单元的裂隙开度：

36、计算裂缝单元中相对应的两两节点之间的间距，并采用线性插值的方法得到裂缝单元的裂隙开度；

37、若裂缝单元的裂隙类型为纯剪切型裂隙或者拉剪混合型裂隙，则裂隙开度需要剪胀修正，采用以下方式得到裂缝单元的裂隙开度：

38、在裂隙初始开度设置为δn0＝0，裂缝单元的裂隙开度δn，采用以下公式计算：

39、

40、其中，s为剪切位移，k1为材料参数，σn为法向应力，σu为相邻岩块的单轴抗压强度，ψ0为初始剪胀角。

41、在一个实施例中，突水量确定模块，还用于：

42、基于每个裂缝单元的裂隙开度，结合增强的浸没边界算法、hugoniot条件，识别流-固接触边界，并确定流-固接触边界两侧流体的法向速度、切向速度、压力、密度；

43、根据流体的法向速度、切向速度、压力、密度，基于流体体积vof方法，计算欧拉网格部件中具有气-水二向流的每个欧拉单元中流体的体积分数；

44、具有气-水二向流的每个欧拉单元的体积乘以流体的体积分数，得到每个欧拉单元中的突水量；

45、累加所有欧拉单元的突水量，得到采动断层突水量。

46、第三方面，提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，以实现上述的采动断层突水量预测的模拟方法。

47、第四方面，提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，计算机程序/指令被处理器执行时，以实现上述的采动断层突水量预测的模拟方法。

48、相对于现有技术而言，本技术具有以下有益效果：

49、1、本技术为地下煤炭开采过程中底板断层破裂与突水提供了有效的模拟工具，可实现采动底板断层裂隙萌生、扩展、贯通、张拉或剪切错动，同时实现承压水在断层裂隙中的运移；该方法是对有限元fem与有限差分fdm等基于“连续介质假设”、“孔隙介质渗流模型”的方法的重大改进，可直接将实验所得断裂、剪切摩擦、裂隙流结果向数值模型赋参，无须调整“渗透系数”等参数；同时有效克服断层裂隙流的非均质性、各向异性、高度非线性等数值模拟难题。

50、2、本技术针对压缩剪切型裂隙下其两侧岩块易相互嵌入，与剪切实验结果相悖的难题，提出剪切型裂隙开度的剪胀修正方法，为剪切型断层拉-剪混合型断层突水量提供了有效方法。

51、3、本技术可实现在任意采动裂隙发育区、布置任意大小的欧拉网格区域，从而大大加快数值计算速度。

52、4、本技术结合增强的浸没边界算法、hugoniot条件、流体体积vof法，不仅将流体限制在采动裂隙内，而且实现裂隙内流体自由面的追踪和重构。

53、5、本技术可用于分析不同工程、地质参数下，不同裂隙内的水流速度，得到断层突水量随回采参数的演化规律，从而优化工作面布置、制定断层防治水措施。