本發(fā)明屬于智能識別，具體涉及一種塊體離散元-有限元聯(lián)合建模的瓦斯富集區(qū)智能識別方法。

背景技術(shù)：

1、隨著中國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，煤炭開采從原來的分散式開采向精細化、集中化和精準化發(fā)展?，F(xiàn)階段，礦井數(shù)量大幅度減少，大量資源枯竭及落后產(chǎn)能礦井面臨關(guān)閉或廢棄的局面。預(yù)計至2030年廢棄礦井數(shù)量會達到約1.5萬處。經(jīng)過大量的勘探研究，初步估計，關(guān)閉/廢棄礦井中仍賦存非常規(guī)天然氣近5000億m3。瓦斯是一種清潔、高效的能源，其廣泛用于供暖、烹飪和發(fā)電等領(lǐng)域。瓦斯燃燒產(chǎn)生的熱能可以轉(zhuǎn)化為電能，為人們的生活和工作提供便利。同時，瓦斯是一種非常危險的氣體，不僅會導(dǎo)致爆炸，還會引起空氣污染，若不進行系統(tǒng)規(guī)范的開采和治理作業(yè)，將會對環(huán)境造成巨大影響，同時，也會存在較大的安全風(fēng)險。在2019年，我國廢棄礦井甲烷排放占比已達到了15％，其占比會隨著生產(chǎn)的發(fā)展和生活的需求繼續(xù)增大。由于大量的瓦斯氣體積聚在采空區(qū)極易發(fā)生瓦斯爆炸事故，這對瓦斯的抽采和廢棄礦區(qū)的科學(xué)治理產(chǎn)生了嚴重的危脅，因而，對廢棄礦井開展瓦斯抽采和治理作業(yè)具有十分重要的經(jīng)濟、環(huán)保和安全效益。

2、當前，為了確保瓦斯的安全高效抽采作業(yè)，開展廢棄礦井瓦斯抽采研究十分必要，通過前期的分析研究，確定出瓦斯富集區(qū)域，有利于科學(xué)合理地指導(dǎo)后續(xù)瓦斯抽采井的布置工作，同時，能為后續(xù)瓦斯的安全抽采提供可靠的技術(shù)支持，為此，亟需提供一種新型的瓦斯富集區(qū)智能識別方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種塊體離散元-有限元聯(lián)合建模的瓦斯富集區(qū)智能識別方法，該方法操作過程簡單，實施成本低，其可以精確地確定出廢棄采場地下瓦斯的富集區(qū)域，能為地面瓦斯抽采井布置提供科學(xué)的指導(dǎo)。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種塊體離散元-有限元聯(lián)合建模的瓦斯富集區(qū)智能識別方法，包括以下步驟：

3、步驟一：對廢棄礦區(qū)的巖層地質(zhì)資料和礦井生產(chǎn)資料進行收集；在礦區(qū)地表施工取樣鉆，對各煤巖層進行原位取芯，獲得各煤巖的巖心樣本，再通過實驗室測試的方式獲得各煤巖巖心樣本的巖層力學(xué)參數(shù)和瓦斯賦存參數(shù)；

4、步驟二：根據(jù)巖層地質(zhì)資料、巖層力學(xué)參數(shù)和瓦斯賦存參數(shù)在塊體離散元udec中建立等比例三維礦山地質(zhì)模型，同時，設(shè)置等比例三維礦山地質(zhì)模型的參數(shù)，并運算至應(yīng)力平衡狀態(tài)；

5、步驟三：根據(jù)所收集的礦井生產(chǎn)資料，利用等比例三維礦山地質(zhì)模型進行回采區(qū)段的開挖、平衡模擬；利用軟件內(nèi)置的jointed-open功能提取出開挖后采場裂隙圖像；

6、步驟四：將獲得的采場裂隙圖像導(dǎo)入圖像識別軟件coreldraw中，利用圖像識別軟件coreldraw進行矢量化處理后獲取到每一條采場裂隙的坐標；

7、步驟五：在matlab中建立空間網(wǎng)格模型，并利用采場裂隙的坐標與空間網(wǎng)格的相互關(guān)系賦予滲透率；

8、步驟六：將獲得的滲透率以插值法的形式導(dǎo)入有限元軟件comsol中進行瓦斯流動模擬，并對瓦斯涌出及富集區(qū)域進行綜合判定，最終獲得廢棄礦井瓦斯富集區(qū)。

9、作為一種優(yōu)選，在步驟二中的s11中，等比例三維礦山地質(zhì)模型的參數(shù)包括自重和邊界條件。

10、作為一種優(yōu)選，在步驟一中，所述巖層地質(zhì)資料包括煤巖層分布、煤層的傾角、煤層的走向，所述礦井生產(chǎn)資料包括采區(qū)采煤量、生產(chǎn)與廢棄年限信息，所述瓦斯賦存參數(shù)包括滲透率、瓦斯含量、瓦斯壓力。

