СПОСОБ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СВЯЗИ ФИЛЬТРАЦИИ/ПОВРЕЖДЕНИЙ/НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ВПРЫСКЕ ВОДЫ В КАМЕННОУГОЛЬНЫЙ МАССИВ ПРИ РАЙОНИРОВАНИИ Российский патент 2021 года по МПК G06F30/20 E21B49/00 E21C41/16 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Настоящее изобретение относится к области механических свойств горных пород, а конкретно - к методу численного моделирования связи фильтрации/повреждений/напряжений при впрыске воды в каменноугольный массив, содержащий геологическую структуру, при районировании.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Впрыск воды в угольный пласт - это процесс введения воды под давлением и водного раствора в угольный массив через буровую скважину для обеспечения повышенной пластичности этого массива и снижения его хрупкости вследствие увлажняющего воздействия воды. При внешнем воздействии на угольный массив множественные очаги хрупкого разрушения преобразуются в пластическую деформацию. Следовательно, вероятность того, что угольный массив будет раздроблен на частицы пыли, существенно снижается, тем самым приводя к снижению образования частиц угольной пыли. Весь процесс включает в себя использование вычислительной гидродинамики, механических свойств раздробленных пород, а также взаимодействие жидкостей и твердых тел и т.д. Таким образом, процесс численного моделирования весьма сложен.

[0003] В настоящее время исследования в области численного моделирования впрыска воды в угольный массив преимущественно выполняются из соображений макромасштаба. Закономерности миграции влаги в угольном массиве изучаются путем моделирования значений в полях скорости фильтрации, давления фильтрации и т.д. на макроуровне. При этом, являясь типичным материалом, состоящим из пористой среды, увлажнение угольного массива преимущественно происходит следующим образом - влага проникает во множество мелких пор в угольном массиве. Моделирование на макроуровне не может обеспечить воссоздание процесса для глубокого исследования. Большинство исследований фильтрации влаги на предыдущем уровне технике основаны на сепаратном анализе конечных и дискретных элементов. Однако конечно-элементный анализ не может реализовать механическое разрушение угля, а анализ дискретных элементов - точно описать процесс фильтрации и данные по приросту количества воды.

[0004] Таким образом, предыдущий уровень техники требует дальнейшего усовершенствования и развития.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] Для устранения вышеприведенных недостатков предыдущего уровня техники в настоящем изобретении предлагается метод численного моделирования связи фильтрации/повреждений/напряжений при впрыске воды в каменноугольный массив, содержащий геологическую структуру, при районировании для обеспечения более точного моделирования повреждений угольного массива и закономерностей миграции влаги в процессе введения воды в каменноугольный массив с целью получения данных о впрыске воды в угольный пласт.

[0006] Для разрешения вышеприведенной задачи ниже приведено решение по настоящему изобретению.

[0007] Метод численного моделирования связи фильтрации/повреждений/напряжений при впрыске воды в каменноугольный массив при районировании включает в себя следующие этапы.

[0008] Этап 1: на основании геологических изысканий задается модель каменноугольного массива с разломом.

[0009] Этап 2: путем проведения сканирования касательно соответствующего каменноугольного массива, полученного при геологических изысканиях, в сочетании с трехмерным реконструктивным алгоритмом типа FDK (алгоритм Фельдкампа, Дэвиса и Кресса) выполняется построение цифровой трехмерной базовой модели породы с реальными характеристиками порового пространства.

[0010] Этап 3: в среде граничных элементов устанавливается, является ли настоящий район районом проведения горных работ, за счет исполнения алгоритма генерирования «горнодобычных трещин», то есть, устанавливается, составляет ли расстояние от поверхности выемки менее 80 м. Если это район проведения горных работ, выполняется этап 4; если это не так, выполняется этап 5.

[0011] Этап 4: устанавливается, превышает ли поперечное сечение потока 30 мкм². Если поперечное сечение потока превышает 30 мкм², для сохранения и вывода результата выполняется расчет по Навье-Стоксу; если поперечное сечение менее 30 мкм², для сохранения и вывода результата выполняется расчет по закону Дарси.

[0012] Этап 5: устанавливается, превышает ли поперечное сечение потока 30 мкм². Если поперечное сечение потока превышает 30 мкм², выполняется этап 6; если поперечное сечение менее 30 мкм², выполняется этап 12.

[0013] Этап 6: на основании языка С# путем программирования глубины залегания, геологических условий, состава верхнего пласта породы и угла падения угольного пласта генерируется начальная точка концентрации напряжений.

[0014] Этап 7: выполняется разграничение сетки для базовой трехмерной цифровой модели породы, обработанной на этапе 6.

[0015] Этап 8: выполняется сопоставление сдвигового усилия и сопротивления сдвигу сетки за счет проведения расчетов относительно сдвигового усилия, приложенного к сетке угольного массива, с целью определения набора сеток, наиболее уязвимого к повреждениям. При наличии сетки, сдвиговое усилие в которой превышает сопротивление сдвигу, такая сетка отмечается как «исходная трещина», а затем выполняется этап 9. При отсутствии сетки, сдвиговое усилие в которой превышает сопротивление сдвигу, вычисления прекращаются, а затем выполняется этап 11.

[0016] Этап 9: материал в «исходной трещине» заменяется газом в угольном пласте.

[0017] Этап 10: устанавливается, превышает ли суммарная площадь «исходной трещины», обработанной на этапе 9, площадь разлома в два раза. Если это не так, после удаления сетки «оригинальной трещины» генерируется новая модель, и этап 8 повторяется; если это так, вычисления прекращаются, и выполняется этап 11.

[0018] Этап 11: выполняется построение конечной исходной трещины, содержащей геологическую структуру, в процессе вычисления генерируется модель с двумя классами трещин угольного пласта, и выполняется повторное разграничение сетки для экспорта общих геометрических параметров стереолитографии типа STL, после чего выполняется расчет по Навье-Стоксу для сохранения и выдачи результата.

[0019] Этап 12: в среде граничных элементов выполняется расчет значения в поле фильтрации и параметра напряжения на основании самостоятельно определяемого уравнения связи, после чего выполняется этап 13.

