本發(fā)明屬于智能預測，具體涉及一種相似模型-有限元模擬耦合的廢棄礦井瓦斯涌出高度預測方法。

背景技術：

1、現(xiàn)階段，我國廢棄礦井數(shù)量不斷增加，預計到2030年廢棄礦井數(shù)量將達到約1.5萬處。受回采率的制約，各廢棄礦井普遍存在45％-50％的主采煤層和保護煤柱遺留井下，其中賦存著大量的瓦斯資源。與此同時，廢棄礦井中的瓦斯可能會通過地層裂隙通道進入地表大氣產生溫室效應，同時，也可能會被遺煤氧化點燃發(fā)生瓦斯爆炸，進而會引起安全事故。若不對廢棄礦井瓦斯進行系統(tǒng)規(guī)范的開采和科學的治理作業(yè)，將會對環(huán)境造成巨大的影響，同時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。因此，對廢棄礦井開展瓦斯抽采和治理作業(yè)具有明顯的經(jīng)濟、環(huán)保和安全效益。

2、進行廢棄礦井瓦斯的涌出高度的預測，對于瓦斯的安全高效抽采作業(yè)具有十分重要的竟義，同時，有利于提高對廢棄礦井瓦斯的治理效果。瓦斯涌出的主要特征為時間周期長，缺乏有效的監(jiān)測及預測手段，為此，亟需提供一種廢棄礦井瓦斯涌出高度預測方法，以能對廢棄礦井采場裂隙在長周期內的演化特征以及對應的瓦斯涌出高度進行有效的判定。

技術實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種相似模型-有限元模擬耦合的廢棄礦井瓦斯涌出高度預測方法，該方法能通過模擬的方式大大降低實驗和測試的成本和風險，其可以精確判別廢棄采場瓦斯涌出高度隨時間的變化情況，能為瓦斯抽采鉆孔布置提供科學的指導。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種相似模型-有限元模擬耦合的廢棄礦井瓦斯涌出高度預測方法，包括如下步驟：

3、步驟一：收集廢棄礦區(qū)的巖層地質資料和礦井生產資料；同時，在礦區(qū)地表利用取樣鉆進行原位取芯作業(yè)，獲取各煤巖層的巖心樣本，再通過實驗室測試的方式獲得各煤巖層巖心樣本的巖層力學參數(shù)和瓦斯賦存參數(shù)；

4、步驟二：根據(jù)巖層地質資料、巖層力學參數(shù)、瓦斯賦存參數(shù)和相似準則建立巖層開挖相似模型；

5、步驟三：根據(jù)所收集的礦井生產資料，對巖層開挖相似模型進行回采區(qū)段的開挖、閉井平衡模擬，同時，對開挖后的相似模型進行圖像采集，并利用圖像處理軟件識別出采場裂隙圖像；

6、步驟四：將獲得的采場裂隙圖像導入圖像識別軟件coreldraw中，經(jīng)矢量化處理后獲得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，通過裂隙坐標與空間網(wǎng)格的相互關系賦予滲透率；

8、步驟六：將獲得的滲透率以插值法的形式導入有限元軟件comsol中，通過模擬的方式對瓦斯涌出高度進行綜合判定，最終獲得廢棄礦井瓦斯涌出高度的預測結果。

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

10、作為一種優(yōu)選，在步驟二中，所述相似準則包括幾何相似、密度相似、面積相似、時間相似。

11、作為一種優(yōu)選，在步驟三中，根據(jù)采區(qū)采煤量來控制開挖的回采比，根據(jù)生產廢棄年限信息確定開采時間及平衡時間。

12、進一步，為了準確地確定出閉井平衡模擬時間，以能獲得更真實的模擬效果，在步驟三中，閉井平衡模擬的時間基于公式(1)中的面積相似關系，通過公式(2)進行確定；

13、

14、

15、式中，lp、hp分別為真實地層長度與高度；lm、hm為模型地層的長度與高度；vp、tp為真實采場開挖的速度與時間；vm、tm為相似模型的開挖的速度與時間；kt為模型的時間相似比；kl為模型的幾何相似比。

16、進一步，為了確保識別精度，在步驟四中，在將采場裂隙圖像導入圖像識別軟件coreldraw之間，先對采場裂隙圖像進行二值化處理。

17、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)格模塊并賦予滲透率的過程如下：

18、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(3)所示；

19、

20、式中，i為獲得的裂隙編號；xmi1、xmi2是裂隙兩端的x坐標；ymi1、ymi2是裂隙兩端的y坐標；

21、s52：在matlab中建立與巖層開挖相似模型等大的空間，并將空間網(wǎng)格化，劃分為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(4)所示；

22、

23、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)一設置為0；

24、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：

25、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+1，并重新執(zhí)行a1，直至判定條件成立；

26、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+1，并重新執(zhí)行a2，直至判定條件成立；

27、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；

28、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(j,1)仍為0的項賦予滲透率k3，如公式(5)所示；

29、

30、a4：令i＝i+1，重復執(zhí)行a1至a3；

31、a5：多次重復執(zhí)行a4，直至i≥imax，其中，imax為裂隙編號的最大值，完成所有裂隙滲透率的分配作業(yè)，最終得到空間網(wǎng)格內滲透率。

32、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，可以通過試驗的方式精準的得到巖層力學參數(shù)和瓦斯賦存參數(shù)，這樣，結合巖層力學參數(shù)、瓦斯賦存參數(shù)、前期收集的巖層地質資料和相似準則，便能利用建模軟件便捷地建立出與現(xiàn)實環(huán)境高度相符的巖層開挖相似模型，為后續(xù)得到準確的分析結果提供了可靠的技術保障。通過對巖層開挖相似模型進行回采區(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。先獲取出開挖后的采場裂隙圖像，再利用圖像識別軟件coreldraw進行矢量化處理后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)格的相關關系賦予滲透率，可以高效精準的為所構建的巖層開挖相似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，便能通過有限元軟件comsol模擬出瓦斯的涌出高度，進而能高效準確地獲得廢棄礦井瓦斯涌出高度的預測結果，繼而能為后續(xù)瓦斯的安全高效抽采提供可靠的技術支持。

33、本方法操作過程簡單，實施成本低，其有效結合了相似模型與有限元模擬的優(yōu)點，可以通過模擬的方式大大降低實驗和測試的成本和風險，其可以精確判別廢棄采場瓦斯涌出高度隨時間的變化情況，能為瓦斯抽采鉆孔布置提供科學的指導。