基于数值模拟的采空区注浆动态全过程仿真方法.docx

基于数值模拟的采空区注浆动态全过程仿真方法专利名称：基于数值模拟的采空区注浆动态全过程仿真方法技术领域：本发明属于采空区注浆可视化仿真领域，涉及采空区注浆的三维数值模拟及基于数值模拟的采空区注浆三维动态全过程仿真方法具体讲，涉及基于数值模拟的采空区注浆动态全过程仿真方法背景技术：采空区，是指地下固体矿床开采后的空洞区及其围岩因失稳而产生位移、开裂、破碎垮落，直到上覆岩层整体下沉、弯曲所引起的地表变形和破坏的地区或范围由于采空区的存在，地表的移动和沉陷，伴随着产生了连续或非连续的变形煤炭开采沉陷对环境的破坏是十分严重的，由于地表大范围的大幅度下沉，地表建筑设施会受到损害，同时，人们的生活、生产安全受到威胁和财产损失目前，治理采空区最常用的技术手段为注浆工艺注浆技术是使浆液结石体及采空区上部岩土层注浆后成为强度高、抗渗性好、稳定性高的新结构体，从而达到改善采空区所在区域地层的物理力学性质的目的，以满足各类土木建筑、岩土地基等的工程施工技术注浆全过程仿真作为浆液流动动态全过程仿真一种表现形式目前对基于数值模拟的注浆动态全过程仿真未见报道，由于浆液和水流均属于流体类，浆液流动的模拟仿真可类比水流方面的研究。

在水流动态全过程仿真方面，国内外研究学者进行了一些研究国外从1986年开始水流模拟研究，Fournier and Reeves应用了流体动力学方程的近似解模拟一系列流体轨迹线；Songxin Shi等应用了快速傅里叶转换法(FFT)建立大规模水域表面模型并结合动态几何波浪模型在水域表面产生洪峰国外对水流数值模拟可视化应用中也已陆续推出了一些较为成功的商用可视化系统，如美国Brigham YoungUniversity 的 SMS 软件,荷兰 Delft Hydraulics Institute 研制的 Delft_3D 软件,丹麦DHI研究所开发的MIKE ZERO系列软件等美国地质中心Connor等对美国境内Queets河的洪水流域和河道变化进行动态模拟研究蒙大纳大学Geoffrey等利用水文学和遥感影像方法对洪水流域进行三维模拟分析，并取得了一定的进展美国水文科学沙化研究中心Carroll等对洪水冲蚀和淤积进行建模，利用科学计算可视化技术研究卡森河的河道河床变化及其对洪水影响国内对水流动态过程的三维可视化研究也广泛开展，董文锋等应用了一维水动力学模型结合OpenGL和GIS技术研制了清江流域“洪水演进模拟仿真系统”模拟流域洪水的淹没过程；韩敏等以给定水位的方式采用VC和OpenGL技术建立了洪水演进模拟系统，实现了洪水演进的可视化；洪友堂、田淑芳等基于OpenGL，运用广度优先搜索算法，实现了青海湖地区水体动态演进过程；叶海建等运用水波动理论实现了南水北调工程中动态水环境的模拟仿真；冶运涛等开发了汶川地震灾区堰塞湖溃决洪水淹没过程三维可视化系统，集成二维溃坝水流模型和监测数据，实现了唐家山堰塞湖的蓄水过程的模拟及溃决洪水演进过程的可视化动态仿真。

