一种深部高应力巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法技术

本发明专利技术公开了一种深部高应力巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，模拟前先取试验巷道围岩岩样在实验室中进行加卸载试验，拟合得到岩样强度参数与损伤变量的衰减关系，并将其嵌入FLAC3D内置应变软化本构模型中，以试验巷道实测矿压显现规律作为已知特征值，反演岩体的数值计算模型参数。建立深部巷道钻孔卸压数值计算模型，模拟分析卸压钻孔方位、卸压时机及钻孔参数（直径、长度、间排距）对巷道围岩稳定性的影响规律，提出上述影响卸压效果的各因素的确定方法，完善钻孔卸压技术体系。本发明专利技术在确定卸压钻孔参数时考虑了卸压程度与围岩稳定性的相互作用关系，设计的卸压钻孔可在保证围岩稳定的前提下发挥最大卸压效果，方法简单，具有很强的应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及深部巷道围岩应力转移及围岩变形控制数值模拟的分析领域,具体为尤其是一种考虑围岩峰后强度参数衰减影响的深部巷道应力转移及围岩变形控制的数值模拟确定钻孔卸压参数的分析方法。
技术介绍
近年来，我国煤炭资源需求量及开采强度的增加，导致浅部煤炭资源日益枯竭，许多矿区已相继转入深部开采阶段。进入深部开采后，煤岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应均发生了根本性变化，巷道掘出后围岩易表现出软岩力学特征，碎胀、扩容等大变形现象严重，巷道维护效果极差，严重制约了深部煤炭资源的安全高效生产。钻孔卸压技术通过人为钻孔的方法在巷道浅部围岩内部形成一个弱化区，将其周边高应力转移至深部稳定围岩中，同时为围岩膨胀变形提供补偿空间，减小巷道变形。作为巷内应力转移技术的一种，钻孔卸压技术具有工艺简单、施工速度快、工程量小等优点，但制约该技术推广应用的主要原因是钻孔卸压参数的确定，目前对于钻孔卸压参数的设计多是参考一些经验，忽略了钻孔对开挖卸荷后煤岩体的再次扰动及弱化效应，导致巷道冒顶、片帮事故时常发生。总结钻孔卸压参数设计主要存在的问题有：1)采用数值模拟确定钻孔卸压参数时，对深部巷道围岩强度衰减规律认识不足，很少考虑岩石峰后强度参数的衰减过程，或将峰后衰减过程做简单的线性简化，二者均与实际情况偏差较大，缺少室内试验与现场工程岩体参数的反演与校验过程，导致岩体参数的选取具有一定的盲目性，影响了运算结果的输出；2)设计钻孔卸压参数时，仅考虑了直径、长度等常规参数，忽略了钻孔直径与间排距的相互作用关系，且对于其它一些影响卸压效果的钻孔参数(如卸压时机、方位等)并未全局考虑，导致钻孔卸压参数的确定无法形成完整的技术体系，制约了钻孔卸压技术的推广应用。因此，提供一种能够能够为克服上述现有技术中的不足而通过数据模拟确定钻孔卸压参数的涉及提供正确而准确的分析方法，从而为钻孔卸压参数的设定提供精准保障，已经是一个值得研究的问题。
技术实现思路
为了解决上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种深部高应力巷道钻孔卸压参数确定的数值模拟方法。本专利技术技术解决方案：深部高应力巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，包括以下步骤：步骤1)在工程现场调研阶段：对试验巷道进行①围岩变形破坏特征实时监测和②完整岩样取芯两项工作；工作①分别监测巷道不同深度处围岩位移变化规律、应力演化规律、支护体受力变化规律及围岩节理裂隙、破裂区的扩展演化规律等内容，工作②采用取芯钻对试验巷道完整岩样进行取芯；步骤2)对步骤1)所取岩样进行实验室加卸载试验：将岩样加载至至峰后应变软化段设计目