[发明专利]一种利用数值模拟分析非均匀分布裂隙巷道稳定性的方法

说明书

本发明公开了一种利用数值模拟分析非均匀分布裂隙巷道稳定性的方法，涉及采矿技术领域，解决了通过数值模拟方法分析裂隙非均匀分布的巷道围岩稳定性从而为二次支护提供依据的技术问题，该方法的步骤包括：(1)利用有限元模拟软件建立数值模型；(2)非均匀岩体概率分布参数设定；(3)测量并计算巷道围岩地质强度指标；(4)对数值模型的材料参数进行赋值；(5)设定边界条件，模型开挖计算；(6)提取监测数据，进行巷道稳定性评估和二次支护设计。本方法结合了现场实测和数值模拟，模拟了非均质岩体条件下的巷道开挖变形情况，从而更好的分析了巷道围岩的稳定性，另外该方法还具有操作简单，计算准确，可靠性高等优点。

技术领域

本发明涉及采矿技术领域，尤其是一种利用数值模拟和现场监测方法分析非均匀分布裂隙巷道稳定性的方法。

背景技术

岩土工程的隧道、矿业、水电、核电等领域，尤其是地下工程中，岩体裂隙发育具有随机性、形态多样性和空间组合复杂性等特点，从而使得工程岩体的力学参数如弹性模量等具有较高的非均质性，岩体参数的非均质性对工程稳定产生重要影响，严重时会造成井下巷道等支护工程的意外失效。研究非均匀裂隙围岩稳定性控制是岩土工程领域的重要研究课题，对保证安全、高效的施工和生产具有重要指导意义，但是常规的数值模拟方法往往将岩体视为均匀介质，忽略岩体的非均匀性对工程的影响，因此无法对非均匀裂隙发育巷道围岩控制提供准确可靠的支持。

目前，分析围岩失稳机理、研究围岩控制对策、设计支护方案等领域，岩土工程中广泛采用的数值模拟方法主要有：(1)有限元法，有限元法可以将不规则的网格单元拼接成不同形状的研究对象，有限元法应用性强且计算精度较高，但是计算过程复杂、计算量庞大，因此在模拟复杂的工程问题时有限元法存在一定的局限。(2)有限差分法，有限差分法用均匀的网格划分求解域，用有限个离散点的差分代替微分，具有建模方便计算效率高的优点，尤其适用于范围和规模较大的工程模拟。(3)离散元法，离散元法是解决不连续介质问题的数值模拟方法。该方法将裂隙岩体视为由完整岩体单元和节理面组成，单元可以发生平移、转动和变形，节理面允许被压缩、分离或滑动。离散元法适用于模拟节理面空间分布结构与节理面参数明确的裂隙岩体。但是节理空间分布形态以及参数很难进行合理的估算，而且计算维问题时计算量与存储量巨大。有限元法和有限差分法均采用连续介质力学。离散元法中节理的力学参数需要用户自行定义，但这部分力学参数很难准确估算，节理参数的选取不当会极大影响离散元法的计算结果，无法对工程实际进行准确的模拟和仿真。在不专门针对裂隙发育、扩展的围岩稳定性数值模拟中，基于连续介质的有限元法和有限差分法凭借其较高的计算效率和准确的计算结果较好。

由于岩体中裂隙的产状和发育程度影响岩体的强度与变形参数，岩体裂隙发育状态严重影响巷道的变形规律，但是由于岩体裂隙发育的非均匀性造成不同区域巷道围岩力学参数差异性明显，围岩力学参数的非均匀分布对围岩失稳机理、支护方案设计等产生的影响是不可忽略的。因此，在连续介质数值模拟方法的基础上，并在保证计算准确性和高效性的前提下，考虑围岩裂隙的非均匀分布对岩体参数的影响，并提出反演岩体非均质性参数的方法，从而进一步提高数值模拟过程的合理性和结果可靠性。

发明内容

为提高围岩裂隙的非均匀分布条件下的巷道围岩稳定性数值模拟的合理性和可靠性，本发明提供了一种利用数值模拟分析非均匀分布裂隙巷道稳定性的方法，具体技术方案如下。

一种利用数值模拟分析非均匀分布裂隙巷道稳定性的方法，其特征在于，步骤包括：

步骤一.利用有限元模拟软件建立三维数值模型，包括数值模型的尺寸设计和网格划分；

步骤二.非均匀岩体概率分布参数设定，包括确定概率分布函数，模拟岩体的非均质性；

步骤三.测量并计算巷道围岩的地质强度指标，包括钻探取芯获取岩石质量指标和节理条件，地质强度指标的概率分布拟合；