在注浆可视化方面，徐捷等开发了智能灌浆记录仪，为注浆过程的可视化提供了有益的借鉴，但是这一方法主要是以实验为基础，未涉及到数值模拟；闻树旺等实现了岩土边坡锚杆加固注浆过程的三维可视化，但是未结合数值模拟，只是进行了示意性的效果模拟综上所述，目前基于数值模拟的注浆全过程的动态模拟还未见报道参考文献[I]郝哲，王介强，何修仁.岩体裂隙注浆的计算机模拟研究[J].岩土工程学报，1999，21(6) :727-730.[2]徐捷，屈昌华，李未显，等.岩石水泥灌浆工程可视化技术的探讨与实践[J].大坝观测与土木测试，2001,25 (6) :49-51.[3]杨米加，陈明雄，贺永年.裂隙岩体网络注浆渗流规律[J].水利学报，2001，7 41-46.[4]叶海建，刘旭东，罗辉.南水北调视景仿真系统中动态水环境的模拟[J].中国农业大学学报，2003，8 (4) :58-62.[5]阮文军.衆液基本性能与岩体裂隙注衆扩散研究[D].吉林吉林大学,2003.[6]卢鹏.岩土边坡锚杆灌浆加固的研究与三维可视化模拟过程[D].天津大学硕士学位论文，2004.[7]王万顺，耿玉玲，范运岭.三维渗流模型模拟采空区注浆治理过程的研究[J].中国煤田地质，2005，17 (I) :22-25.[8]韩秀梅.青海湖地区三维地形可视化与水体动态演进模拟[D].中国地质大学硕士学位论文，2006.[9]康玲，王学立，姜铁兵，等.基于数字高程模型的流域变动等流时线方法[J].水利学报，2006，37 (I) :40-44.[10]陈忠贤.基于OpenGVS三峡水利枢纽虚拟仿真系统的研究与应用[硕士学位论文].重庆重庆大学，2008.[11]郭先春，邹时林，李大军，等.抚州市洪水淹没3D可视化系统研发[J].测绘科学，2010，35 (4) :193-195.[12]张金娟.粘土固化浆液渗透注浆理论与数值模拟在砾砂、卵石土层中的应用研究[D].大连海事大学硕士学位论文，2009.发明内容本发明旨在克服现有技术的不足，尤其南水北调中线工程穿越煤矿采空区，对工程的安全施工与运行造成了严重威胁，对煤矿采空区进行注浆加固处理已成为工程迫切需要解决的问题。

基于三维几何地质信息模型，建立三维宾汉姆流体数学模型，根据注浆数值模拟结果实现风暴潮洪水演进三维动态全过程仿真为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于数值模拟的采空区注浆动态全过程仿真方法，包括如下步骤(I)建立耦合采空区复杂地层信息的灌浆三维网格模型；(2)建立采空区注浆三维数学模型；(3)进行采空区浆液流动的动态模拟；(4)进行采空区注浆动力学解算；(5)三维动态全过程仿真后期处理与可视化输出耦合采空区复杂地层信息的注浆三维网格模型具体为(I)根据真实的CAD地形地质资料和工程基础数据资料，在犀牛软件中建立真实地质模型；(2)将地质模型转化成.1gs格式，通过计算流体力学CFD软件的数据接口，将包含真实地质地形数据的.1gs格式文件导入到CFD软件中；(3)基于三维地质模型，采用贴体网格和局部加密网格划分技术建立模型在全局选用较大的长度，生成与计算区域边界重合的、疏密程度不均匀的曲线网格，使得网格的边界与计算区域边界--对应；(4)针对计算区域内的不同部位的不同情况，采用加密或放宽网格的办法，在不同区域建立不同疏密度的网格，注浆孔周围网格局部加密建立采空区注浆三维数学模型具体为，基于采空区注浆三维网格模型构建宾汉姆流体三维k-ε紊流数学模型。

宾汉姆流体三维k-ε紊流数学模型的基本方程包括宾汉姆流体k_ ε紊流控制方程、宾汉姆流体的本构方程、混合速度方程和混合密度方程，其中k- ε紊流控制方程为数值模拟的主要流体流动控制模拟方程，本构方程主要体现宾汉姆流体的特性，混合速度和密度方程体现注浆液中混凝土颗粒和水的混合速度和密度，宾汉姆流体本构方程、混合速度和混合密度方程均通过源项耦合于k_ ε紊流控制方程宾汉姆流体三维k_ ε紊流数学模型的边界条件包括(I)进口边界条件宾汉流体相和颗粒相的进口速度分布，压力分布以及相应的体积浓度分布，各变量取均匀分布；根据工程设计的1、II序孔，定义两类参数相同的进口条件，基于实际工程进行1、II序孔的分序注浆；(2)出口边界条件出口条件按局部单向化处理；(3)固壁边界条件按固壁定律处理，所有固壁处的节点均采用无滑移条件，对靠近壁面的第一个网格节点采用标准壁函数方法；宾汉姆流体三维k_ ε紊流数学模型在确定基本控制方程和边界条件的设置与相关参数后，通过有限体积法进行离散，SIMPLE算法进行求解，最终获得宾汉姆流体三维注浆数值模拟结果采空区浆液流动的动态模拟具体为基于第二步采空区注浆数值模拟的结果，划分网格的顶点得到不同时刻的空间坐标，为(X，y，Z)的数据类型，每相邻的4个点组成一个四边形，再将所有的四边形联接成网，形成反映高低起伏变化的三维交错网格；经过以上处理后，初始显示流场质点，进行质点流速场的绘制以箭头表示各质点流速矢量，箭头的方向表示速度的方向，箭头的长度表示流速值大小，然后选择适当的时间间隔，逐时生成一系列不同时刻流体质点所在的位置及其速度矢量图，就得到了动态的流场。