标点后卸载，获取不同损伤程度的初始损伤岩样，测定初始损伤岩样的力学参数，拟合得到初始损伤岩样力学参数与损伤变量的函数关系，建立深部巷道围岩强度衰减模型；步骤3)采用FISH编程语言对FLAC3D软件进行二次开发：将步骤2)获得的围岩强度衰减模型嵌入软件内置应变软化本构关系中；建立深部巷道开挖数值计算模型，以步骤1)现场实测获得的真实矿压显现规律作为已知特征值，反演得到岩体的数值计算模型参数；步骤4)建立深部巷道钻孔卸压数值计算模型：采用步骤3)获得的岩体参数对模型赋参，通过改变卸压钻孔开挖方位、开挖时间、开挖尺寸及开挖密度等工程施工参数，分析各工况下深部巷道围岩应力演化规律及变形破坏特征，选择合理的指标评价巷道的卸压程度，提出巷道钻孔卸压参数的确定方法；步骤5)采用步骤4)确定的钻孔参数：对试验巷道进行工程应用，验证钻孔卸压参数确定方法的合理性。所述的步骤1)主要监测设备及监测内容如下：a)采取布置巷道表面位移测站和多基点位移计的方法，监测试验巷道不同深度处围岩位移变化规律；b)采用安设钻孔测力计的方法，监测试验巷道开挖后围岩应力演化规律；c)采用安设压力测试装置的方法，监测试验巷道支护体受力变化规律；d)采用电磁辐射、地质雷达、钻孔窥视仪等现场测试仪器监测顶板和两帮节理、裂隙、破裂区的扩展演化规律。所述的步骤2)通过实验室加卸载试验获取损伤变量与损伤岩样力学参数函数关系的方法，具体如下：步骤a)在工程现场调研阶段，对试验巷道完整岩样进行取芯，在实验室内先进行单轴、三轴压缩试验，测定岩样的峰值强度σ1、轴向应变ε1及环向应变ε3，拟合得到σ1与围压σ3的函数关系，根据Mohr-Coulomb强度准则：σ1＝Aσ3+B，式中A和B均为强度准则参数，计算式分别为：和计算得到岩样的内聚力c和内摩擦角步骤b)以步骤a)获得的相应围压下(巷道真实应力环境)岩样峰值强度σ1的70％-80％作为卸围压点，将完整岩样加载至该点时卸除围压σ3，继续加载σ1，设计9个目标卸载点，分别由σ1的90％逐级递减至10％，加载至目标卸载点后进行卸载，测定卸载点岩样的轴向应变ε1和环向应变ε3，获取不同损伤程度的初始损伤岩样；步骤c)采用单块法测定初始损伤岩样的力学参数，围压σ3等级为5MPa，逐级递增至巷道实际受力状态，测定初始损伤岩样不同σ3等级下的峰值强度σ1，拟合得到σ1与σ3的函数关系，以步骤a)中Mohr-Coulomb强度准则表达式，计算得到初始损伤岩样的内聚力c和内摩擦角步骤d)选取塑性剪切应变γp作为损伤变量，由下式γp＝|ε1-ε3|计算得到初始损伤岩样的塑性剪切应变，结合步骤a)和步骤c)试验结果，拟合得到γp和c、间的函数关系，建立深部巷道围岩强度衰减模型。所述的步骤3)反演岩体数值计算模型参数的方法，具体如下：e)步骤d)将围岩强度衰减模型中γp与FLAC3D应变软化本构模型的参数εps按式进行替换推导，式中ψ为岩样剪胀角，得到εps、c和表示的深部巷道围岩强度衰减模型；步骤f)采用FLAC3D内置FISH编程语言将步骤e)替换推导得到的围度衰减模型编写成运算代码，嵌入软件内置应变软化模型中，数值模拟过程直接调用二次开发后的应变软化模型；步骤g)建立单位尺寸(1m×1m×1m)的FLAC3D运算模型，按模型按步骤a)获得的岩样参数赋参，模型下边界设置位移约束，水平方向施加载荷模拟围压，围压等级与室内试验时相同，输出模型的全应力-应变曲线，与室内试验结果对比，校验围步骤d)岩强度衰减模型的合理性，校验无误后继续步骤h：；步骤h)建立深部巷道开挖数值计算模型，模型侧边界及底边界位移固定，按试验巷道真实应力环境施加应力边界条件，按照按照步骤a)获得的岩样参数进行初始赋参，开挖相同断面尺寸的巷道，运算平衡后输出巷道围岩塑性区及位移数据，与现场实测数据进行比较，若不吻合，采用迭代法逐步修正初始赋参，直至二者基本吻合为止，此时输出的围岩力学参数即为校验获取的岩体数值计算模型参数。