基于Mohr-Coulomb准则的围岩破坏危险性数值模拟评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Mohr‑Coulomb准则的围岩破坏危险性数值模拟评价方法，包括如下步骤：(1)配置数值模型的额外变量——破坏危险指数D；(2)收集待评价的采掘空间的相关地质信息；(3)根据采集待评价信息建立数值模型，进行初始静力平衡计算；(4)根据模拟需要执行模型开挖并求解；(5)输出额外变量D，获得采掘空间各等级危险区域的分布结果。本发明专利技术数值模拟方法给出的指标物理意义明确，可操作性强，且能够量化破坏危险等级，可为煤岩灾害防控提供理论依据和指导。

Numerical simulation evaluation method of surrounding rock failure risk based on Mohr Coulomb criterion

【技术实现步骤摘要】
基于Mohr-Coulomb准则的围岩破坏危险性数值模拟评价方法
本专利技术涉及围岩破坏危险性评价
，具体涉及构建一种基于Mohr-Coulomb强度准则的围岩破坏危险性数值模拟评价方法，能够实现定量评价围岩破坏危险程度，从而确定采掘空间的危险区域及危险等级。
技术介绍
岩石强度理论是研究岩石在各种应力状况下的强度准则的理论，它表征岩石在极限应力状态下的应力状态和强度参数之间的关系。目前最重要的岩石强度准则当数Mohr-Coulomb强度准则，该准则是由C.A.Coulomb在1773年提出的，后来莫尔用新理论加以解释。此外，常用的岩石强度准则还包括Drucker-Prager准则、Hoek-Brown经验强度准则、Mogi-Coulomb强度准则等。虽然现有的关于岩石强度理论的研究很多，但是都只是给出岩石的破坏判定准则，鲜有针对岩石发生破坏的危险性进行研究。岩石破坏危险性是表征岩石受力特征的重要指标，对于研究围岩破坏理论以及采掘工作风险防控具有重要意义。此外，针对采矿等大尺寸、复杂工程问题的研究，数值模拟以其直观、高效、便于反演现场复杂地质条件和进行大量参数敏感性分析的特点与优势，在采掘空间破坏危险性分析中得到广泛应用。因此，有必要提出一种基于经典岩石强度准则的围岩破坏危险性数值模拟评价方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的针对现有岩石强度理论无法定量评价围岩破坏危险性的不足，构建一种基于Mohr-Coulomb强度准则的围岩破坏危险性数值模拟评价方法，给出的指标物理意义明确，可操作性强，且能够量化破坏危险等级。2、本专利技术所采用的技术方案由于破坏危险指数D并不是FLAC3D中单元体(zone)的内置变量，因此需要在建模之前配置(config)一个单元体的额外变量(zextra)。本专利技术提出了一种基于Mohr-Coulomb准则的围岩破坏危险性数值模拟评价方法，包括以下步骤：(1)配置数值模型的额外变量——破坏危险指数D；其中破坏危险指数D的计算公式为：式中，d1，d2分别表示σ3-σ1坐标系中某一点P(σ3,σ1)到直线L1和L2(σ1＝σ3)的距离；其中，σ1、σ3分别为最大和最小主应力；c为内聚力；φ为内摩擦角；(2)收集待评价的采掘空间的相关地质信息；(3)根据采集待评价信息建立数值模型，进行初始静力平衡计算；(4)根据模拟需要执行模型开挖并求解；(5)输出额外变量D，获得采掘空间各等级危险区域的分布结果。步骤(1)中，d1，d2分别表示σ3-σ1坐标系中某一点P(σ3,σ1)到直线L1和L2的距离，表达式如下：由于破坏危险指数D并不是FLAC3D中单元体(zone)的内置变量，因此需要在建模之前配置(config)一个单元体的额外变量(zextra)。步骤(2)中所述收集待评价的采掘空间的相关地质信息，包括：煤岩地质柱状分布、煤岩层的物理力学属性、采掘工作面埋深以及巷道尺寸；所述煤岩层的物理力学属性包括煤岩层厚度、弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角。步骤(3)中所述建立数值模型包括：生成网格单元，定义本构模型、材料性质、边界条件和初始条件。步骤(4)中所述的模型开挖包括：单一巷道开挖、单一工作面开挖以及多工作面开挖。步骤(5)中所述的输出额外变量D是指调用fish函数get_D并输出额外变量D。