采空区注浆动力学解算具体为(1)选择注浆孔注浆表现场景(2)制作场景模型(3)导入Realflow软件，设置参数(4)调整参数，多次解算根据初设参数，进行初次解算，分析解算成果，调整相关参数，再进行解算，反复解算调整多次，直到解算效果满足要求时为止，进行最后的解算和成果输出三维动态全过程仿真后期处理与可视化输出包括又如下步骤将采空区注浆孔注浆动力学解算的结果导回到3dmax软件中，利用3dmax软件中的材质贴图和照明模块，给整个场景设置光照，并给场景中的各个元素加上贴图和材质，在这一过程中，充分考虑到随着视点的变化，光照变换、纹理和色彩的变化，使得整个场景与现实更加的贴切；最后根据分辨率要求，设置好渲染参数，进行渲染出图片和动画文件本发明的技术特点及效果(I)与已有技术相比，本发明基于耦合多种地质信息的三维几何模型，建立三维宾汉姆流体k- ε紊流注浆数学模型，对采空区注浆过程进行了精细化三维数值模拟，结果更加符合实际工程中浆液的流动规律，为注浆方案的设计与优化提供理论依据与技术支持；(2)实现了工程中多注浆孔的分序，分步注浆，更加符合实际工程需要；(3)基于液相流动态模拟、通用计算图形处理单元(GPGPU)等技术，实现了兼顾真实性和科学性的注浆浆液模拟，使得浆液动态模拟的制作流程更简单，浆液动态模拟的速度更快，图形显示技术更先进，可视化结果更逼真。

4)利用采空区注浆动力学解算，制作出了采空区注浆过程中I序孔注浆、I序孔浆液到达采空区之后的扩散过程 、I序孔固结、II序孔注浆扩散过程等全部效果图1总体技术流程；图2针对液体粒子的密度、压强、速度和位置等属性分别建立相应的纹理示意图；图中，a纹理中存储粒子的密度和压强，b纹理中存储粒子的速度，c纹理中存储粒子的位置图3动态液体效果模拟制作流程示意图；图4采空区注浆孔注浆动态全过程仿真的三维演示流程具体实施例方式本发明以所建立的复杂工程地质三维模型和三维数字模型为载体，基于三维宾汉姆流体k_ ε紊流封闭数学模型对采空区注浆过程进行了精细化三维数值模拟，并结合液相流动态模拟、注浆浆液的动力学解算等技术，实现复杂工程地质条件下采空区注浆过程的三维全过程动态仿真，对采空区注浆过程提供快速、准确和直观的展示基于采空区注浆数值模拟的三维动态全过程仿真方法的总体技术流程见图1，该方法具体包括(I)耦合煤矿采空区复杂地层信息的灌浆三维网格模型；(2)煤矿采空区注浆三维数学模型；(3)煤矿采空区浆液流动的动态模拟；(4)煤矿采空区注浆动力学解算；(5)三维动态全过程仿真后期处理与可视化输出下面结合附图和具体实施实例进一步详细说明本发明。

一 )耦合煤矿采空区复杂地层信息的灌浆三维网格模型基于建立的包含复杂地层信息的地质模型，通过地质模型数据与CFD模型数据之间的耦合转化，在耦合地质模型的基础上，建立CFD网格模型，具体的实施步骤如下(I)根据真实的CAD地形地质资料和工程基础数据资料，在犀牛软件中建立真实地质模型；(2)将地质模型转化成.1gs格式，通过CFD软件的数据接口，将包含真实地质地形数据的.1gs格式文件导入到CFD软件中，实现了真实复杂地形在CFD软件计算网格模型中的精确表达，弥补了以往CFD建模中通过坐标绘制网格模型而使网格精确性不足的局限；(3)基于三维地质模型，采用贴体网格和局部加密网格划分技术建立模型在全局选用较大的长度，生成与计算区域边界重合的、疏密程度不均匀的曲线网格，使得网格的边界与计算区域边界--对应；(4)针对计算区域内的不同部位的不同情况，采用加密或放宽网格的办法，在不同区域建立不同疏密度的网格，注浆孔周围网格局部加密，既节省了时间，又提高了精度，能较好地模拟实际地质情况 二)采。