基于數值模擬的采空區注漿動態全過程仿真方法技術

本發明專利技術屬于采空區注漿可視化仿真領域。基于三維幾何地質信息模型，建立三維賓漢姆流體數學模型，根據注漿數值模擬結果實現風暴潮洪水演進三維動態全過程仿真。為達到上述目的，本發明專利技術采取的技術方案是，基于數值模擬的采空區注漿動態全過程仿真方法，包括如下步驟：(1)建立耦合采空區復雜地層信息的灌漿三維網格模型；(2)建立采空區注漿三維數學模型；(3)進行采空區漿液流動的動態模擬；(4)進行采空區注漿動力學解算；(5)三維動態全過程仿真后期處理與可視化輸出。本發明專利技術主要應用于工程技術中的采空區注漿領域。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于采空區注漿可視化仿真領域，涉及采空區注漿的三維數值模擬及基于數值模擬的采空區注漿三維動態全過程仿真方法。具體講，涉及。
技術介紹
采空區，是指地下固體礦床開采后的空洞區及其圍巖因失穩而產生位移、開裂、破碎垮落，直到上覆巖層整體下沉、彎曲所引起的地表變形和破壞的地區或范圍。由于采空區的存在，地表的移動和沉陷，伴隨著產生了連續或非連續的變形。煤炭開采沉陷對環境的破壞是十分嚴重的，由于地表大范圍的大幅度下沉，地表建筑設施會受到損害，同時，人們的生活、生產安全受到威脅和財產損失。目前，治理采空區最常用的技術手段為注漿工藝。注漿技術是使漿液結石體及采空區上部巖土層注漿后成為強度高、抗滲性好、穩定性高的新結構體，從而達到改善采空區所在區域地層的物理力學性質的目的，以滿足各類土木建筑、巖土地基等的工程施工技術。注漿全過程仿真作為漿液流動動態全過程仿真一種表現形式。目前對基于數值模擬的注漿動態全過程仿真未見報道，由于漿液和水流均屬于流體類，漿液流動的模擬仿真可類比水流方面的研究。在水流動態全過程仿真方面，國內外研究學者進行了一些研究。國外從1986年開始水流模擬研究，Fournier and Reeves應用了流體動力學方程的近似解模擬一系列流體軌跡線；Songxin Shi等應用了快速傅里葉轉換法(FFT)建立大規模水域表面模型并結合動態幾何波浪模型在水域表面產生洪峰。國外對水流數值模擬可視化應用中也已陸續推出了一些較為成功的商用可視化系統，如美國Brigham YoungUniversity 的 SMS 軟件,荷蘭 Delft Hydraulics Institute 研制的 Delft_3D 軟件,丹麥DHI研究所開發的MIKE ZERO系列軟件等。美國地質中心Connor等對美國境內Queets河的洪水流域和河道變化進行動態模擬研究。蒙大納大學Geoffrey等利用水文學和遙感影像方法對洪水流域進行三維模擬分析，并取得了一定的進展。美國水文科學沙化研究中心Carroll等對洪水沖蝕和淤積進行建模，利用科學計算可視化技術研究卡森河的河道河床變化及其對洪水影響。國內對水流動態過程的三維可視化研究也廣泛開展，董文鋒等應用了一維水動力學模型結合OpenGL和GIS技術研制了清江流域“洪水演進模擬仿真系統”模擬流域洪水的淹沒過程；韓敏等以給定水位的方式采用VC和OpenGL技術建立了洪水演進模擬系統，實現了洪水演進的可視化；洪友堂、田淑芳等基于OpenGL，運用廣度優先搜索算法，實現了青海湖地區水體動態演進過程；葉海建等運用水波動理論實現了南水北調工程中動態水環境的模擬仿真；冶運濤等開發了汶川地震災區堰塞湖潰決洪水淹沒過程三維可視化系統，集成二維潰壩水流模型和在線監測數據，實現了唐家山堰塞湖的蓄水過程的模擬及潰決洪水演進過程的可視化動態仿真。