] 数值模拟基础参数获取包括：
[0064] 第一小步，用钻芯法采集现场煤岩样，对煤岩样进行粗加工后带回实验室；
[0065] 第二小步，按"多功能真三轴下流固耦合试验系统"的试样要求，在实验室进行精 加工，制作成100mmX 100mmX 100mm标准立方体试件；
[0066] 第三小步，利用"多功能真三轴下流固耦合试验系统"对加工试样进行真三轴条件 下的不同层理角度、瓦斯压力、地应力的渗流实验，更全面的反映煤岩体在真实三向不等地 应力下，不同层理角度与瓦斯压力的渗透率变化规律，取得不同应力、瓦斯压力和层理条件 下的渗透率，以作为数值模拟基础参数；
[0067] 第二步，建立数字模型：根据模拟试验后的模拟试验体裂隙数据，通过三维绘图软 件转化为数字模型，并对采空区裂隙形态进行定量描述；包括对记录结果进行素描及分形 维数统计，利用CAD、UG、PR0E或CATIA三维绘图软件建立数字模型定量描述采空区裂隙分 布，按照裂隙真实形状和尺寸，按照1:1的比例对裂隙和离层进行还原；
[0068] 第三步，采空区瓦斯运移及富集范围获取：利用已建立的数字模型，结合C0MS0L 数值模拟软件，利用真三轴条件下的流固耦合试验结果及模拟试验中的应力变化数据，计 算瓦斯渗透率，并对空气流动模型和瓦斯扩散模型联立求解，得出采空区瓦斯运移及富集 范围；包括
[0069] (1)将采空区裂隙形态数字模型导入C0MS0L数值模拟软件中；
[0070] ⑵通过得到的煤岩样平行与垂直层理渗透率进行峰值点前关系
和^ . υ.
, \与峰值点后关系
和
申a, b，c，d，e，f，g，h的拟合，得到煤层渗透率与应力状态及层 理之间的关系；通过计算
_换得到煤层孔隙率与应力状态间的关系；其中K为渗 透率，为孔隙率φ，为初始孔隙率φ。。
[0071] (3)利用Navier-Stokes方程（纳维叶-斯托克斯方程）和Brinkman方程构建出 采煤工作面空气流动模型，求解模型得出空气流动平衡状态下压力场分布和速度场分布； 利用对流-扩散方程和Fick定律扩散方程来构建瓦斯扩散模型；
[0072] (4)利用C0MS0L多物理场耦合分析软件对空气流动模型和瓦斯扩散模型联立求 解，可模拟瓦斯涌出并扩散到工作面的过程，并得出瓦斯涌出过程中工作面和采空区各点 瓦斯浓度分布结果即瓦斯的富集区域。
[0073] 通过本发明方法获得的采空区瓦斯富集示意图如图2所示，该图为采空区上方瓦 斯浓度横截面即水平截面图，图中两块马蹄形区域（虚线范围内）为离层，离层内瓦斯压 力相等，同时，在马蹄形离层区域内部分布有层间裂隙，这些穿层裂隙是两层间瓦斯气体流 动通道；试验所得运移示意图如图3所示，图中箭头表示瓦斯运移方向，曲线为瓦斯等浓度 线，下部为垮塌带，中部为离层带，上部为弯曲带；从图中可以看出，瓦斯运移方向向采空区 偏移，瓦斯等浓度线在离层区向下凹，表明瓦斯气体主要通过穿层裂隙进行运移。
[0074] 以上虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但本领域的普通技术人员也可以 意识到对所附权利要求的范围内作出各种变化或修改，这些修改和变化应理解为是在本发 明的范围和意图之内的。
【主权项】
1. 一种采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，包括以下步骤： 第一步，三维相似模拟试验及数值模拟基础参数获取：根据现场工况进行三维相似模 拟试验，得到采空区上覆岩层三维裂隙形态分布情况的应力应变数据；对现场煤岩样进行 真三轴下的流固耦合试验，取得不同应力、瓦斯压力和层理条件下的渗透率，以获得数值模 拟基础参数； 第二步，建立数字模型：根据模拟试验后的模拟试验体裂隙数据，通过三维绘图软件转 化为数字模型，并对采空区裂隙形态进行定量描述； 第三步，瓦斯运移及富集范围确定：将数字模型导入COMSOL软件中，利用真三轴下的 流固耦合试验结果及模拟试验中的应力应变数据，计算瓦斯渗透率，并通过对空气流动模 型和瓦斯扩散模型联立求解得到采空区瓦斯运移及富集范围。2. 