[0020] Этап 13: в среде моделирования без использования сетки устанавливается, имеется ли в наличии точка, в которой сдвиговое усилие превышает соответствующий параметр каменноугольного массива. Если это так, такие точки последовательно соединяются так, чтобы охватываемый ими район был обозначен как «неэффективный каменноугольный массив», и затем выполняется этап 14; если это не так, выполняется этап 15.

[0021] Этап 14: граница «неэффективного каменноугольного массива», обозначенная на этапе 13, вводится повторно с использованием условия входа влаги.

[0022] Этап 15: отдельно выполняется моделирование турбулентного потока, вычисляется распределение напряжений, а затем результат моделирования узла сохраняется.

[0023] Этап 16: устанавливается, достигает ли участок механического разрушения по результатам моделирования на этапе 15 поверхности угольного массива. Если это не так, выполняется этап 17; если это так, выполняется этап 18.

[0024] Этап 17: устанавливается, приближается ли суммарное время хранения к заданному времени моделирования. Если это не так, повторяется этап 12, а если это так, выполняется этап 18.

[0025] Этап 18: действие среды без использования сетки останавливают; расчет по закону Дарси выполняется только после вычисления турбулентного потока и напряжения в среде граничных элементов, после чего результат сохраняется и выводится.

[0026] Этап 19: результаты, полученные на этапах 4, 11 и 18, объединяются, после чего они выводятся и сохраняются в отдельный файл для получения квантованного статистического результата.

[0027] Согласно методу численного моделирования связи фильтрации/повреждений/напряжений при впрыске воды в каменноугольный массив при районировании расчет по Навье-Стоксу включает в себя следующие этапы.

[0028] Этап А: инициализация расчетов по Навье-Стоксу.

[0029] Этап В: расчет давления воды и газа.

[0030] Этап С: устанавливается, превышает ли давление воды давление газа. Если это так, следующий материал сетки заменяют водой, и выполняется этап D; если значение меньше, выполняется непосредственно этап D.

[0031] Этап Б: устанавливается, достигнуто ли заданное время проведения вычислений. Если это не так, повторяется этап А; если это так, результат сохраняется и выводится напрямую.

[0032] Согласно методу численного моделирования связи фильтрации/повреждений/напряжений при впрыске воды в каменноугольный массив при районировании расчет по закону Дарси включает в себя следующие этапы.

[0033] Этап Е: инициализация расчетов по закону Дарси.

[0034] Этап F: расчет давления воды и газа.

[0035] Этап J: устанавливается, превышает ли давление воды давление газа. Если это так, следующий материал сетки заменяют водой, и выполняется этап Н; если значение меньше, выполняется непосредственно этап Н.

[0036] Этап Н: устанавливается, достигнуто ли заданное время проведения вычислений. Если это не так, повторяется этап Е; если это так, результат сохраняется и выводится напрямую.

[0037] Согласно настоящему методу численного моделирования связи фильтрации/повреждений/напряжений при впрыске воды в каменноугольный массив при районировании вышеприведенный этап 1, в частности, дополнительно включает в себя: сохранение шести параметров, т.е., точки начала разлома, точки окончания разлома, точки складки разлома, параллакс, падение и угол падения для ввода пользователем в процессе составления модели каменноугольного массива с разломом.

[0038] Согласно настоящему методу численного моделирования связи фильтрации/повреждений/напряжений при впрыске воды в каменноугольный массив при районировании вышеприведенный этап 2, в частности, дополнительно включает в себя: выполнение фильтрования цифровой трехмерной базовой модели породы на основании алгоритма обработки изображений для сглаживания краев модели и дальнейшее получение микропорового пространства угольного массива за счет проведения раздела данных по пороговым значениям с целью исключения очагового порового пространства с низким уровнем связи и экспорта конечной цифровой модели порового пространства угольного массива в формат STL.

[0039] Согласно настоящему методу численного моделирования связи фильтрации/повреждений/напряжений при впрыске воды в каменноугольный массив при районировании, вышеприведенный квантованный статистический результат включает в себя результаты моделирования поля давления воды, моделирования давления газа, моделирования давления угольного массива, моделирования скоростей потока влаги и газа.

[0040] По настоящему изобретению предлагается метод численного моделирования связи фильтрации/повреждений/напряжений при впрыске воды в каменноугольный массив, содержащий геологическую структуру, при районировании. По настоящему методу моделирование выполняется за счет применения уравнения Навье-Стокса и закона Дарси, основанных на двух методах граничных элементов и методе без использования сетки; в сравнении с конечно-элементным методом метод граничных элементов имеет преимущества в виде меньшего количества единиц и упрощенной подготовки данных. Процесс фильтрации моделируется по методу граничных элементов, а процесс механического разрушения угольного массива - по методу без использования сетки, поэтому преимущества двух методов моделирования сочетаются на микроуровне. Таким образом, обеспечивается возможность более точного моделирования повреждений угольного массива и закономерностей миграции влаги в процессе впрыска воды в каменноугольный массив при районировании для получения надежной базы данных для введения воды в угольный пласт. Следовательно, снижается вероятность распада угольного массива на частицы пыли, уменьшается выработка угольной пыли и обеспечиваются горные работы на угольном пласте.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0041] ФИГ. 1 - схематическое изображение метода численного моделирования связи фильтрации/повреждений/напряжений при впрыске воды в каменноугольный массив при районировании по настоящему изобретению.

[0042] ФИГ. 2 - схематическое изображение выполнения обработки при расчетах по Навье-Стоксу по настоящему изобретению.

[0043] ФИГ. 3 - схематическое изображение выполнения обработки при расчетах по закону Дарси по настоящему изобретению.

[0044] ФИГ. 4 - схематическое изображение исключения очагового угольного массива по настоящему изобретению.

[0045] ФИГ. 5 - схематическое изображение модели угольного массива после исключения очага по настоящему изобретению.

[0046] ФИГ. 6 - схема моделирования, на которой приведен результат воздействия давления воды по настоящему изобретению.

[0047] ФИГ. 7 - схема моделирования, на которой приведен результат воздействия давления газа по настоящему изобретению.

