[发明专利]一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法

说明书

本发明公开了一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法，包括现场煤岩层取芯并记录RQD值，观测巷道变形并统计煤层裂隙分布特征；室内测试煤岩试样的力学参数，根据RQD值计算出岩体的强度；利用UDEC‑Trigon模块建立数值模型调整参数与岩体强度相匹配校正模型参数；建立工程尺度的数值模型调整参数与现场变形特征匹配，最终模拟巷道围岩裂隙演化。本发明为离散元数值模拟巷道变形提供准确的基础力学参数，可确保模拟结果真实可靠。

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法。

背景技术

煤柱的稳定性一直以来都是安全高效开采需要研究的重点。随着采深增加地质条件复杂，沿空掘巷出现大变形、采空区泄漏瓦斯等现象，巷道围岩控制效果差。煤柱宽度留设不合理，对煤柱和围岩破坏机理的认识不清，导致不能提出长久有效的控制措施，严重的影响煤炭资源安全高效开采。

数值模拟方法在解决工程问题方面具有明显的优势，主要包括有限元和离散元两种方法。离散元数值模型能够模拟岩体的破坏过程并且显式的模拟裂隙扩展演化规律，广泛应用于解决地下岩土工程问题。UDEC Trigon模型是在泰森多边形的基础上进一步改进的非连续模型，模型由块体和节理面两部分组成，在不同的应力环境下沿着块体之间的节理面发生破坏，能够明显的区别原生裂隙和新产生的裂隙，可以更加真实的模拟巷道围岩的裂隙演化过程。

现有的数值模拟方法和技术在模拟巷道变形时存在：模型中岩体力学参数的选取是直接将实验室测得的力学参数应用到数值模型中；而由于实验室采用的试样通常较小，试样是由原岩经过开采、切割后形成，该过程中，内部应力及结构发生变化，从而与真实的大尺度岩体相比，存在较大差异；现有的数值模拟方法和技术忽略了大尺度的工程岩体与小尺度岩块之间的差异性，最终得到的结果与现场实际有较大的偏差，缺乏可信度，并不能指导现场施工。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法，能够有效真实地还原现场，模拟结果更加真实可靠。

为实现上述目的，本发明采用的一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法，包括以下步骤：

S1，在试验巷道内，进行观测巷道变形特征、煤岩样取岩芯；记录巷道围岩变形特征，监测巷道顶板和两帮的裂隙分布特征，在顶板和煤层内取岩芯，记录顶板岩芯及煤层岩芯的RQD值；

S2，将取得的顶板岩芯及煤层岩芯分别制成标准的岩块试样进行力学实验：测试岩块试样的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量；根据岩体的弹性模量与岩块试样的弹性模量的比值与RQD之间的函数关系，以及岩体的单轴抗压强度和岩块试样单轴抗压强度之间的函数关系，确定岩体的单轴抗压强度和弹性模量；岩体的抗拉强度取岩体的抗压强度的0.1；

S3，应用UDEC中的Trigon模块建立的校正模型，模型中三角形块体的边长的平均值根据步骤S1中统计的裂隙分布特征来确定；以步骤S2中计算得到的岩体的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量为已知特征值，利用校正模型反演得到校正模型中的三角形块体参数和节理面参数；

S4，利用UDEC建立大尺寸的与现场工作面开采规模一致的数值模型，限定研究区域，在研究区域内利用Trigon模块划分成为三角形块体，三角形块体的边长的平均值以及与三角形块体参数与第三步中校正模型中相同；在研究区域以外的区域划分为长度逐渐增大的矩形块体；以步骤S1中观测得到巷道围岩变形特征和裂隙分布规律为已知状态，反演得到大模型中矩形块体的力学参数。

根据本发明的一些实施例，步骤S3中，反演校正模型中的三角形块体参数和节理面参数，包括三角形块体尺寸、弹性模量和节理面的法向刚度、切向刚度、内聚力、内摩擦角、抗拉强度，具体的反演方法是：

a)分别建立宽高为2m×4m的矩形和直径为2m的圆形校正模型，确保三角形块体的边长的平均值与现场统计的裂隙长度相一致；