[发明专利]一种泰森多边体单元构建及划分方法

说明书

本发明属于采煤技术领域，具体为一种泰森多边体单元构建及划分方法，解决了背景技术中的技术问题，其首先，将岩层投影到超过上边界圈范围内并生成特定形状的泰森多边形；其次，特定形状的泰森多边形投影到岩层上表面并根据模拟所需要厚度拉伸泰森多边形形成泰森多边体；最后，在边界上插入Cohesive单元。本发明弥补了现有的研究方法均存在的缺陷，可直观显示覆岩破断运移过程、真实反演覆岩的三维破断特征，用于真实准确的反演煤矿采场覆岩“O+X”破断、“U+Y”破断以及不规则破断等，实现三维坚硬岩层破断运移规律的动态可视化。

技术领域

本发明属于采煤技术领域，涉及采场覆岩三维破断运移规律，具体为一种泰森多边体单元构建及划分方法。

背景技术

实现煤炭安全高效开采就需要准确掌握采场覆岩三维破断运移及应力场演化规律，在此基础上分析采场应力演化与覆岩三维破断运移的内在联系，进而揭示工作面矿压显现机理。因此，弄清采场覆岩三维破断运移规律是研究采场矿压机理的前提，为此大量学者采用了多种研究手段揭示采场三维覆岩破断运移规律。目前国内外学者采用了二维相似模拟、三维相似模拟、二维梁理论等多种手段研究采场覆岩破断运移规律。然而，现有的研究方法均存在一定的缺陷，难以实现三维坚硬岩层破断运移规律的动态可视化，即采矿内俗称的“黑箱子”或者“灰箱子”问题。究其原因是相似模拟能够实现三维岩层垮落，但是难以直观显示覆岩破断运移过程，而现有的数值计算能够直接观测覆岩运移，但是难以真实反演覆岩的三维破断特征。目前仍然缺少一种能够真实准确的模拟采场三维岩层破断垮落、直观显示破断运移规律的数值计算方法。而在这个数值模拟方法中单元结构及网格划分方法能够反演覆岩“O+X”破断、“U+Y”破断以及不规则破断等。为了达到这一目的，本发明提出一种泰森多边体单元构建及划分方法，能够真实准确的反演覆岩“O+X”破断、“U+Y”破断以及不规则破断等。

发明内容

本发明旨在解决现有的研究方法均存在一定的缺陷，难以实现三维坚硬岩层破断运移规律的动态可视化的技术问题，提供了一种泰森多边体单元构建及划分方法，用于真实准确的反演煤矿采场覆岩“O+X”破断、“U+Y”破断以及不规则破断等，实现三维坚硬岩层破断运移规律的动态可视化。

本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种泰森多边体单元构建及划分方法，首先将岩层投影到超过上边界圈范围内并生成特定形状的泰森多边形；其次将特定形状的泰森多边形投影到岩层上表面并根据模拟所需要厚度拉伸泰森多边形形成泰森多边体；最后，在边界上插入Cohesive单元.具体包括以下步骤：

a、将岩层上边界投影到超过其投影范围的水平面内；

b、在水平面内采用增添法不断生成泰森多边形，当泰森多边形的数量超过m时，停止增加泰森多边形；

c、采用表达式编写Llody算法，并对泰森多边形质心化程度进行p次反复调整；

d、将步骤c中的泰森多边形投影到岩层上表面内，并对岩层上表面内的泰森多边形进行n次逐层拉伸形成泰森多边体；

e、对泰森多边体进行网格划分；

f、在泰森多边体的四周插入Cohesive单元；

g、获取岩层的单轴抗拉强度σ_t以及对应的拉应力-拉应变曲线；

h、获取岩层的抗剪强度σ_τ以及对应的剪应力-剪应变曲线；

i、基于函数关系其中，K为弹性模量或剪切模量；σ_i为拉应力或者剪切应力；δ_i为拉伸或剪切位移；为拉伸或剪切弹性极限位移；为拉伸或剪切极限位移；d_i为刚度折减系数；σ_res为残余强度；采用多段线性拟合方法，拟合步骤g和h中的拉应力-拉应变曲线和剪应力-剪应变曲线，获取K、和σ_res值；