一种隧道瓦斯突出注浆封堵全过程模拟方法及系统

本发明属于岩土工程，尤其涉及一种隧道瓦斯突出注浆封堵全过程模拟方法及系统。

背景技术：

1、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。

2、随着基础设施建设投入的逐步加大，越来越多的隧道工程正深入不良地质构造极为发育的西部偏远地区，而高瓦斯及瓦斯突出风险多藏匿于此；在隧道施工时，围岩和煤层中会溢出成分复杂的有毒有害气体，这些气体被统称为瓦斯，瓦斯气体密度小，再加上隧道内的空气流通状况尚佳，瓦斯气体中包含的大量一氧化碳、甲烷、硫化氢等易燃气体极易在隧道拱顶大量积聚；若隧道空气中瓦斯含量超过一定浓度，会变得极其不稳定，一旦遇到火源或高温，极有可能发生爆炸；瓦斯封堵注浆过程中，瓦斯气体压缩会引起温度增长，考虑瓦斯气体对温度敏感的特殊性，这一现象同样会带来重大安全隐患。

3、探究瓦斯注浆封堵机理的手段一般采用模型试验及数值计算的方法，但存在以下问题：在模型试验方面，试验的开展往往受限于浆液固化导致测试元件易失效，再加之气体介质在控制方面及瓦斯气体的特殊性而导致的挑战，导致瓦斯注浆封堵模型试验开展难度大、试验效果不理想，且易引发危险；在数值计算方面，瓦斯封堵注浆是一个极其复杂的多相流动与固化过程，目前气体封堵注浆理论的发展还处于不成熟阶段，涉及流体相、固体相、浆水气多相流体动力学过程、浆液相变过程、浆气相界面相互作用等过程，相关理论和数值计算方法不成熟；根据理想气体定律或状态方程以及能量方程的描述，气体在受压环境下压缩明显且压缩常常会引起气体温度的升高，而现有的数值模拟方法大多将气体相视为一种密度比水小的流体相，采用不可压缩三相流理论与数值算法研究三相间的相互作用，不能考虑瓦斯介质注浆过程中气体相压缩及温度变化带来的重要影响，导致无法反应瓦斯注浆封堵的真实机理。

4、因此，现有的瓦斯封堵注浆过程模拟方法，受浆液固化、瓦斯气体压缩及温度变化复杂过程的影响，无法实现瓦斯介质注浆封堵全过程精细化描述。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种隧道瓦斯突出注浆封堵全过程模拟方法及系统，基于多相流理论并考虑浆液粘度的时变性构建瓦斯突出注浆封堵模型，通过引入可压缩性方程刻画瓦斯气体压缩过程，引入能量方程进一步表征气体压缩过程中的温度变化，进而实现瓦斯突出注浆封堵过程中的真实呈现与精细化描述，从而实现隧道瓦斯突出注浆封堵全过程模拟与风险规避策略和防爆预警指导。

2、为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

3、本发明第一方面提供了一种隧道瓦斯突出注浆封堵全过程模拟方法。

4、一种隧道瓦斯突出注浆封堵全过程模拟方法，包括：

5、根据工程数据，构建瓦斯突出注浆封堵模型，并对瓦斯突出注浆封堵模型进行初始化；

6、基于初始化后的瓦斯突出注浆封堵模型，对三维流场进行流体计算，预测当前时间步的注浆速度场、注浆压力场、相分数场、浆液温度场和浆液粘度场，推进时间步，重复预测步骤，直至达到最终注浆时间步，完成瓦斯突出封堵注浆的模拟；

7、其中，所述瓦斯突出注浆封堵模型，通过可压缩性方程刻画瓦斯气体的压缩过程，通过能量方程表征瓦斯气体压缩过程中的温度变化，可压缩性方程与动量方程及连续性方程进行耦合，获取密度与压力、速度之间的关系，对三维流场进行流体计算。

8、进一步的，所述对瓦斯突出注浆封堵模型进行初始化，具体为：

9、收集隧道和周围地质相关的工程数据；

10、基于工程数据，构建隧道瓦斯充填的三维几何模型，并将三维几何模型划分为流体计算网格，基于有限体积法将连续的计算域离散化至每个控制体积上；

11、根据工程数据，对瓦斯突出注浆封堵模型的边界条件、注浆速度、注浆压力、动水初始流场、浆液扩散形态、温度场、浆液粘度、恒容比热容、热导率以及密度进行初始化设置。