11、作為一種優(yōu)選，在步驟四中，在將采場裂隙圖像導(dǎo)入圖像識別軟件coreldraw之間，先對采場裂隙圖像進行二值化處理。

12、進一步，為了能精準高效地進行采場裂隙滲透率的分配，在步驟五中，建立空間網(wǎng)格模型并賦予滲透率的過程如下：

13、s51：提取裂隙的空間坐標，在matlab中建立了i*4裂隙坐標矩陣f，如公式(1)所示；

14、

15、式中，i為獲得的裂隙編號；xi1、xi2分別是裂隙兩端的x坐標；yi1、yi2分別是裂隙兩端的y坐標；

16、s52：在matlab中建立與等比例三維礦山地質(zhì)模型等大的空間，并將空間網(wǎng)格化，劃分出1j個20*20cm的網(wǎng)格；獲取每個網(wǎng)格四個端點的坐標并建立j*9矩陣g，如公式(2)所示；

17、

18、式中，j為獲得的網(wǎng)格編號；xi1、xi2、xi3、xi4分別是網(wǎng)格四個端點的x坐標；yi1、yi2、yi3、yi4分別是網(wǎng)格四個端點的y坐標；矩陣中第一列為網(wǎng)格的滲透率，網(wǎng)格的初始滲透率統(tǒng)一設(shè)置為0；

19、s53：通過matlab判斷每條裂隙所處的網(wǎng)格區(qū)間，并對裂隙的傾角進行循環(huán)判定，具體過程如下：

20、a1：若當前裂隙i兩端的x坐標xi1、xi2的最小值小于第j個網(wǎng)絡(luò)四個端點的x坐標xj1、xj2、xj3、xj4的最大值，且當前裂隙i兩端的x坐標xi1、xi2的最大值大于第j個網(wǎng)絡(luò)四個端點的x坐標xj1、xj2、xj3、xj4的最小值，則判定條件成立，并執(zhí)行a2，否則判定條件不成立，令j＝j(luò)+1，并重新執(zhí)行a1，直至判定條件成立；

21、a2：若當前裂隙i兩端的y坐標yi1、yi2的最小值小于第j個網(wǎng)絡(luò)四個端點的y坐標yj1、yj2、yj3、yj4的最大值，且當前裂隙i兩端的y坐標yi1、yi2的最大值大于第j個網(wǎng)絡(luò)四個端點的y坐標yj1、yj2、yj3、yj4的最小值，則判定條件成立，并執(zhí)行a3，否則判定條件不成立，令j＝j(luò)+1，并重新執(zhí)行a2，直至判定條件成立；

22、a3：基于不同傾角裂隙的滲透率有明顯差異，對裂隙的傾角進行如下判定；

23、對于裂隙傾角大于45°的網(wǎng)格賦予滲透率k1，對裂隙傾角小于等于45°的網(wǎng)格賦予滲透率k2，對于矩陣中g(shù)(j,1)仍為0的項賦予滲透率k3，如公式(3)所示；

24、

25、a4：令i＝i+1，重復(fù)執(zhí)行a1至a3；

26、a5：多次重復(fù)執(zhí)行a4，直至完成所有裂隙滲透率的分配作業(yè)，最終得到空間網(wǎng)格內(nèi)滲透率。

27、本發(fā)明中，利用取樣鉆在礦區(qū)鉆取巖心樣本，再將巖心樣本置于實驗室中進行測試，可以獲得精準的巖層力學(xué)參數(shù)和瓦斯賦存參數(shù)，這樣，結(jié)合巖層力學(xué)參數(shù)、瓦斯賦存參數(shù)和前期收集的巖層地質(zhì)資料，便能利用塊體離散元udec便捷地建立出與現(xiàn)實環(huán)境高度相符的等比例三維礦山地質(zhì)模型，為后續(xù)得到準確的分析結(jié)果提供了可靠的技術(shù)保障。通過對等比例三維礦山地質(zhì)模型進行回采區(qū)段的開挖、平衡模擬，可以在有效減少材料和人力資源成本投入的前提下，高效準確地模擬出與現(xiàn)實環(huán)境相符的工況。先利用軟件內(nèi)置的jointed-open功能提取出開挖后采場裂隙圖像，再利用圖像識別軟件coreldraw獲取到每一條裂隙的坐標，然后利用matlab建立空間網(wǎng)格模型，再利用采場裂隙的坐標與空間網(wǎng)格的相關(guān)關(guān)系賦予滲透率，可以高效精準的為所構(gòu)建的等比例三維礦山地質(zhì)模型中的不同部位裂隙賦予與現(xiàn)實環(huán)境相符的滲透率，進而能有助于直觀準確地確定出瓦斯有效的運移通道，同時，也能有便于通過分析的方式確定出瓦斯的潛在運移路徑，這樣，通過有限元軟件comsol的瓦斯流動模擬方式，便能將運移通道和潛在運移路徑進行有效的結(jié)合，從而能準確地確定出瓦斯的富集區(qū)，繼而能合理地指導(dǎo)地面瓦斯抽采井的布置方式，同時，能為后續(xù)瓦斯的安全高效抽采提供可靠的技術(shù)支持。

28、本方法操作過程簡單，實施成本低，其有效結(jié)合了塊體離散元和有限元模擬的優(yōu)點，可以精確地確定出廢棄采場地下瓦斯的富集區(qū)域，能為地面瓦斯抽采井布置提供科學(xué)的指導(dǎo)。同時可以有便于借助comsol軟件的app開發(fā)器形成可視化終端，有利于實現(xiàn)實時指導(dǎo)廢棄礦井瓦斯的精準開采過程。