基于COMSOL_Multiphysics研究煤与瓦斯突出

收稿日期:2009 11 12

作者简介:韦善阳(1983-),男,广西河池人,在读硕士研究生,研究方向为矿山灾害防治。

do:i 10.3969/.j issn .1005-2798.2010.05.005

基于CO M SOL-M ulti p hysics 研究煤与瓦斯突出

韦善阳,马科伟,李波波

(贵州大学矿业学院,贵州贵阳 550003)

摘 要:文章分析多物理场耦合分析软件 COM S O L M ulti physics 在研究煤与瓦斯突出方面的可行性和优越性,并指出其实现方式和技术路线。介绍新的研究煤与瓦斯突出的工具和提出研究煤与瓦斯突出的

另一个视角。

关键词:煤与瓦斯突出;COM S O L M u lti physics ;多物理场耦合

中图分类号:TD 713 文献标识码:A 文章编号:1005 2798(2010)05 0014 03

Searc h on Coal and Gas Outburst by CO M S OL M ulti physics

WE I Shan yang ,MA Ke w e,i LI Bo bo

(T he M ining Co llege of Guizhou Universit y,Gu i yang 550003,Ch i na)

Abstrac t :The paper ana l yzes the feasi b ility and t he super i or ity of COM S O L M ultiphy si cs in search i ng on coa l and gas outburst .P o i nt i ng out t he way and t he techn i que route it i s ach ieved .Introduce t he ne w too l i n search i ng on coa l and gas ou t burst .A nd put for w ard a new perspective .

K eywords :coa l and gas outburst ;C OM SOL M u lti physics ;m ulti phys i cs coupi ng

煤与瓦斯突出一直都是困扰煤矿安全开采的主

要隐患,其产生的灾难性后果,严重地威胁着煤炭工业的稳步健康发展。国内外研究者在研究煤与瓦斯突出机理和方法上投入了大量的时间和精力,取得了较好的成果。随着计算机在矿业研究和生产中的广泛应用,数据的有效收集,资料的科学快速整理等都有显著提高。同时,各种模拟软件的问世也为我们研究煤与瓦斯突出提供了更为高效和有效的工具,尤其是实验室目前仍很难进行的一些工作,可以通过模拟仿真软件进行卓有成效的处理。以下将讨论应用COM SOL M ulti p hysics 研究煤与瓦斯突出的可行性及优越性。

1 CO M SOL M u ltiphysics 研究煤与瓦斯突出的可行性分析

煤与瓦斯突出机理在一定程度上都可以应用微分方程形式表达。关于煤与瓦斯突出问题国外学者提出四类假说: 以瓦斯为主导作用的假说!、 以地应力为主导作用的假说!、 化学本质说!和 综合作用假说!。我国学者在综合国内外煤与瓦斯突出机理的基础上并根据现场资料和实验研究对突出机理

进行了探讨和深入分析,提出了五种假说:于不凡教授于1975年、1979年提出中心扩张学说;李萍丰博士于1989年提出二相流体假说;周世宁教授和何学秋教授于1990年提出流变假说;蒋承林教授和俞启香教授于1995年提出地壳失稳假说;梁冰教授和张梦涛教授于1995年提出流固耦合理论,通过相应的控制微分方程(应力场,渗流场,温度场,电磁场等)和边界条件、载荷条件构造对应的数学模型,调整建模后可以输入COMSOL M ulti p hysics 进行数值模拟计算和进行流固等多场耦合模拟。

2 CO M SOL M u ltiphysics 研究煤与瓦斯突出的优越性分析

2.1 COMSOL M ultiphysics 软件的运行机理和特色

COMSOL M ulti p hysics 是基于偏微分方程的专业有限元数值分析软件,用于建模和仿真计算各学科的科学和工程问题。是全球领先的对多物理场耦合问题进行建模和仿真计算分析的专业软件,其最突出的特点是同时处理相互影响、相互耦合的多物理场问题。被评为全球第一款真正的多物理场耦合分析软件。其显著特色为:?提供汉语操作界面;#

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成果应用

总第127期

通过选择或者自定义不同专业的偏微分方程进行合理组合就能实现多物理场的直接耦合分析;?提供CAD建模工具,可以直接在软件中进行二维和三维建模,支持当前主流CAD软件格式文件的导入;%图形界面支持自由定义所需的专业偏微分方程;&支持对材料属性、边界条件、载荷进行参数控制;?可以选择和修改专业的计算模型库中的物理模型; (网格剖分能力强,可以进行多种网格剖份并支持移动网格功能;)软件自带的使用指南帮助(英文)快捷学习软件;?大规模计算能力,有丰富的后处理功能甚至可以进行动画输出与分析;+广泛的应用领域,如电磁学、声学、地球科学、流体动力学、热传导等;