[0048] ФИГ. 8 - схема моделирования, на которой приведен результат воздействия давления угольного массива по настоящему изобретению.

[0049] ФИГ. 9 - схема моделирования, на которой приведен результат воздействия скорости потока влаги по настоящему изобретению.

[0050] ФИГ. 10 - схема моделирования, на которой приведен результат воздействия скорости потока газа по настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0051] По настоящему изобретению предлагается метод численного моделирования связи фильтрации/повреждений/напряжений при впрыске воды в каменноугольный массив, содержащий геологическую структуру, при районировании. Для обеспечения большего понимания цели, технических решений и эффектов настоящего изобретения оно будет подробно описано ниже. Необходимо понимать, что конкретные примеры, описанные в настоящем документе, использованы исключительно для пояснения настоящего изобретения, но не с целью его ограничения.

[0052] По настоящему изобретению предлагается метод численного моделирования связи фильтрации/повреждений/напряжений при впрыске воды в каменноугольный массив при районировании. Как показано на ФИГ. 1, метод включает следующие этапы:

[0053] Этап 1: на основании геологических изысканий задается модель каменноугольного массива с разломом.

[0054] Этап 2: путем проведения сканирования касательно соответствующего каменноугольного массива, полученного при геологических изысканиях, в сочетании с трехмерным реконструктивным алгоритмом типа FDK (алгоритм Фельдкампа, Дэвиса и Кресса) выполняется построение цифровой трехмерной базовой модели породы с реальными характеристиками порового пространства.

[0055] Этап 3: в среде граничных элементов устанавливается, является ли настоящий район районом проведения горных работ, за счет исполнения алгоритма генерирования «горнодобычных трещин», то есть, устанавливается, составляет ли расстояние от поверхности выемки менее 80 м. Если это район проведения горных работ, выполняется этап 4; если это не так, выполняется этап 5.

[0056] Этап 4: устанавливается, превышает ли поперечное сечение потока 30 мкм². Если поперечное сечение потока превышает 30 мкм², для сохранения и вывода результата выполняется расчет по Навье-Стоксу, как приведено на ФИГ. 2; если поперечное сечение менее 30 мкм², для сохранения и вывода результата выполняется расчет по закону Дарси, как приведено на ФИГ. 3.

[0057] Этап 5: устанавливается, превышает ли поперечное сечение потока 30 мкм². Если поперечное сечение потока превышает 30 мкм², выполняется этап 6; если поперечное сечение менее 30 мкм², выполняется этап 12.

[0058] Этап 6: на основании языка С# путем программирования глубины залегания, геологических условий, состава верхнего пласта породы и угла падения угольного пласта генерируется начальная точка концентрации напряжений.

[0059] Этап 7: выполняется разграничение сетки для базовой трехмерной цифровой модели породы, обработанной на этапе 6.

[0060] Этап 8: выполняется сопоставление сдвигового усилия и сопротивления сдвигу сетки за счет проведения расчетов относительно сдвигового усилия, приложенного к сетке угольного массива, с целью определения набора сеток, наиболее уязвимого к повреждениям. При наличии сетки, сдвиговое усилие в которой превышает сопротивление сдвигу, такая сетка отмечается как «исходная трещина», а затем выполняется этап 9. При отсутствии сетки, сдвиговое усилие в которой превышает сопротивление сдвигу, вычисления прекращаются, а затем выполняется этап 11.

[0061] Этап 9: материал в «исходной трещине» заменяется газом в угольном пласте.

[0062] Этап 10: устанавливается, превышает ли суммарная площадь «исходной трещины», обработанной на этапе 9, площадь разлома в два раза. Если это не так, после удаления сетки «оригинальной трещины» генерируется новая модель, и этап 8 повторяется; если это так, вычисления прекращаются, и выполняется этап 11.

[0063] Этап 11: выполняется построение конечной исходной трещины, содержащей геологическую структуру, в процессе вычисления генерируется модель с двумя классами трещин угольного пласта, и выполняется повторное разграничение сетки для экспорта общих геометрических параметров стереолитографии типа STL, после чего выполняется расчет по Навье-Стоксу для сохранения и выдачи результата.

[0064] Этап 12: в среде граничных элементов выполняется расчет значения в поле фильтрации и параметра напряжения на основании самостоятельно определяемого уравнения связи, после чего выполняется этап 13.

[0065] Этап 13: в среде моделирования без использования сетки устанавливается, имеется ли в наличии точка, в которой сдвиговое усилие превышает соответствующий параметр каменноугольного массива. Если это так, такие точки последовательно соединяются так, чтобы охватываемый ими район был обозначен как «неэффективный каменноугольный массив», и затем выполняется этап 14; если это не так, выполняется этап 15.

[0066] Этап 14: граница «неэффективного каменноугольного массива», обозначенная на этапе 13, вводится повторно с использованием условия входа влаги.

[0067] Этап 15: отдельно выполняется моделирование турбулентного потока, вычисляется распределение напряжений, а затем результат моделирования узла сохраняется.

[0068] Этап 16: устанавливается, достигает ли участок механического разрушения по результатам моделирования на этапе 15 поверхности угольного массива. Если это не так, выполняется этап 17; если это так, выполняется этап 18.

[0069] Этап 17: устанавливается, приближается ли суммарное время хранения к заданному времени моделирования. Если это не так, повторяется этап 12, а если это так, выполняется этап 18.

[0070] Этап 18: действие среды без использования сетки останавливают; расчет по закону Дарси выполняется только после вычисления турбулентного потока и напряжения в среде граничных элементов, после чего результат сохраняется и выводится.

[0071] Этап 19: результаты, полученные на этапах 4, 11 и 18, объединяются, после чего они выводятся и сохраняются в отдельный файл для получения квантованного статистического результата.

[0072] В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения расчеты по Навье-Стоксу включают в себя следующие этапы.

[0073] Этап А: инициализация расчетов по Навье-Стоксу.

[0074] Этап В: расчет давления воды и газа.

[0075] Этап С: устанавливается, превышает ли давление воды давление газа. Если это так, следующий материал сетки заменяют водой, и выполняется этап D; если значение меньше, выполняется непосредственно этап D.