所述的步骤4)提出深部巷道钻孔卸压参数的确定方法，具体如下：采用分类法建立2种不同的深部巷道钻孔卸压数值计算模型：I相同直径不同方位和II相同方位不同直径，模型I用以确定卸压钻孔方位，模型II用以确定开挖时间、开挖尺寸及开挖密度，模型侧边界及底边界位移固定，巷道开挖尺寸与现场一致，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深部高应力巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，其特征在于包括以下步骤：1)在工程现场调研阶段，对试验巷道主要进行①围岩矿压数据实时监测和②岩样取芯两项工作；工作①分别采取布置巷道表面位移测站，安设多基点位移计、钻孔测力计、压力测试装置等矿压设备，监测巷道不同深度处围岩位移变化规律、应力演化规律及支护体受力变化规律等内容，采用电磁辐射、地质雷达、钻孔窥视仪等现场测试仪器监测顶板和两帮节理、裂隙、破裂区的扩展演化规律，为数值模拟岩体参数的校验提供现场数据；工作②采用取芯钻对巷道完整岩样进行取芯，为实验室加卸载试验提供测试岩样；2)对步骤1)获得的取芯岩样进行实验室加卸载试验，主要包括①将岩样加载至峰后应变软化段各目标点后卸载，获取不同损伤程度的初始损伤岩样，并测定初始损伤岩样的力学参数；②选取合理的损伤变量评价岩样的损伤程度，拟合得到初始损伤岩样力学参数与损伤变量的函数关系，建立深部巷道围岩强度衰减模型；3)采用FISH编程语言对FLAC3D软件进行二次开发，将步骤2)获得的围岩强度衰减模型嵌入FLAC3D软件内置应变软化本构关系中；建立深部巷道开挖数值计算模型，以步骤1)现场实测获得的真实矿压显现规律作为已知特征值，反演得到岩体的数值计算模型参数；4)建立深部巷道钻孔卸压数值计算模型，采用步骤3)获得的岩体参数对模型进行赋参，通过改变卸压钻孔开挖方位、开挖时间、开挖尺寸及开挖密度等工程因素的施工参数，分析各工况下深部巷道围岩应力演化规律及变形破坏特征，选择合理的指标评价巷道的卸压程度，得到卸压参数对深部巷道围岩稳定性的影响规律，从而提出巷道钻孔卸压参数的确定方法。...

【技术特征摘要】
1.一种深部高应力巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，其特征在于包括
以下步骤：
1)在工程现场调研阶段，对试验巷道主要进行①围岩矿压数据实时监测和
②岩样取芯两项工作；工作①分别采取布置巷道表面位移测站，安设多基点位
移计、钻孔测力计、压力测试装置等矿压设备，监测巷道不同深度处围岩位移
变化规律、应力演化规律及支护体受力变化规律等内容，采用电磁辐射、地质
雷达、钻孔窥视仪等现场测试仪器监测顶板和两帮节理、裂隙、破裂区的扩展
演化规律，为数值模拟岩体参数的校验提供现场数据；工作②采用取芯钻对巷
道完整岩样进行取芯，为实验室加卸载试验提供测试岩样；
2)对步骤1)获得的取芯岩样进行实验室加卸载试验，主要包括①将岩样
加载至峰后应变软化段各目标点后卸载，获取不同损伤程度的初始损伤岩样，
并测定初始损伤岩样的力学参数；②选取合理的损伤变量评价岩样的损伤程度，
拟合得到初始损伤岩样力学参数与损伤变量的函数关系，建立深部巷道围岩强
度衰减模型；
3)采用FISH编程语言对FLAC3D软件进行二次开发，将步骤2)获得的围
岩强度衰减模型嵌入FLAC3D软件内置应变软化本构关系中；建立深部巷道开挖
数值计算模型，以步骤1)现场实测获得的真实矿压显现规律作为已知特征值，
反演得到岩体的数值计算模型参数；
4)建立深部巷道钻孔卸压数值计算模型，采用步骤3)获得的岩体参数对
模型进行赋参，通过改变卸压钻孔开挖方位、开挖时间、开挖尺寸及开挖密度
等工程因素的施工参数，分析各工况下深部巷道围岩应力演化规律及变形破坏

