一种含气煤岩组合结构力学行为及其能量演化的模拟方法与流程

1.本发明涉及煤岩组合结构的模拟分析领域，具体涉及一种含气煤岩组合结构力学行为及其能量演化的模拟方法。


背景技术：

2.我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭在我国能源结构中占有重要地位。尽管采取了相应的系列防控措施，但涉及煤岩瓦斯的矿井动力灾害仍时有发生，归根结底是对煤岩瓦斯灾变的机理认识尚不够清晰完善。目前针对矿井动力灾害(煤与瓦斯突出、冲击地压)的研究通常集中于煤体本身以及瓦斯的作用，相关研究一方面仅基于煤层应力与瓦斯情况开展分析直接将顶底板的弹性能忽略，另一方面仅给出了粗略估计，但实际上鲜有针对顶板及底板弹性能的具体量化研究，尤其是在深部开采条件下，深部开采面临高地应力、高温、高瓦斯等问题使得煤与瓦斯突出危险性增加，煤岩冲击性增强，进一步导致一些高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井发生复合型煤岩动力灾害的概率显著增大，此类灾害既表现出煤与瓦斯突出的部分特征，又有冲击地压的部分特征，两种动力灾害互为共存、互相影响、相互复合。同时，深部复合煤岩动力灾害是受“高应力(地应力) 动力扰动(开采卸压)”双重作用的复杂力学过程，灾害发生过程中多种因素的相互交织，导致在事故孕育、发生、发展过程中可能互为诱因，互为强化，或产生“共振”效应，进而使得复合动力灾害的发生机理更为复杂，而了解顶底板弹性能在灾变过程中具体参与作用显得更为重要。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供一种含气煤岩组合结构力学行为及其能量演化的模拟方法，利用数值模拟分析不同煤岩组合结构的力学行为及其能量的动态演化，分析煤岩能量传递及其影响机制，实现考虑岩石弹性能影响下的矿井动力灾害精准防控。
4.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种含气煤岩组合结构力学行为及其能量演化的模拟方法，包括以下步骤：
6.步骤一、通过直接生成和间接生成两种方式生成煤岩模型；
7.步骤二、对步骤一中生成的模型分别进行模型计算预处理，包括施加气体压力、加载及设置破坏判别条件；
8.步骤三、分别进行模型计算，对比分析通过直接生成方式和间接方式生成的煤岩模型的应力分布、位移分布、塑性区及弹性能分布；
9.步骤四、进行煤岩弹性能量化及占比分析。
10.所述步骤一中，直接生成煤岩模型的方法为，模型一部分赋值煤体力学参数，剩余部分赋值岩石力学参数。
11.所述步骤一中，间接方式生成煤岩模型的方法包括，先生成煤体模型并赋值煤体力学参数，再生成岩石模型并赋值岩石力学参数；煤体模型和岩石模型通过建立接触面进行连接，通过设置接触面参数使得煤岩接触为不同程度的弱接触。
12.所述步骤二中，
13.施加气体压力的方法为：气体压力按照压力梯度设置，气体压力由煤层模型底部至其顶部递减；
14.加载的方法为：分步进行加载，设定最终加载应力大小，加载方式为位移加载或应力加载，根据具体研究设定加载步幅；
15.破坏判别条件设置的方法为：利用位移突变或者塑性区破坏区域判定煤岩组合结构的破坏。
16.所述步骤三的具体方法为：
17.步骤3.1：在步骤二的基础上分别输出煤岩组合结构的应力分布、位移分布、塑性区分布；
18.步骤3.2：利用fish语言编写煤岩组合结构中煤体及岩石的各自弹性能计算式，通过后处理获得煤、岩弹性能分布及其最大值；
19.步骤3.3：对比分析直接生成和间接方式生成的煤岩模型各自的应力分布、位移分布、塑性区及弹性能分布。
20.所述步骤3.3中的应力分布、位移分布、塑性区及弹性能分布均通过后处理的切片设置实现，所述切片均为沿煤岩组合结构中心的轴向切片。
21.所述步骤四的具体步骤包括：
22.步骤4.1：根据步骤3.2中获得的煤岩弹性能最大值，计算岩石弹性能在组合结构中的能量占比，计算方法为用岩石弹性能最大值除以煤体弹性能最大值；
23.步骤4.2：对比分析两种方式生成的煤岩模型中岩石弹性能在组合结构中的能量占比。
24.本发明具有如下有益效果：
25.1)本发明根据现场实际情况提出了一种含气煤岩组合结构力学行为及其能量演化的模拟方法，是对煤岩瓦斯动力灾害在相关试验研究的有益补充；
26.2)本发明通过模拟中具体的设置及相关参量改变可实现多种工况下的研究，具有简便、快捷、高效的特点；
27.3)利用本发明中模拟得到的煤岩弹性能进一步计算得到岩石弹性能在组合结构中的能量占比，可表征岩石弹性能的具体贡献，充分考虑了岩石弹性能的影响，具有重要的理论意义和工程实际价值，而且对于深部开采诱发的冲击地压-煤与瓦斯突出等矿井复合动力灾害的预测预防具有积极意义。
附图说明
28.图1是本发明一种含气煤岩组合结构力学行为及其能量演化的模拟方法的流程图。
具体实施方式
29.为充分体现本发明的特征与优点，下面将结合附图及具体实施例予以详细叙述。
30.如图1所示，一种含气煤岩组合结构力学行为及其能量演化的模拟方法，包括以下步骤：
31.第一步、建模，具体分为以下两种方式：
32.方式一：直接生成模型，其中，模型一部分赋值煤体力学参数，剩余部分赋值岩石力学参数；
33.方式二：先生成煤体模型并赋值煤体力学参数，再生成岩石模型并赋值岩石力学参数；煤岩模型通过建立接触面进行连接，其中通过设置接触面参数使得煤岩接触为不同程度的弱接触；
34.第二步、模型运算预处理，具体为以下三分步：
35.第2.1步：对第一步中生成的模型施加气体压力，所述气体压力按照压力梯度设置，其中气体压力由煤层模型底部至其顶部递减；
36.第2.2步：对第一步中生成的模型进行分步加载，设定最终加载应力大小，加载方式为位移加载或应力加载，根据研究设定加载步幅；
37.第2.3步：设置破坏判别条件，利用位移突变或者塑性区破坏区域判定煤岩组合结构的破坏；
38.第三步、模拟结果分析，具体为以下三分步：
39.第3.1步：分别根据第一步中的方式一以及方式二的模拟结果依次输出煤岩组合结构的应力分布、位移分布、塑性区分布；
40.第3.2步：利用fish语言编写煤岩组合结构中煤体及岩石的各自弹性能计算式，通过后处理获得煤、岩弹性能分布及其最大值；
41.第3.3步：对比分析方式一及方式二组合结构中煤岩各自应力分布、位移分布、塑性区及弹性能分布；
42.第四步、煤岩弹性能量化及占比分析，具体为以下两分步：
43.第4.1步：根据第3.2步中获得的煤岩弹性能最大值，计算岩石弹性能在组合结构中的能量占比，计算方法为用岩石弹性能最大值除以煤体弹性能最大值；
44.第4.2步：对比分析方式一及方式二中岩石弹性能在组合结构中的能量占比。
45.所述第3.3步中的应力分布、位移分布、塑性区及弹性能分布均通过后处理的切片设置实现，所述切片均为沿煤岩组合结构中心的轴向切片。
46.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。