[0076] Этап D: устанавливается, достигнуто ли заданное время проведения вычислений. Если это не так, повторяется этап А; если это так, результат сохраняется и выводится напрямую.

[0077] Дополнительно расчеты по закону Дарси включают следующие этапы.

[0078] Этап Е: инициализация расчетов по закону Дарси.

[0079] Этап F: расчет давления воды и газа.

[0080] Этап J: устанавливается, превышает ли давление воды давление газа. Если это так, следующий материал сетки заменяют водой, и выполняется этап Н; если значение меньше, выполняется непосредственно этап Н.

[0081] Этап Н: устанавливается, достигнуто ли заданное время проведения вычислений. Если это не так, повторяется этап Е; если это так, результат сохраняется и выводится напрямую.

[0082] Кроме того, вышеприведенный этап 1, в частности, дополнительно включает в себя: сохранение шести параметров, т.е., точки начала разлома, точки окончания разлома, точки складки разлома, параллакса, падения и угла падения для ввода пользователем в процессе составления модели каменноугольного массива с разломом.

[0083] Кроме того, вышеприведенный этап 2, в частности, дополнительно включает в себя: выполнение фильтрования цифровой трехмерной базовой модели породы на основании алгоритма обработки изображений для сглаживания краев модели и дальнейшее получение микропорового пространства угольного массива за счет проведения раздела данных по пороговым значениям с целью исключения очагового порового пространства с низким уровнем связи и экспорта конечной цифровой модели порового пространства угольного массива в формат STL.

[0084] Вышеприведенный квантованный статистический результат включает в себя результаты моделирования поля давления воды, моделирования давления газа, моделирования давления угольного массива, моделирования скоростей потока влаги и газа.

[0085] Для дальнейшего описания настоящего изобретения ниже будут приведены более подробные примеры.

[0086] Метод численного моделирования связи фильтрации/повреждений/напряжений при впрыске воды в каменноугольный массив, содержащий геологическую структуру, при районировании по настоящему изобретению включает в себя следующие этапы.

[0087] Этап 1: на основании геологических изысканий задается модель каменноугольного массива с разломом.

[0088] Согласно результату фактических геологических изысканий путем программирования задается модель угольного массива с сохранением шести параметров, т.е., точки начала разлома, точки окончания разлома, точки складки разлома, параллакса, падения и угла падения для ввода пользователем.

[0089] Этап 2: модель массивов на основе КТ (компьютерная томография);

[0090] Путем проведения сканирования касательно соответствующего каменноугольного массива, полученного при геологических изысканиях, в сочетании с трехмерным реконструктивным алгоритмом типа FDK (алгоритм Фельдкампа, Дэвиса и Кресса) выполняется построение цифровой трехмерной базовой модели породы с реальными характеристиками порового пространства. Для цифровой трехмерной базовой модели породы на основании алгоритма обработки изображений для сглаживания краев модели выполняется фильтрование и дальнейшее получение микропорового пространства угольного массива за счет проведения раздела данных по пороговым значениям с целью исключения очагового порового пространства, например, в темной области на ФИГ. 4 и на обработанном поровом пространстве угольного массива, как приведено на ФИГ. 5. Таким образом, выполняется экспорт конечной цифровой модели порового пространства угольного массива в формат STL.

[0091] Этап 3: в среде граничных элементов устанавливается, является ли настоящий район районом проведения горных работ, за счет исполнения алгоритма генерирования «горнодобычных трещин», то есть, устанавливается, составляет ли расстояние от поверхности выемки менее 80 м. Если это район проведения горных работ, выполняется этап 4; если это не так, выполняется этап 5.

[0092] Этап 4: устанавливается, превышает ли поперечное сечение потока 30 мкм². Если поперечное сечение потока превышает 30 мкм², выполняется этап 6; если оно меньше 30 мкм², выполняется этап 7.

[0093] Этап 5: устанавливается, превышает ли поперечное сечение потока 30 мкм². Если поперечное сечение потока превышает 30 мкм², выполняется этап 8; если поперечное сечение менее 30 мкм², выполняется этап 14.

[0094] Этап 6: для сохранения и вывода результата выполняются расчеты по Навье-Стоксу.

[0095] Этап 7: для сохранения и вывода результата выполняются расчеты по закону Дарси.

[0096] Этап 8: на основании языка С# путем программирования глубины залегания, геологических условий, состава верхнего пласта породы и угла падения угольного пласта генерируется начальная точка концентрации напряжений.

[0097] Этап 9: выполняется разграничение сетки.

[0098] Этап 10: выполняется сопоставление сдвигового усилия и сопротивления сдвигу сетки за счет проведения расчетов относительно сдвигового усилия, приложенного к сетке угольного массива, с целью определения набора сеток, наиболее уязвимого к повреждениям. При наличии сетки, сдвиговое усилие в которой превышает сопротивление сдвигу, такая сетка отмечается как «исходная трещина», а затем выполняется этап 11. При отсутствии сетки, сдвиговое усилие в которой превышает сопротивление сдвигу, вычисления прекращаются, а затем выполняется этап 13.

[0099] Этап 11: материал в «исходной трещине» заменяется газом в угольном пласте.

[00100] Этап 12: устанавливается, превышает ли суммарная площадь «исходной трещины» площадь разлома в два раза. Если это не так, после удаления сетки «оригинальной трещины» генерируется новая модель, и этап 10 повторяется; если это так, вычисления прекращаются, и выполняется этап 13.

[00101] Этап 13: выполняется построение конечной исходной трещины, содержащей геологическую структуру, в процессе вычисления генерируется модель с двумя классами трещин угольного пласта, и выполняется повторное разграничение сетки для экспорта общих геометрических параметров стереолитографии типа STL, после чего выполняется этап 6.

[00102] Этап 14: в среде граничных элементов выполняется расчет значения в поле фильтрации и параметра напряжения на основании самостоятельно определяемого уравнения связи, после чего выполняется этап 15.

[00103] Этап 15: в среде моделирования без использования сетки устанавливается, имеется ли в наличии точка, в которой сдвиговое усилие превышает соответствующий параметр каменноугольного массива. Если это так, такие точки последовательно соединяются так, чтобы охватываемый ими район был обозначен как «неэффективный каменноугольный массив», и затем выполняется этап 16; если это не так, выполняется этап 17.