很好的二次开发能力,提供与MATLAB具有无缝接口的二次开发编程环境。

2.2 基于COM SOL M u lti p hysics研究煤与瓦斯突出的理论实现过程

基于COM SOL-M u lti p hysics研究煤与瓦斯突出问题,以煤与瓦斯突出机理为理论基础,以COMSOL M u lti p hysics(多物理场耦合分析软件)为工具,对煤矿进行煤与瓦斯突出预测研究,突出过程模拟和突出因素分析等。利用现有的煤与瓦斯突出机理和突出预测方法结合具体煤矿特殊的地质条件和煤层特点及煤的特殊状况,通过建立数学模型到多物理场模型及其耦合,实现煤与瓦斯突出的模拟。以多物理场耦合为依托调整不同的条件,融合各控制方程和参数的有效选取,成功预测煤与瓦斯突出,并结合矿井实例研究利用已有研究成果与生产的结合完善突出模拟。

具体的做法为:针对煤与瓦斯突出具体问题,利用COM SOL-M ultiphysics已有的微分方程或者自己输入方程结合该软件提供的很多专业模块,直接定义物理参数创建相应模型。尤其是将通过COMSOL -M ultiphysics的多物理功能,通过选择不同模块的叠加,同时模拟任意物理场组合从而进行耦合分析;使用基于偏微分方程的模块自由定义自己的方程,利用其独立处理并解决在工程及科学领域中所包含的复杂偏微分方程耦合多变问题,另外使用该软件强大的二次开发环境二次调整问题和控制输出结果。针对不同问题进行静态和动态分析,线性和非线性分析,特征值和模态分析等各种数值模拟分析。

2.3 基于COM SOL M u lti p hysics研究煤与瓦斯突出的技术实现过程

拟采用基于COMSOL-M ultiphysics进行煤与瓦斯突出的几何建模并进行数值模拟以及寻求用多种求解方法须设定不同的物理参数和边界条件构建物理建模并进行多物理场耦合研究。同时采用多物理场耦合分析结果与实验分析结果的对比研究方法,而且利用具体实际条件和工程项目成果指导突出的多物理场耦合和突出相关实验。即对比综合研究的技术方案,采用的技术路线,见图1。

图1 基于COM SOL M ulti phys i cs

研究煤与瓦斯突出的技术路线

3 实现多物理场耦合分析的难点和关键问题

1) 控制偏微分方程和载荷条件、边界条件的设定与现实情况相吻合仍须大量的研究、数据收集、整理。

2) 建立煤与瓦斯突出的物理模型。煤与瓦斯突出影响因素众多,其关键因素是煤本身的特性、煤层状态和围岩结构及特性。载荷条件、边界条件和控制方程的选取、结合都将是关键点和难点。

3) 地下煤与瓦斯突出问题是煤岩体、液体和气体的多孔介质组合问题。在许多情况下必须考虑三者间相互作用力的问题,涉及多孔介质应力场,渗流场电磁场,温度场等之间的相互耦合作用。选取方程和调试都是艰巨的任务。

4 基于CO M SOL M ultiphysics研究煤与瓦斯突出的意义及价值

4.1 应用前景

COMSOL M ulti p hysics是一款大型的有限元仿真软件,广泛应用于各个领域的科学研究以及工程分析,被当今世界科学家称为第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件!,模拟科学和工程领域的各种物理过程,COM SOL M u lti p hysics以高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力及很好的二次开发能力实现了高度精确的计算机仿真。

煤与瓦斯突出不是单一的物理过程,而是多物

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理且涉及各种物理场的叠加或耦合等共同作用的结果,C OM SOL-M u ltiphysics软件非常适合求解多物理场耦合问题,可以针对煤与瓦斯突出这一集合模型定义几种物理模型并通过计算分析从而选取最为科学合理的模型。COM SOL-M ulti p hysi c s其本身的物理模型也都是经典的模型有着实际的物理和工程意义。软件提供的专业模块,可以直接定义物理参数创建模型形成二维物理场分析,同时不同的物理模块可以叠加进行任意场的耦合模拟和数值解析。针对不同问题可以进行静态和动态分析,线性和非线性分析,特征值和模态分析等各种数值分析。使得物理过程更逼真,结果的可视化、定量化,CO M SOL-M ulti p hysics软件引入到矿业工程领域将能促使相关的研究更快更好的发展,其应用前景将非常广泛。

4.2 科学意义和理论价值

基于COM SOL-M u lti p hysics研究煤矿煤与瓦斯突出,在传统方法的基础上使用多物理场耦合分析软件有效的融合高速数字电子计算机和数值方法理论形成相对理想的数值模拟平台,使以前许多不能解决的数学、物理问题的求解成为可能。通过对方程的控制和调解建立煤与瓦斯突出的有效的数学模型并在计算机上对其求解、分析。不断完善并建立新的数学模型,将煤与瓦斯突出理论研究提高到更高的水平并建立煤与瓦斯突出的研究系统,实现预测的高科技、程序化、数字化。

多物理场耦合分析软件的使用将引起对煤与瓦斯突出问题更多的思考,各物理场的叠加、耦合将有可能产生新的科学发现或者新的理论。其应用为学者们研究煤与瓦斯突出提供了又一新的工具和新的视角。数值模拟仿真会激发起新一轮思想和科技的火花。

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[责任编辑:王玉梅]

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