[發(fā)明專利]一種基于隨機多邊形的三維覆巖垮落數(shù)值模擬方法

有效

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• 申請日: 2021-12-20
• 公開（公告）號: CN114239362B
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 邰陽;匡鐵軍;紀(jì)潤清;張小榮;孟祥斌;劉俊余;楊偉航
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06Q50/02;G06T17/20;G06F111/10
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 張彩琴

本發(fā)明屬于采煤技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于隨機多邊體的三維覆巖垮落數(shù)值模擬方法，解決了背景技術(shù)中的技術(shù)問題，其包括首先根據(jù)采場覆巖空間變形、破斷特征將采場劃分為彎曲變形區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)以及破斷運移區(qū)；其次將彎曲變形區(qū)采用連續(xù)單元劃分，將裂隙發(fā)育區(qū)和破斷運移區(qū)采用隨機多邊體單元，從而在實現(xiàn)采場變形、破斷過程的同時最大程度的降低計算時間。通過本發(fā)明能夠真實直觀的顯示采場覆巖三維破斷運移規(guī)律及采場礦壓顯現(xiàn)特征，從而揭示采場礦壓顯現(xiàn)機理，從而在實現(xiàn)采場變形、破斷過程的同時最大程度的降低計算時間。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于采煤技術(shù)領(lǐng)域，涉及采空區(qū)覆巖破斷過程，具體為一種基于隨機多邊體的三維覆巖垮落數(shù)值模擬方法。

背景技術(shù)

煤礦開采后上采空區(qū)覆巖層發(fā)生破斷運移、采場應(yīng)力重新分布，在這個過程中工作面可能出現(xiàn)強礦壓現(xiàn)象。然而，采空區(qū)覆巖破斷、運動的動態(tài)演化過程是無法直接顯示的“黑箱子”，現(xiàn)有方法難以準(zhǔn)確掌握切頂后覆巖三維破斷運移規(guī)律與采場礦壓顯現(xiàn)特征的內(nèi)在聯(lián)系機制，不能從采場三維破斷特征的角度揭示采場礦壓顯現(xiàn)機理。因此目前急需一種能夠直觀顯示采場覆巖三維破斷運移規(guī)律及采場礦壓顯現(xiàn)特征的方法。為此本發(fā)明提出一種基于隨機多邊體的三維覆巖垮落數(shù)值模擬方法，該方法真實直觀的顯示采場覆巖三維破斷運移規(guī)律及采場礦壓顯現(xiàn)特征。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有方法難以準(zhǔn)確掌握切頂后覆巖三維破斷運移規(guī)律與采場礦壓顯現(xiàn)特征的內(nèi)在聯(lián)系機制的技術(shù)問題，提供了一種基于隨機多邊體的三維覆巖垮落數(shù)值模擬方法；能夠真實直觀的顯示采場覆巖三維破斷運移規(guī)律及采場礦壓顯現(xiàn)特征，從而揭示采場礦壓顯現(xiàn)機理。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)手段是：一種基于隨機多邊體的三維覆巖垮落數(shù)值模擬方法，首先根據(jù)采場覆巖空間變形、破斷特征將采場劃分為彎曲變形區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)以及破斷運移區(qū)；其次將彎曲變形區(qū)采用連續(xù)單元劃分，將裂隙發(fā)育區(qū)和破斷運移區(qū)采用隨機多邊體單元，從而在實現(xiàn)采場變形、破斷過程的同時最大程度的降低計算時間；具體包括以下步驟：

a、假設(shè)對上覆巖層進(jìn)行兩次垂直剖切，得到兩個剖切面，設(shè)兩個剖切面相互垂直且分別為I-I剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面，以I-I剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面的交線為對稱線分別在I-I剖面上劃分出正置且下底角為α₁的第一梯形、在Ⅱ-Ⅱ剖面劃分出正置且下底角為α₂的第一梯形，I-I剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面上的第一梯形高度均為H₁且底邊位于同一平面上，以I-I剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面上的第一梯形以及高度H₁構(gòu)建第一棱臺，且第一棱臺位于上覆巖層的煤層之上，將第一棱臺所在區(qū)域劃分為上覆巖層的破斷運移區(qū)；

b、在第一棱臺的上表面采用增添法生成m個泰森多邊形；

c、采用聚能函數(shù)對步驟b中的泰森多邊形執(zhí)行p次質(zhì)心化調(diào)整；

d、將步驟c中調(diào)整后的泰森多邊形映射到第一棱臺的下表面；

e、以第一棱臺的上表面和下表面的泰森多邊形以及第一棱臺的四條側(cè)棱為約束，自上而下映射拉伸形成泰森多邊體；

f、采用破斷運移區(qū)內(nèi)的巖層交界面切割步驟e中形成的泰森多邊體；

g、采用網(wǎng)格尺寸為q₁的六面體或者三棱柱對步驟f處理之后的泰森多邊體進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

h、以I-I剖面上的第一梯形的下底邊為上底邊在I-I剖面上劃分出倒置且下底角為β₁的第二梯形，以Ⅱ-Ⅱ剖面上的第一梯形的下底邊為上底邊在I-I剖面上劃分出倒置且下底角為β₂的第二梯形，I-I剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面上的第二梯形高度均為H₂，且H₂H₁，以I-I剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面上的第二梯形以及高度H₂構(gòu)建第二棱臺，將第二棱臺除去第一棱臺后的區(qū)域劃分為上覆巖層的裂隙發(fā)育區(qū)；