[00104] Этап 16: граница «неэффективного каменноугольного массива», обозначенная на этапе 15, вводится повторно с использованием условия входа влаги.

[00105] Этап 17: отдельно выполняется моделирование турбулентного потока, вычисляется распределение напряжений, а затем результат моделирования узла сохраняется.

[00106] Этап 18: устанавливается, достигает ли участок механического разрушения по результатам моделирования поверхности угольного массива. Если это не так, выполняется этап 19; если это так, выполняется этап 20.

[00107] Этап 19: устанавливается, приближается ли суммарное время хранения к заданному времени моделирования. Если это не так, повторяется этап 14, а если это так, выполняется этап 20.

[00108] Этап 20: действие среды без использования сетки останавливают; этап 7 выполняется только после вычисления турбулентного потока и напряжения в среде граничных элементов.

[00109] Этап 21: объединенные результаты выводятся и сохраняются в отдельный файл для получения квантованного статистического результата, как приведено на схеме результатов моделирования давления воды на ФИГ. 6, на схеме результатов моделирования давления газа на ФИГ. 7, на схеме результатов моделирования давления угольного массива на ФИГ. 8, на схеме результатов моделирования скорости потока влаги на ФИГ. 9 и на схеме результатов моделирования скорости потока газа на ФИГ. 10.

[00110] Метод дополнительно включает в себя этапы проведения расчетов по Навье-Стоксу и по закону Дарси.

[00111] Этапы проведения расчетов по Навье-Стоксу следующие:

[00112] Этап 61: инициализация расчетов по Навье-Стоксу.

[00113] Этап 62: расчет давления воды и газа.

[00114] Этап 63: устанавливается, превышает ли давление воды давление газа. Если это так, следующий материал сетки заменяют водой, и выполняется этап 64; если значение меньше, выполняется непосредственно этап 64.

[00115] Этап 64: устанавливается, достигнуто ли заданное время проведения вычислений. Если это не так, повторяется этап 61; если это так, результат сохраняется и выводится напрямую.

[00116] Этапы проведения расчетов по закону Дарси следующие.

[00117] Этап 71: инициализация расчетов по закону Дарси.

[00118] Этап 72: расчет давления воды и газа.

[00119] Этап 73: устанавливается, превышает ли давление воды давление газа. Если это так, следующий материал сетки заменяют водой, и выполняется этап 74; если значение меньше, выполняется непосредственно этап 74.

[00120] Этап 74: устанавливается, достигнуто ли заданное время проведения вычислений. Если это не так, повторяется этап 71; если это так, результат сохраняется и выводится напрямую.

[00121] Пример 1

[00122] На этапе 1 создание модели каменноугольного массива с разломом на основании результатов геологических изысканий, в частности, включает в себя следующие этапы.

[00123] (1) В прямоугольной системе координат геометрическая модель угольного массива с тремя измерениями устанавливается на основании высоты угольного пласта, в который вводится вода, длины по простиранию и длины наклона.

[00124] (2) Сохраняются шесть параметров, т.е., точка начала разлома, точка окончания разлома, точка складки разлома, параллакс, падение и угол падения для ввода пользователем.

[00125] (3) Выполняется экспорт геометрических параметров STL.

[00126] На этапе 2 модель массивов на основе КТ включает в себя следующие этапы.

[00127] (1) Путем проведения сканирования касательно соответствующего длиннопламенного угля с помощью трехмерного рентгеновского наномикроскопа серии Voxel-2000 с точностью 0,5 мкм в сочетании с трехмерным реконструктивным алгоритмом типа FDK (алгоритм Фельдкампа, Дэвиса и Кресса) выполняется построение цифровой трехмерной базовой модели породы с реальными характеристиками порового пространства.

[00128] (2) Для снижения шума и сглаживания краев модели выполняется фильтрование базовой трехмерной цифровой модели породы, основанное на алгоритме обработки изображений, затем - объемная визуализация, основанная на значении градации серого, и далее путем раздела данных по пороговым значениям получают микропоровое пространство угольного массива.

[00129] (3) Очаговое поровое пространство с низким уровнем связи исключается, как приведено на темной области на ФИГ. 4 (см. ФИГ. 4 в других наглядных материалах), и получается обработанное поровое пространство угольного массива, приведенное на ФИГ. 5 (см. ФИГ. 5 в других наглядных материалах), которое затем экспортируется в виде конечной цифровой модели порового пространства угольного массива в формате STL.

[00130] Этап 3: в среде граничных элементов устанавливается, является ли настоящий район районом проведения горных работ, за счет исполнения алгоритма генерирования «горнодобычных трещин», то есть, устанавливается, составляет ли расстояние от поверхности выемки менее 80 м. Если это район проведения горных работ, выполняется этап 4; если это не так, выполняется этап 5. Для полноты теории вводятся следующие допущения:

[00131] (1) Водопроницаемостью и накоплением воды во вмещающем массиве пород пренебрегают или не учитывают, поскольку в сравнении с горнодобычной трещиной значение и водопроницаемости, и накопления воды во вмещающем массиве пород невелико.

[00132] (2) Фильтрация в горнодобычной трещине подчиняется закону Дарси

где k=-b²/12.

[00133] (3) Деформационный закон горнодобычной трещины подчиняется объединенной модели Гудмана.

[00134] Этап 4: устанавливается, превышает ли поперечное сечение потока 30 мкм². Если поперечное сечение потока превышает 30 мкм², выполняется этап 6; если поперечное сечение менее 30 мкм², выполняется этап 7.

[00135] Этап 5: устанавливается, превышает ли поперечное сечение потока 30 мкм². Если поперечное сечение потока превышает 30 мкм², выполняется этап 8; если поперечное сечение менее 30 мкм², выполняется этап 14.

[00136] Этап 6: для сохранения и вывода результата выполняются расчеты по Навье-Стоксу.

[00137] (1) Инициализация расчетов по Навье-Стоксу.

