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技术

技术编号:20622878 阅读:22 留言:0更新日期:2019-03-20 14:34
本发明专利技术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。

A Method of Analyzing the Stability of Non-uniformly Distributed Fractured Roadway by Numerical Simulation

The invention discloses a method for analyzing the stability of non-uniformly distributed fissured roadways by numerical simulation, which relates to the mining technology field, and solves the technical problem of analyzing the stability of surrounding rock of roadways with non-uniformly distributed fissures by numerical simulation method so as to provide a basis for secondary support. The steps of the method include: (1) establishing a numerical model by using finite element simulation software; (2) non-uniformity. Setting parameters of rock mass probability distribution; (3) measuring and calculating geological strength index of roadway surrounding rock; (4) assigning material parameters of numerical model; (5) setting boundary conditions and calculating model excavation; (6) extracting monitoring data for roadway stability evaluation and secondary support design. This method combines field measurement and numerical simulation to simulate the deformation of roadway excavation under the condition of heterogeneous rock mass, so as to better analyze the stability of roadway surrounding rock. In addition, this method has the advantages of simple operation, accurate calculation and high reliability.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及采矿
,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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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,本专利技术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;步骤四.对数值模型的材料参数进行赋值,所述材料参数包括弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度、残余内聚力和塑性应变量;步骤五.设定边界条件,模型开挖计算,所述边界条件包括施加重力模拟初始应力,设置应力边界条件和位移边界条件,所述开挖计算使用有限差分计算方法;步骤六.提取监测数据,进行巷道稳定性评估和二次支护设计。优选的是,步骤一中的三维数值模型为长方体,在三维数值模型中部开挖巷道,巷道中部划分为顶板监测区域。优选的是,步骤二中概率分布函数取韦布尔概率分布函数:其中u是单个元素的力学参数值,u0是尺度参数,m为材料的均质性系数。进一步优选的是,步骤二中使用蒙特卡洛法模拟岩体的非均质性,包括:A.在[μmin,μmax]之间随机取一个值μi,计算μi的概率密度函数f(μi);B.在f(μmin)与f(μmax)之间随机产生一个概率密度函数f(μ),当f(μ)<f(μi)时,导出μi,C.继续进行迭代计算,最终得到μi的数据组,μi的数据组服从韦布尔概率分布规律。优选的是,步骤三中的地质强度指标GIS与岩石质量指标RQD和节理条件JCond89的关系为:GSI=1.5JCond89+RQD/2。进一步优选的是,岩石质量指标RQD取钻探获取的岩芯完整度来表示,具体为长度大于10cm的岩芯占钻孔总长度的比值;所述节理条件JCond89的取值根据巷道围岩裂隙长度、宽度、粗糙度、充填类型和风化程度确定。优选的是,步骤四中弹性模量E和地质强度指标GIS之间的关系为:其中σm为岩石单轴抗压强度。优选的是,步骤五中模型开挖使用有限差分法进行迭代计算,当模型的最大不平衡力当低于1e-5时模拟运算结束。优选的是,步骤六中二次支护设计包括,在巷道变形值达到120mm以上的区域,采取注浆加固和增加锚杆预紧力的支护措施。本专利技术的有益效果包括:(1)本方法结合现场监测和数值模拟对非均质岩体的巷道裂隙分布和顶板下沉规律进行模拟,模拟结果和现场监测相互验证,利用韦布尔概率分布函数模拟岩体的非均质性,提高了模拟的合理性和可靠性。(2)根据钻探结果确定地质强度指标从而更好的还原了工程现场的巷道围岩条件,保证了模拟结果的准确性,尤其是对地质强度指标GIS的统计值进行概率分布拟合,确定了顶板的模拟参数,从而能够更准确的计算巷道顶板下沉变形值。(3)根据巷道模拟结果,提取巷道变形量监测数据,对巷道围岩的稳定性和可靠性进行评估分析,从而进一步的指导巷道二次支护保证了巷道的安全和支护的有效性。另外本方法还具有操作简单,计算准确高效,支护可靠性高等优点。附图说明图1是利用数值模拟分析非均匀分布裂隙巷道稳定性的方法流程结构图;图2是三维数值模型结构示意图;图3是巷道顶底板岩性特征和厚度柱状图;图4是不同均质性系数的韦布尔分布曲线图;图5是韦布尔分布参数拟合示意图;图6是数值模拟结果巷道顶板下沉示意图。具体实施方式结合图1至图6所示,本专利技术提供的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,具体实施方式如下。实施例1一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;在本步骤中的三维数值模型为长方体,在三维数值模型中部开挖巷道,巷道中部划分为顶板监测区域。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;在本步骤中概率分布函数取韦布尔概率分布函数:其中u是单个元素的力学参数值,u0是尺度参数,m为材料的均质性系数。其中使用蒙特卡洛法模拟岩体的非均质性,包括:A.在[μmin,μmax]之间随机取一个值μi,计算μi的概率密度函数f(μi);B.在f(μmin)与f(μmax)之间随机产生一个概率密度函数f(μ),当f(μ)<f(μi)时,导出μi,C.继续进行迭代计算,最终得到μi的数据组,μi的数据组服从韦布尔概率分布规律。利用韦布尔概率分布函数模拟岩体的非均质性,本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一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;步骤四.对数值模型的材料参数进行赋值,所述材料参数包括弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度、残余内聚力和塑性应变量;步骤五.设定边界条件,模型开挖计算,所述边界条件包括施加重力模拟初始应力,设置应力边界条件和位移边界条件,所述开挖计算使用有限差分计算方法;步骤六.提取监测数据,进行巷道稳定性评估和二次支护设计。

【技术特征摘要】
1.一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;步骤四.对数值模型的材料参数进行赋值,所述材料参数包括弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度、残余内聚力和塑性应变量;步骤五.设定边界条件,模型开挖计算,所述边界条件包括施加重力模拟初始应力,设置应力边界条件和位移边界条件,所述开挖计算使用有限差分计算方法;步骤六.提取监测数据,进行巷道稳定性评估和二次支护设计。2.根据权利要求1所述的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,所述步骤一中的三维数值模型为长方体,在三维数值模型中部开挖巷道,巷道中部划分为顶板监测区域。3.根据权利要求1所述的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,所述步骤二中概率分布函数取韦布尔概率分布函数:其中u是单个元素的力学参数值,u0是尺度参数,m为材料的均质性系数。4.根据权利要求3所述的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,所述步骤二中使用蒙特卡洛法模拟岩体的非均质性,包括:A.在[μmin,μmax]之间随机取一个值μi,计算μi的概率密度函数...

【专利技术属性】
技术研发人员:蒋力帅孔朋束佳明赵阳袁龙
申请(专利权)人:山东科技大学
类型:发明
国别省市:山东,37

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