\t特征，选择合理的指标评价巷道的卸压程度，得到卸压参数对深部巷道围岩稳
定性的影响规律，从而提出巷道钻孔卸压参数的确定方法。
2.如权利要求1所述的深部巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，其特
征在于：步骤2)所述的采用实验室加卸载试验获取初始损伤岩样力学参数与损
伤变量的函数关系，建立深部巷道围岩强度衰减模型具体如下：
a)对试验巷道完整岩样进行取芯，对完整岩样进行单轴压缩试验和常规三
轴压缩试验，测定完整岩样的峰值强度σ1、轴向应变ε1及环向应变ε3，拟合得到
σ1与围压σ3的函数关系，根据Mohr-Coulomb强度准则：σ1＝Aσ3+B，式中A和B均
为强度准则参数，计算式分别为：和计算得到岩样的内聚力c
和内摩擦角b)根据试验巷道应力环境计算围岩受力状态，确定室内试验初始应力加载
环境，以步骤a)获得的相应围压下岩样峰值强度σ1的70％-80％作为卸围压点，
将岩样加载至该点时卸除围压σ3，模拟巷道开挖对围岩应力环境的扰动，继续
加载σ1，设计9个目标卸载点，分别由σ1的90％逐级递减至10％，岩样加载至目
标卸载点后卸载，测定卸载点岩样的轴向应变ε1和环向应变ε3，获取不同损伤程
度的初始损伤岩样；
c)采用单块法测定初始损伤岩样的力学参数，围压σ3等级为5MPa，逐级
递增至巷道实际受力状态，测定损伤岩样不同σ3等级下的峰值强度σ1，拟合得到
σ1与σ3的函数关系，以步骤a)中Mohr-Coulomb强度准则表达式，计算得到初
始损伤岩样的内聚力c和内摩擦角d)选取塑性剪切应变γp作为损伤变量，由下式γp＝|ε1-ε3|计算得到初始损
样的塑性剪切应变，结合步骤a)和步骤c)试验结果，拟合得到γp和c、
\t函数关系，建立深部巷道围岩强度衰减模型。
3.如权利要求1所述的深部巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，其特征在
于：步骤3)所述的将围岩强度衰减模型嵌入FLAC3D软件，反演岩体数值计算
模型参数所采用的具体方法是：
e)将步骤d)获得的围岩强度衰减模型中γp与FLAC3D应变软化本构模型的参数
εps按式进行替换推导，式中ψ为岩样剪胀角，
得到以εps、c和表示的深部巷道围岩强度衰减模型；
f)采用FLAC3D内置FISH编程语言将步骤e)替换推导得到的围岩强度衰减模
型编写成运算代码，嵌入软件内置应变软化模型中，数值模拟过程直接调用二
次开发后的应变软化模型；
g)建立单位尺寸(1m×1m×1m)的FLAC3D运算模型，模型按步骤a)获得的岩
样参数赋参，模型下边界设置位移约束，水平方向施加载荷模拟围压，围压等
级与步骤a)相同，输出模型的全应力-应变曲线，与室内试验结果对比，校验
步骤d)得到的围岩强度衰减模型的合理性，校验无误后继续步骤h)；
h)建立深部巷道开挖数值计算模型，模型侧边界及底边界位移固定，按试验巷
道真实应力环境施加应力边界条件，按照步骤a)获得的岩样参数进行初始赋参，
开挖相同断面尺寸的巷道，运算平衡后输出巷道围岩塑性区及位移数据，与步
骤1)现场实测数据进行比较，若不吻合，采用迭代法逐步修正初始赋参，直至
二者基本吻合为止，此时输出的围岩力学参数即为校验获取的岩体数值计算模
型参数。
4.如权利要求1所述的深部巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，其特征在
于：步骤4)所述的选择合理的指标评价巷道卸压程度的具体方法是，以开挖卸

\t压钻孔后巷道周边高应力的转移效果和围岩变形控制效果作为评价卸压...

【专利技术属性】
技术研发人员：王猛，肖同强，褚廷湘，许磊，刘俊领，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41