[00138] Отверстие введения и свободный поток влаги в трещине описываются с помощью расчетов по Навье-Стоксу, что выражается следующими формулами в прямоугольной системе координат:

[00139] В данных формулах t - время; ρ - давление воды в угольном массиве, МПа; ν - коэффициент кинематической вязкости; u_x, u_y, u_z - массовая сила по осям х, у и z, мг⋅с^-2; F_x, F_y, F_z - составляющие внешнего усилия, Н; V - оператор набла; u, v, w - составляющая скорости текучей среды в точке (х, у, z) в момент t.

[00140] (2) Расчет давления воды и газа.

[00141] (3) Устанавливается, превышает ли давление воды давление газа. Если это так, следующий материал сетки заменяют водой, и выполняется этап (4); если значение меньше, выполняется непосредственно этап (4).

[00142] (4) Устанавливается, достигнуто ли заданное время проведения вычислений. Если это не так, повторяется этап (1); если это так, результат сохраняется и выводится напрямую.

[00143] Этап 7: для сохранения и вывода результата выполняются расчеты по закону Дарси.

[00144] (1) Выполняется инициализация расчетов по закону Дарси.

[00145] (2) Расчет давления воды и газа.

[00146] Закон Дарси описывает фильтрацию воды в угольном массиве, и дифференциальное уравнение по нему выражается следующими формулами в прямоугольной системе координат.

[00147] В данной формуле Р - давление воды в угольном массиве, V_x и V_y - составляющие скорости по осям х и у соответственно; K - скорость фильтрации, μ - динамическая вязкость воды, Па⋅с, g - постоянная ускорения свободного падения, а ρ - плотность жидкости.

[00148] По закону Дарси утверждается, что газ угольных пластов преимущественно движется в соответствии с линейным законом фильтрации следующим образом:

[00149] В данной формуле V - вектор скорости перемещения газа угольного пласта, м/с; gradp - градиент порового давления газа угольного пласта, Па/м; μ - функция порового давления газа угольного пласта; и k - коэффициент фильтрации газа угольного пласта и абсолютная динамическая вязкость газа угольного пласта, Па⋅с;

[00150] Газ движется по угольному пласту согласно закону Дарси, то есть, скорость фильтрации газа прямо пропорциональна градиенту давления газа.

[00151] B вышеприведенной формуле q - скорость фильтрации газа, см/с; λ - коэффициент проницаемости газа угольного пласта, м² /(МПа²⋅d); μ - коэффициент динамической вязкости текучей среды, Па⋅с; k - скорость фильтрации, м²; - градиент давления газа, Р/см.

[00152] (3) Устанавливается, превышает ли давление воды давление газа. Если это так, следующий материал сетки заменяют водой, и выполняется этап (4); если же давление воды ниже давления газа, выполняется непосредственно этап (4).

[00153] (4) Устанавливается, достигнуто ли заданное время проведения вычислений. Если это не так, повторяется этап (1); если это так, результат сохраняется и выводится напрямую.

[00154] Этап 8: на основании языка С# путем программирования глубины залегания, геологических условий, состава верхнего пласта породы и угла падения угольного пласта генерируется начальная точка концентрации напряжений.

[00155] На этапе 9 разграничение сетки выполняется в такой последовательности.

[00156] Разграничение для геометрической модели угольного массива сетки выполняется в виде четырехгранников так, чтобы точность разграничения в диапазоне, допустимом для вычислительных мощностей компьютера, была как можно выше, с целью обеспечения точности и надежности результата расчетов относительно трещины.

[00157] Вычисление и сопоставление значений сдвигового усилия разных сеток в среде граничных элементов на этапе 10 выполняется в такой последовательности.

[00158] (1) Процесс механического разрушения угольного массива вследствие воздействия сдвигового усилия описывается на основании, например, критерия прочности Кулона-Мора. Согласно критерию Кулона считается, что процесс механического разрушения угольного массива при воздействии сдвигового усилия запускается при значении сдвигового усилия разрыва, сгенерированного на определенной плоскости, превышающем значение сопротивления сдвигу, т.е., значение, получаемое умножением суммы сил сцепления материала на постоянное нормальное напряжение в одной плоскости. Математическим выражением этого служит формула |τ|=С+γtanμ, где τ - значение сдвигового усилия, С - сила сцепления, или усилие присоединения, представляющее собой сдвигоустойчивость при условии отсутствия положительного давления; μ - угол внутреннего трения; γ - фиксированная постоянная.

[00159] (2) Выполняется сопоставление сдвигового усилия и сопротивления сдвигу сетки за счет проведения расчетов относительно сдвигового усилия, приложенного к сетке угольного массива, с целью определения набора сеток, наиболее уязвимого к повреждениям. При наличии сетки, сдвиговое усилие в которой превышает сопротивление сдвигу, такая сетка отмечается как «исходная трещина», а затем выполняется этап 11. При отсутствии сетки, сдвиговое усилие в которой превышает сопротивление сдвигу, вычисления прекращаются, а затем выполняется этап 13.

[00160] Этап 11: материал в сетке «исходной трещины» заменяется газом в угольном пласте.

[00161] (1) Сетка, обозначенная как горнодобычная трещина на этапе 10, исключается из геометрической модели угольного массива.

[00162] (2) Исключенные материалы геометрической единицы (сетки) заменяются газом в угольном пласте, а пористость изменяется на значение 1.

[00163] (3) Граница, сгенерированная вследствие исключения единицы, задается с раничным условием, аналогичным таковому на прилегающей границе.

[00164] На этапе 12 устанавливается, превышает ли суммарная площадь «исходной трещины» площадь разлома в два раза, в такой последовательности.

[00165] (1) Если суммарная площадь «исходной трещины» не превышает площадь разлома в два раза, генерируется новая модель, в которой исходная трещина удалена, и повторяется этап 10;

[00166] (2) Если суммарная площадь «исходной трещины» превышает площадь разлома в два раза, выполняется расчет, а затем - этап 13.

[00167] На этапе 13 выполняется построение конечной исходной трещины, содержащей геологическую структуру, в процессе вычисления генерируется модель с двумя классами трещин угольного пласта в такой последовательности.

[00168] (1) Генерируется модель каменноугольного пласта с разломом.