根据权利要求1所述的采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，所述 三维相似模拟试验包括： 第一小步，三维相似模拟试验体制作：根据煤层和煤层覆岩之间的空间相似比，以及煤 层工作面推进的时间相似比，制作三维相似模拟试验体； 第二小步，采煤工作面推进模拟：结合现场采煤工作面地应力情况、开采工序，模拟三 维应力条件下煤矿工作面推进的动态过程；同时，利用预埋应力传感器监测采煤工作面推 进过程中，采空区顶板及底板的应力变化，并利用动态电阻应变仪进行数据记录； 第三小步，采空区顶板及底板裂隙数据统计：在采煤工作面推进模拟结束后，通过示踪 剂标记法，钻孔窥探观察模拟试验体的采空区裂隙形态，并逐层逐段分离采空区顶板及底 板，统计各层各段的裂隙数据。3. 根据权利要求2所述的采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，所述 模拟试验体的模拟煤层由多个长方体试块组成，试块长度模拟工作面长度，试块高度和宽 度分别模拟煤层厚度和采煤进刀的吃刀深度。4. 根据权利要求3所述的采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，所述 模拟试验体中的模拟煤层由石蜡制成；所述空间相似比由模拟试验体所占空间模拟；所述 时间相似比通过模拟煤层的熔化时间进行模拟。5. 根据权利要求4所述的采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，所述 模拟煤层由电加热熔化方式模拟采煤工作面推进，用于所述电加热熔化的发热电阻分别被 埋设在相应模拟煤层的试块中。6. 根据权利要求5所述的采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，所述 发热电阻的阻值可调节。7. 根据权利要求2所述的采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，在所 述模拟试验体的采空区顶板及底板裂隙数据统计的步骤中还包括： 51、 在模拟采空区上方按照设定规律布置钻孔，并通过加入示踪剂的示踪方式来确定 模拟采空区上方离层区范围； 52、 采用钻孔电镜窥视仪对孔钻孔内裂隙进行观测记录，分析模拟岩层离层范围及大 小； 53、 采用手动切割方式，沿采煤工作面推进方向逐层逐段切开采空区上方的模拟岩层 形成分割块，对分割块进行拍照记录，用塞尺测量并记录模拟岩层之间离层量的大小。8. 根据权利要求2所述的采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，所述 三维应力条件由可提供三向不等应力环境的三轴加载试验系统进行三轴加载模拟。9. 根据权利要求1所述的采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，其特征在于，所述 真三轴实验包括试验前根据现场工况后，按真三轴流固耦合试验系统要求进行试件加工。
【专利摘要】本发明公开了一种采空区瓦斯富集及运移的三维模拟方法，包括根据现场工况进行三维相似模拟试验，得到采空区上覆岩层三维裂隙形态分布情况的应力应变数据；对现场煤岩样进行真三轴流固耦合试验，获得数值模拟基础参数；根据模拟试验后的模拟试验体裂隙数据，通过三维绘图软件转化为数字模型，并对采空区裂隙形态进行定量描述；利用数字模型，结合COMSOL数值模拟软件，利用流固耦合试验结果及模拟试验中的应力变化数据，计算瓦斯渗透率，并对空气流动模型和瓦斯扩散模型联立求解，得出采空区瓦斯运移及富集范围。本发明的有益效果是，通过三维模拟试验和真三轴流固耦合试验以及COMSOL数值模拟软件获得采空区瓦斯富集及运移范围，准确确定瓦斯抽采孔位置。
【IPC分类】G01N33/24
【公开号】CN105388265
【申请号】CN201510716597
【发明人】尹光志, 宋真龙, 李文璞, 李铭辉, 李星, 邓博知, 尚德磊, 韩佩博, 刘超, 赵宏刚, 边光, 谢志成, 刘玉冰
【申请人】重庆大学
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年10月29日