在注漿可視化方面，徐捷等開發了智能灌漿記錄儀，為注漿過程的可視化提供了有益的借鑒，但是這一方法主要是以實驗為基礎，未涉及到數值模擬；聞樹旺等實現了巖土邊坡錨桿加固注漿過程的三維可視化，但是未結合數值模擬，只是進行了示意性的效果模擬。綜上所述，目前基于數值模擬的注漿全過程的動態模擬還未見報道。參考文獻[I]郝哲，王介強，何修仁.巖體裂隙注漿的計算機模擬研究[J].巖土工程學報，1999，21(6) :727-730.[2]徐捷，屈昌華，李未顯，等.巖石水泥灌漿工程可視化技術的探討與實踐[J].大壩觀測與土木測試，2001,25 (6) :49-51.[3]楊米加，陳明雄，賀永年.裂隙巖體網絡注漿滲流規律[J].水利學報，2001，7 41-46.[4]葉海建，劉旭東，羅輝.南水北調視景仿真系統中動態水環境的模擬[J].中國農業大學學報，2003，8 (4) :58-62.[5]阮文軍.衆液基本性能與巖體裂隙注衆擴散研究[D].吉林吉林大學,2003.[6]盧鵬.巖土邊坡錨桿灌漿加固的研究與三維可視化模擬過程[D].天津大學碩士學位論文，2004.[7]王萬順，耿玉玲，范運嶺.三維滲流模型模擬采空區注漿治理過程的研究[J].中國煤田地質，2005，17 (I) :22-25.[8]韓秀梅.青海湖地區三維地形可視化與水體動態演進模擬[D].中國地質大學碩士學位論文，2006.[9]康玲，王學立，姜鐵兵，等.基于數字高程模型的流域變動等流時線方法[J].水利學報，2006，37 (I) :40-44.[10]陳忠賢.基于OpenGVS三峽水利樞紐虛擬仿真系統的研究與應用[碩士學位論文].重慶重慶大學，2008.[11]郭先春，鄒時林，李大軍，等.撫州市洪水淹沒3D可視化系統研發[J].測繪科學，2010，35 (4) :193-195.[12]張金娟.粘土固化漿液滲透注漿理論與數值模擬在礫砂、卵石土層中的應用研究[D].大連海事大學碩士學位論文，2009.
技術實現思路
本專利技術旨在克服現有技術的不足，尤其南水北調中線工程穿越煤礦采空區，對工程的安全施工與運行造成了嚴重威脅，對煤礦采空區進行注漿加固處理已成為工程迫切需要解決的問題。基于三維幾何地質信息模型，建立三維賓漢姆流體數學模型，根據注漿數值模擬結果實現風暴潮洪水演進三維動態全過程仿真。為達到上述目的，本專利技術采取的技術方案是，，包括如下步驟(I)建立耦合采空區復雜地層信息的灌漿三維網格模型；(2)建立采空區注漿三維數學模型；(3)進行采空區漿液流動的動態模擬；(4)進行采空區注漿動力學解算；(5)三維動態全過程仿真后期處理與可視化輸出。耦合采空區復雜地層信息的注漿三維網格模型具體為(I)根據真實的CAD地形地質資料和工程基礎數據資料，在犀牛軟件中建立真實地質模型；(2)將地質模型轉化成.1gs格式，通過計算流體力學CFD軟件的數據接口，將包含真實地質地形數據的.1gs格式文件導入到CFD軟件中；(3)基于三維地質模型，采用貼體網格和局部加密網格劃分技術建立模型在全局選用較大的長度，生成與計算區域邊界重合的、疏密程度不均勻的曲線網格，使得網格的邊界與計算區域邊界--對應；(4)針對計算區域內的不同部位的不同情況，采用加密或放寬網格的辦法，在不同區域建立不同疏密度的網格，注漿孔周圍網格局部加密。建立采空區注漿三維數學模型具體為，基于采空區注漿三維網格模型構建賓漢姆流體三維k-ε紊流數學模型。