[00169] (2) Выполняется повторное разграничение сетки.

[00170] (3) Общие геометрические параметры экспортируются в формат STL.

[00171] На этапе 14 в среде граничных элементов выполняется расчет значения в поле фильтрации и параметра напряжения на основании самостоятельно определяемого уравнения связи.

[00172] (1) Процесс миграции влаги в угольном массиве описывается на основании, например, закона Дарси, то есть, принимается как математическая модель при моделировании фильтрации, где t - время; φk - пористость трещины; s - координата по длине трещины; k_f - коэффициент фильтрации трещины; W - член уравнения, отвечающий за теплоотдачу источника, р - давление воды в угольном массиве (МПа). В случае необходимости добавления другого уравнения контроля потока исследователями это уравнение можно добавить вручную.

[00173] (2) Под давлением поровой текучей среды массив пород подчиняется корректируемому закону напряжений. Распределение напряжений в угольном массиве вычисляется, например, согласно уравнению напряжений основывающемуся на давлении фильтрации текучей среды, где α - коэффициент эффективного напряжения. Практика показывает, что α - функция порового давления р и объемное напряжение θ, то есть, α=f(р,θ).

[00174] В угольный массив с другим законом распределения напряжений или в другом особом случае путем программирования может быть добавлено уравнение состояния, а также может быть выполнен анализ распределения напряжений в угольном массиве методом моделирования, более приближенный к реальности.

[00175] На этапе 15 в среде моделирования без использования сетки выполняется написание алгоритма для определения наличия точки, в которой сдвиговое усилие превышает соответствующий параметр каменноугольного массива, в такой последовательности.

[00176] (1) Если такие точки есть в наличии, то точки, сдвиговое усилие в которых превышает соответствующий параметр угольного массива, соединяются так, чтобы охватываемый ими район был обозначен как «неэффективный каменноугольный массив», после чего выполняется этап 16.

[00177] (2) При отсутствии точек, в которых сдвиговое усилие превышает соответствующий параметр каменноугольного массива, выполняется этап 17.

[00178] На этапе 16 граница «неэффективного каменноугольного массива», обозначенная на этапе 15, вводится повторно с использованием условия входа влаги.

[00179] На этапе 17 отдельно выполняется моделирование турбулентного потока, вычисляется распределение напряжений, а затем результат моделирования узла сохраняется.

[00180] На этапе 18 устанавливается, достигает ли участок механического разрушения поверхности угольного массива, в такой последовательности.

[00181] (1) Если участок механического разрушения не достигает поверхности угольного массива, выполняется этап 19.

[00182] (2) Если участок механического разрушения достигает поверхности угольного массива, выполняется этап 20.

[00183] На этапе 19 устанавливается, приближается ли суммарное время хранения к заданному времени моделирования, в такой последовательности.

[00184] (1) Если время хранения не достигает заданного времени моделирования, повторяется этап 14.

[00185] (2) Если время хранения достигает заданное время моделирования, выполняется этап 20.

[00186] На этапе 20 действие среды без использования сетки останавливают; этап 7 выполняется только после вычисления турбулентного потока и напряжения в среде граничных элементов.

[00187] На этапе 21 объединенные результаты выводятся и сохраняются в отдельный файл для получения квантованного статистического результата, как приведено на схеме результатов моделирования давления воды на ФИГ. 6, на схеме результатов моделирования давления газа на ФИГ. 7, на схеме результатов моделирования давления угольного массива на ФИГ. 8, на схеме результатов моделирования скорости потока влаги на ФИГ. 9 и на схеме результатов моделирования скорости потока газа на ФИГ. 10.

[00188] По результатам, полученным посредством применения метода численного моделирования, видно, что наряду с растущим объемом увлажнения угольного массива основной источник миграции влаги изменяется с давления впрыска воды на капиллярную силу. Таким образом, средние значения давления влаги и газа постепенно уменьшаются. При этом градиент снижения давления влаги постоянен, в то время как градиенты снижения давления газа начинают заметно отличаться вследствие воздействия отверстий неправильной формы и порового пространства. Угольный массив постепенно размягчается по длине вследствие введения воды. Таким образом, комплексное действующее давление в целом демонстрирует тенденцию к снижению. В то же время, изменения скоростей потоков влаги и газа преимущественно согласовываются с соответствующими изменениями давления, но скорость потока газа выше таковой у воды.

[00189] Вышеприведенное явление согласуется с фактическим практическим результатом на проектной площадке, что демонстрирует, что метод моделирования по настоящему изобретению может обеспечивать получение достоверных результатов.

[00190] Конечно, вышеприведенное описание представляет собой исключительно предпочтительные примеры настоящего изобретения и не предназначено для его ограничения. Необходимо отметить, что эквивалентные варианты замены - существенные формы изменений, вносимые специалистами в данной области техники согласно идее настоящего изобретения - должны укладываться в объем правовой охраны настоящего изобретения.

Изобретение относится к области механических свойств горных пород. Технический результат - создание метода численного моделирования связи фильтрации/повреждений/напряжений при впрыске воды в каменноугольный массив, обеспечивающий более точное моделирование повреждений угольного массива и закономерностей миграции влаги в процессе введения воды в каменноугольный массив для получения данных о впрыске воды в угольный пласт, обеспечивающих безопасность горных работ на угольном пласте. Модель каменноугольного массива с разломом задается на основании геологических изысканий. Посредством районирования моделирование выполняется в отношении введения воды в угольный массив в районе без проведения горных работ и в районе проведения горных работ соответственно. В районе без проведения горных работ посредством вычислений и сопоставления значений сдвигового усилия разных сеток путем программирования устанавливается, подвергается ли угольный массив деформации или механическому разрушению под действием давления воды. В то же время, процесс механического разрушения угольного массива моделируется с применением метода без использования сетки, а моделирование процесса фильтрации осуществляется по методу граничных элементов. 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ моделирования связи фильтрации/повреждений/напряжений при впрыске воды в каменноугольный массив при районировании, отличающийся тем, что включает в себя следующие этапы

этап 1: на основании геологических изысканий задается модель каменноугольного массива с разломом;

