[發(fā)明專利]一種利用數(shù)值模擬分析非均勻分布裂隙巷道穩(wěn)定性的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811201014.4
• 申請日: 2018-10-16
• 公開（公告）號: CN109492262A
• 公開（公告）日: 2019-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔣力帥;孔朋;束佳明;趙陽;袁龍
• 申請（專利權(quán)）人: 山東科技大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 青島智地領(lǐng)創(chuàng)專利代理有限公司 37252
• 代理人: 張凱

本發(fā)明公開了一種利用數(shù)值模擬分析非均勻分布裂隙巷道穩(wěn)定性的方法，涉及采礦技術(shù)領(lǐng)域，解決了通過數(shù)值模擬方法分析裂隙非均勻分布的巷道圍巖穩(wěn)定性從而為二次支護(hù)提供依據(jù)的技術(shù)問題，該方法的步驟包括：(1)利用有限元模擬軟件建立數(shù)值模型；(2)非均勻巖體概率分布參數(shù)設(shè)定；(3)測量并計(jì)算巷道圍巖地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)；(4)對數(shù)值模型的材料參數(shù)進(jìn)行賦值；(5)設(shè)定邊界條件，模型開挖計(jì)算；(6)提取監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行巷道穩(wěn)定性評估和二次支護(hù)設(shè)計(jì)。本方法結(jié)合了現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬，模擬了非均質(zhì)巖體條件下的巷道開挖變形情況，從而更好的分析了巷道圍巖的穩(wěn)定性，另外該方法還具有操作簡單，計(jì)算準(zhǔn)確，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及采礦技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測方法分析非均勻分布裂隙巷道穩(wěn)定性的方法。

背景技術(shù)

巖土工程的隧道、礦業(yè)、水電、核電等領(lǐng)域，尤其是地下工程中，巖體裂隙發(fā)育具有隨機(jī)性、形態(tài)多樣性和空間組合復(fù)雜性等特點(diǎn)，從而使得工程巖體的力學(xué)參數(shù)如彈性模量等具有較高的非均質(zhì)性，巖體參數(shù)的非均質(zhì)性對工程穩(wěn)定產(chǎn)生重要影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成井下巷道等支護(hù)工程的意外失效。研究非均勻裂隙圍巖穩(wěn)定性控制是巖土工程領(lǐng)域的重要研究課題，對保證安全、高效的施工和生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義，但是常規(guī)的數(shù)值模擬方法往往將巖體視為均勻介質(zhì)，忽略巖體的非均勻性對工程的影響，因此無法對非均勻裂隙發(fā)育巷道圍巖控制提供準(zhǔn)確可靠的支持。

目前，分析圍巖失穩(wěn)機(jī)理、研究圍巖控制對策、設(shè)計(jì)支護(hù)方案等領(lǐng)域，巖土工程中廣泛采用的數(shù)值模擬方法主要有：(1)有限元法，有限元法可以將不規(guī)則的網(wǎng)格單元拼接成不同形狀的研究對象，有限元法應(yīng)用性強(qiáng)且計(jì)算精度較高，但是計(jì)算過程復(fù)雜、計(jì)算量龐大，因此在模擬復(fù)雜的工程問題時(shí)有限元法存在一定的局限。(2)有限差分法，有限差分法用均勻的網(wǎng)格劃分求解域，用有限個(gè)離散點(diǎn)的差分代替微分，具有建模方便計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于范圍和規(guī)模較大的工程模擬。(3)離散元法，離散元法是解決不連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法。該方法將裂隙巖體視為由完整巖體單元和節(jié)理面組成，單元可以發(fā)生平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和變形，節(jié)理面允許被壓縮、分離或滑動(dòng)。離散元法適用于模擬節(jié)理面空間分布結(jié)構(gòu)與節(jié)理面參數(shù)明確的裂隙巖體。但是節(jié)理空間分布形態(tài)以及參數(shù)很難進(jìn)行合理的估算，而且計(jì)算維問題時(shí)計(jì)算量與存儲(chǔ)量巨大。有限元法和有限差分法均采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)。離散元法中節(jié)理的力學(xué)參數(shù)需要用戶自行定義，但這部分力學(xué)參數(shù)很難準(zhǔn)確估算，節(jié)理參數(shù)的選取不當(dāng)會(huì)極大影響離散元法的計(jì)算結(jié)果，無法對工程實(shí)際進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬和仿真。在不專門針對裂隙發(fā)育、擴(kuò)展的圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬中，基于連續(xù)介質(zhì)的有限元法和有限差分法憑借其較高的計(jì)算效率和準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果較好。

由于巖體中裂隙的產(chǎn)狀和發(fā)育程度影響巖體的強(qiáng)度與變形參數(shù)，巖體裂隙發(fā)育狀態(tài)嚴(yán)重影響巷道的變形規(guī)律，但是由于巖體裂隙發(fā)育的非均勻性造成不同區(qū)域巷道圍巖力學(xué)參數(shù)差異性明顯，圍巖力學(xué)參數(shù)的非均勻分布對圍巖失穩(wěn)機(jī)理、支護(hù)方案設(shè)計(jì)等產(chǎn)生的影響是不可忽略的。因此，在連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬方法的基礎(chǔ)上，并在保證計(jì)算準(zhǔn)確性和高效性的前提下，考慮圍巖裂隙的非均勻分布對巖體參數(shù)的影響，并提出反演巖體非均質(zhì)性參數(shù)的方法，從而進(jìn)一步提高數(shù)值模擬過程的合理性和結(jié)果可靠性。

發(fā)明內(nèi)容

為提高圍巖裂隙的非均勻分布條件下的巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬的合理性和可靠性，本發(fā)明提供了一種利用數(shù)值模擬分析非均勻分布裂隙巷道穩(wěn)定性的方法，具體技術(shù)方案如下。

一種利用數(shù)值模擬分析非均勻分布裂隙巷道穩(wěn)定性的方法，其特征在于，步驟包括：

步驟一.利用有限元模擬軟件建立三維數(shù)值模型，包括數(shù)值模型的尺寸設(shè)計(jì)和網(wǎng)格劃分；

步驟二.非均勻巖體概率分布參數(shù)設(shè)定，包括確定概率分布函數(shù)，模擬巖體的非均質(zhì)性；

步驟三.測量并計(jì)算巷道圍巖的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)，包括鉆探取芯獲取巖石質(zhì)量指標(biāo)和節(jié)理?xiàng)l件，地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)的概率分布擬合；