賓漢姆流體三維k-ε紊流數學模型的基本方程包括賓漢姆流體k_ ε紊流控制方程、賓漢姆流體的本構方程、混合速度方程和混合密度方程，其中k- ε紊流控制方程為數值模擬的主要流體流動控制模擬方程，本構方程主要體現賓漢姆流體的特性，混合速度和密度方程體現注漿液中混凝土顆粒和水的混合速度和密度，賓漢姆流體本構方程、混合速度和混合密度方程均通過源項耦合于k_ ε紊流控制方程。賓漢姆流體三維k_ ε紊流數學模型的邊界條件包括(I)進口邊界條件賓漢流體相和顆粒相的進口速度分布，壓力分布以及相應的體積濃度分布，各變量取均勻分布；根據工程設計的1、II序孔，定義兩類參數相同的進口條件，基于實際工程進行1、II序孔的分序注漿；(2)出口邊界條件出口條件按局部單向化處理；(3)固壁邊界條件按固壁定律處理，所有固壁處的節點均采用無滑移條件，對靠近壁面的第一個本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于數值模擬的采空區注漿動態全過程仿真方法，其特征是，包括如下步驟：（1）建立耦合采空區復雜地層信息的灌漿三維網格模型；（2）建立采空區注漿三維數學模型；（3）進行采空區漿液流動的動態模擬；（4）進行采空區注漿動力學解算；（5）三維動態全過程仿真后期處理與可視化輸出。

【技術特征摘要】
1.一種基于數值模擬的采空區注漿動態全過程仿真方法，其特征是，包括如下步驟 (1)建立耦合采空區復雜地層信息的灌漿三維網格模型； (2)建立采空區注漿三維數學模型； (3)進行采空區漿液流動的動態模擬； (4)進行采空區注漿動力學解算； (5)三維動態全過程仿真后期處理與可視化輸出。2.如權利要求1所述的基于數值模擬的采空區注漿動態全過程仿真方法，其特征是，耦合采空區復雜地層信息的灌漿三維網格模型具體包括如下步驟 (1)根據真實的CAD地形地質資料和工程基礎數據資料，在犀牛軟件中建立真實地質模型； (2)將地質模型轉化成.1gs格式，通過CFD軟件(計算流體力學軟件)的數據接口，將包含真實地質地形數據的.1gs格式文件導入到CFD軟件中； (3)基于三維地質模型，采用貼體網格和局部加密網格劃分技術建立模型在全局選用較大的長度，生成與計算區域邊界重合的、疏密程度不均勻的曲線網格，使得網格的邊界與計算區域邊界--對應； (4)針對計算區域內的不同部位的不同情況，采用加密或放寬網格的辦法，在不同區域建立不同疏密度的網格，注漿孔周圍網格局部加密。3.如權利要求1所述的基于數值模擬的采空區注漿動態全過程仿真方法，其特征是，基于采空區注漿三維網格模型構建賓漢姆流體三維k_ e紊流數學模型，賓漢姆流體三維k-e紊流數學模型的基本方程包括賓漢姆流體k-e紊流控制方程、賓漢姆流體的本構方程、混合速度方程和混合密度方程，其中k_ e紊流控制方程為數值模擬的主要流體流動控制模擬方程，本構方程主要體現賓漢姆流體的特性，混合速度和密度方程體現注漿液中混凝土顆粒和水的混合速度和密度，賓漢姆流體本構方程、混合速度和混合密度方程均通過源項耦合于k-e紊流控制方程。4.如權利要求3所述的基于數值模擬的采空區注漿動態全過程仿真方法，其特征是，賓漢姆流體三維k-e紊流數學模型的邊界條件包括 (1)進口邊界條件賓漢流體相和顆粒相的進口速度分布，壓力分布以及相應的體積濃度分布，各變量取均勻分布；根據工程設計的1、II序孔，定義兩類參數相同的進口條...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王曉玲，任丙煜，佟大威，王乾偉，周正印，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：