этап 2: путем проведения сканирования касательно соответствующего каменноугольного массива, полученного при геологических изысканиях, в сочетании с трехмерным реконструктивным алгоритмом типа FDK (алгоритм Фельдкампа, Дэвиса и Кресса) выполняется построение цифровой трехмерной базовой модели породы с реальными характеристиками порового пространства;

этап 3: в среде граничных элементов устанавливается, является ли настоящий район районом проведения горных работ, за счет исполнения алгоритма генерирования «горнодобычных трещин», то есть, устанавливается, составляет ли расстояние от поверхности выемки менее 80 м; если это район проведения горных работ, выполняется этап 4; если это не так, выполняется этап 5;

этап 4: устанавливается, превышает ли поперечное сечение потока 30 мкм²; если поперечное сечение потока превышает 30 мкм², для сохранения и вывода результата выполняется расчет по Навье-Стоксу; если поперечное сечение менее 30 мкм², для сохранения и вывода результата выполняется расчет по закону Дарси;

этап 5: устанавливается, превышает ли поперечное сечение потока 30 мкм²; если поперечное сечение потока превышает 30 мкм², выполняется этап 6; если поперечное сечение меньше 30 мкм², выполняется этап 12;

этап 6: на основании языка С# путем программирования глубины залегания, геологических условий, состава верхнего пласта породы и угла падения угольного пласта генерируется начальная точка концентрации напряжений;

этап 7: выполняется разграничение сетки для базовой трехмерной цифровой модели породы, обработанной на этапе 6;

этап 8: выполняется сопоставление сдвигового усилия и сопротивления сдвигу сетки за счет проведения расчетов относительно сдвигового усилия, приложенного к сетке угольного массива, с целью определения набора сеток, наиболее уязвимого к повреждениям; при наличии сетки, сдвиговое усилие в которой превышает сопротивление сдвигу, такая сетка отмечается как «исходная трещина», а затем выполняется этап 9; при отсутствии сетки, сдвиговое усилие в которой превышает сопротивление сдвигу, вычисления прекращаются, а затем выполняется этап 11;

этап 9: материал в сетке «исходной трещины» заменяется газом в угольном пласте;

этап 10: устанавливается, превышает ли суммарная площадь «исходной трещины», обработанной на этапе 9, площадь разлома в два раза; если это не так, после удаления сетки «оригинальной трещины» генерируется новая модель, и этап 8 повторяется; если это так, вычисления прекращаются, и выполняется этап 11;

этап 11: выполняется построение конечной исходной трещины, содержащей геологическую структуру, в процессе вычисления генерируется модель с двумя классами трещин угольного пласта, и выполняется повторное разграничение сетки для экспорта общих геометрических параметров стереолитографии типа STL, после чего выполняется расчет по Навье-Стоксу для сохранения и выдачи результата;

этап 12: в среде граничных элементов выполняется расчет значения в поле фильтрации и параметра напряжения на основании самостоятельно определяемого уравнения связи, после чего выполняется этап 13;

этап 13: в среде моделирования без использования сетки устанавливается, имеется ли в наличии точка, в которой сдвиговое усилие превышает соответствующий параметр каменноугольного массива; если это так, такие точки последовательно соединяются так, чтобы охватываемый ими район был обозначен как «неэффективный каменноугольный массив», и затем выполняется этап 14; если это не так, выполняется этап 15;

этап 14: граница «неэффективного каменноугольного массива», обозначенная на этапе 13, вводится повторно с использованием условия входа влаги;

этап 15: отдельно выполняется моделирование турбулентного потока, вычисляется распределение напряжений, а затем результат моделирования узла сохраняется;

этап 16: устанавливается, достигает ли участок механического разрушения по результатам моделирования на этапе 15 поверхности угольного массива; если это не так, выполняется этап 17; если это так, выполняется этап 18;

этап 17: устанавливается, приближается ли суммарное время хранения к заданному времени моделирования; если это не так, повторяется этап 12, а если это так, выполняется этап 18;

этап 18: действие среды без использования сетки останавливают; расчет по закону Дарси выполняется только после вычисления турбулентного потока и напряжения в среде граничных элементов, после чего результат сохраняется и выводится; и

этап 19: результаты, полученные на этапах 4, 11 и 18, объединяются, после чего они выводятся и сохраняются в отдельный файл для получения квантованного статистического результата.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расчет по Навье-Стоксу включает в себя следующие этапы:

Этап А: инициализация расчетов по Навье-Стоксу;

Этап В: расчет давления воды и газа;

Этап С: устанавливается, превышает ли давление воды давление газа; если это так, следующий материал сетки заменяют водой, и выполняется этап D; если значение меньше, выполняется непосредственно этап D; и

Этап D: устанавливается, достигнуто ли заданное время проведения вычислений; если это не так, повторяется этап А; если это так, результат сохраняется и выводится напрямую.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расчет по закону Дарси включает в себя следующие этапы:

этап Е: инициализация расчетов по закону Дарси;

этап F: расчет давления воды и газа;

этап J: устанавливается, превышает ли давление воды давление газа; если это так, следующий материал сетки заменяют водой, и выполняется этап Н; если значение меньше, выполняется непосредственно этап Н; и

этап Н: устанавливается, достигнуто ли заданное время проведения вычислений; если это не так, повторяется этап Е; если это так, результат сохраняется и выводится напрямую.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вышеприведенный этап 1, в частности, дополнительно включает в себя: сохранение шести параметров, т.е., точки начала разлома, точки окончания разлома, точки складки разлома, параллакс, падение и угол падения для ввода пользователем в процессе составления модели каменноугольного массива с разломом.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вышеприведенный этап 2, в частности, дополнительно включает в себя: выполнение фильтрования цифровой трехмерной базовой модели породы на основании алгоритма обработки изображений для сглаживания краев модели и дальнейшее получение микропорового пространства угольного массива за счет проведения раздела данных по пороговым значениям с целью исключения очагового порового пространства с низким уровнем связи и экспорта конечной цифровой модели порового пространства угольного массива в формат STL.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вышеприведенный квантованный статистический результат включает в себя результаты моделирования поля давления воды, моделирования давления газа, моделирования давления угольного массива, моделирования скоростей потока влаги и газа.