12、进一步的，所述对三维流场进行流体计算，具体为：

13、离散后的连续性方程与动量方程相组合，根据上一时间步的注浆速度、注浆压力、相分数和浆液粘度，预测当前时间步的注浆压力和注浆速度；

14、基于注浆压力、温度、注浆速度，将可压缩性方程与连续性方程耦合，进行离散化求解当前时间步瓦斯相的密度；

15、根据预测得到的注浆速度、瓦斯相的密度，通过能量方程预测瓦斯相的温度，并更新焓；

16、根据当前时间步的注浆速度，构建离散后的相分数方程，通过求解相分数方程得到当前时间步的相分数，用来表征浆液扩散形态；

17、基于当前时间步的注浆速度，构建离散的时间传输方程，预测当前时间步的浆液注入时长，根据浆液注入时长得到当前时间步的浆液粘度。

18、进一步的，所述预测当前时间步的注浆压力和注浆速度，具体为：

19、根据注浆速度、注浆压力、相分数和浆液粘度，组建动量方程，通过求解动量方程得到预测注浆速度；

20、离散后的连续性方程与动量方程相组合，根据预测注浆速度求解注浆压力，根据注浆压力求解注浆速度；以此迭代计算，直至达到迭代次数后，将求得的注浆压力和注浆速度，作为当前时间步的注浆压力和注浆速度。

21、进一步的，所述求解当前时间步瓦斯相的密度，具体为：

22、根据预测得到的注浆压力和温度与可压缩性方程耦合，得到瓦斯相密度，迭代计算，直至达到迭代次数后，得到当前时间步的注浆压力、温度与瓦斯相的密度。

23、进一步的，所述预测瓦斯相的温度，具体为：

24、根据预测得到的注浆速度和密度与能量方程耦合，得到瓦斯介质的温度及更新焓，迭代计算，直至达到迭代次数后，得到当前时间步的注浆速度、瓦斯相的密度与瓦斯相的温度。

25、进一步的，所述当前时间步的浆液粘度，具体计算过程为：

26、基于有限体积法的基本原理，构建离散的时间传输方程；

27、利用时间传输方程，预测当前时间步的浆液注入时长；

28、基于浆液注入时长，利用由实验数据拟合得到的粘度时变函数，计算当前时间步的浆液粘度。

29、本发明第二方面提供了一种隧道瓦斯突出注浆封堵全过程模拟系统。

30、一种隧道瓦斯突出注浆封堵全过程模拟系统，包括初始化模块和模拟模块：

31、初始化模块，被配置为：根据工程数据，构建瓦斯突出注浆封堵模型，并对瓦斯突出注浆封堵模型进行初始化；

32、模拟模块，被配置为：基于初始化后的瓦斯突出注浆封堵模型，对三维流场进行流体计算，预测当前时间步的注浆速度场、注浆压力场、相分数场、浆液温度场和浆液粘度场，推进时间步，重复预测步骤，直至达到最终注浆时间步，完成瓦斯突出封堵注浆的模拟；

33、其中，所述瓦斯突出注浆封堵模型，通过可压缩性方程刻画瓦斯气体的压缩过程，通过能量方程表征瓦斯气体压缩过程中的温度变化，可压缩性方程与动量方程及连续性方程进行耦合，获取密度与压力、速度之间的关系，对三维流场进行流体计算。

34、本发明第三方面提供了计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的一种隧道瓦斯突出注浆封堵全过程模拟方法中的步骤。

35、本发明第四方面提供了电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的一种隧道瓦斯突出注浆封堵全过程模拟方法中的步骤。

36、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

37、本发明提出一种隧道瓦斯突出注浆封堵全过程模拟方法及系统，基于多相流理论并考虑浆液粘度的时变性构建瓦斯突出注浆封堵模型，捕捉之间的复杂相互作用，通过时间传输方程刻画浆液注入的时间变化规律，通过引入可压缩性方程与能量方程构建可压缩多相热传递模型，表征瓦斯气体被注过程中的压缩性以及压缩过程中的温度变化，进而实现瓦斯介质注浆封堵全过程精细化描述。

38、本发明通过引入可压缩性方程，并与动量方程及连续性方程进行耦合，以精确获取密度与压力、速度之间的关系，实现瓦斯气体被注时的密度变化精细表征。

39、本发明通过引入可压缩流体表征的能量方程，实现瓦斯突出注浆封堵过程中气体压缩时焓的变化引起的温度变化表征，在针对瓦斯这种对温度高度敏感的特殊介质进行注浆过程中，考虑到温度升高可能导致爆炸或火灾风险增加，可以提供关键的风险规避策略和防爆预警指导。

40、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。