根据破坏危险指数D确定采掘空间破坏危险等级，具体为：若围岩单元满足破坏判断条件，则表示围岩单元体已破坏，需被挖去，并在破坏危险指数D云图中用突显表示；若围岩单元不满足破坏判断条件，则表示单元体尚未破坏，需根据破坏危险指数D确定采掘空间破坏危险等级，具体为：当0<D≤25％，围岩单元体对应无破坏危险性；当25％<D≤50％，围岩单元体对应弱破坏危险性；当50％<D≤75％，围岩单元体对应中等破坏危险性；当75％<D≤100％，围岩单元体对应强破坏危险性。本专利技术重点围岩破坏前的破坏危险等级，因此对于超过破坏强度极限的单元体，不管其残余强度为多少以及是否能够继续承载，都被认为属于已破坏区。3、本专利技术所采用的有益效果(1)本专利技术提供的一种基于Mohr-Coulomb准则的围岩破坏危险性数值模拟评价方法，重点关注围岩破坏前的破坏危险等级，因此对于超过破坏强度极限的单元体，不管其残余强度为多少以及是否能够继续承载，都被认为属于已破坏区，且需被挖去，并在破坏危险指数D云图中用洋红色表示。(2)本专利技术从应力状态的角度，将煤岩的破坏危险性用σ3-σ1坐标系中的几何对应关系定量表示，提出围岩破坏危险性评价指标——破坏危险指数D，将破坏危险划分为强、中等、弱和无四个等级，并据此利用FLAC3Dfish语言开发数值算法和得以数值实现。(3)本专利技术数值模拟方法给出的指标物理意义明确，可操作性强，且能够量化破坏危险等级，可为煤岩灾害防控提供理论依据和指导。附图说明图1为本专利技术方法的流程图；图2为本专利技术方法中破坏危险指数D的定义示意图；图3为本专利技术实施例中的基于运输大巷的数值计算模型图；图4为本专利技术实施例中的当λ＝1.5时运输大巷围岩破坏危险等级及已破坏区域分布图；图5(a)～(d)为本专利技术实施例中的不同侧压系数λ下运输大巷围岩破坏危险等级及已破坏区域分布图。具体实施方式下面结合本专利技术实例中的附图，对本专利技术实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。下面将结合附图对本专利技术实例作进一步地详细描述。本专利技术提出的一种基于Mohr-Coulomb准则的围岩破坏危险性数值模拟评价方法，包括以下步骤：(1)配置数值模型的额外变量——破坏危险指数D。基于Mohr-Coulomb准则，对于未破坏的煤岩体，在σ3-σ1坐标系中其主应力状态均处于直线L1和直线L2之间，如图2所示，满足：其中，σ1、σ3分别为最大和最小主应力；c为内聚力；φ为内摩擦角；直线L1表示直线L2表示σ1＝σ3。据此可以定义一个评价煤岩体破坏危险性的指标——破坏危险指数D，表达式如下：式中，d1，d2分别表示σ3-σ1坐标系中某一点P(σ3,σ1)到直线L1和L2的距离，表达式如下：由于破坏危险指数D并不是FLAC3D中单元体(zone)的内置变量，因此需要在建模之前配置(config)一个单元体的额外变量(zextra)。(2)收集待评价的采掘空间的相关地质信息。所述的相关地质信息包括岩层的岩性、煤岩体的物理力学属性、采掘工作面埋深、工作面长度、巷道尺寸、原岩应力场水平应力与垂直应力的比值；所述煤岩体的物理力学属本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Mohr-Coulomb准则的围岩破坏危险性数值模拟评价方法，其特征在于包括以下步骤：/n(1)配置数值模型的额外变量——破坏危险指数D：/n其中破坏危险指数D的计算公式为：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于Mohr-Coulomb准则的围岩破坏危险性数值模拟评价方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)配置数值模型的额外变量——破坏危险指数D：
其中破坏危险指数D的计算公式为：



式中，d1，d2分别表示σ3-σ1坐标系中某一点P(σ3,σ1)到直线和L2(σ1＝σ3)的距离；其中，σ1、σ3分别为最大和最小主应力；c为内聚力；φ为内摩擦角；
(2)收集待评价的采掘空间的相关地质信息；
(3)根据采集待评价信息建立数值模型，进行初始静力平衡计算；
(4)根据模拟需要执行模型开挖并求解；
(5)输出额外变量D，获得采掘空间各等级危险区域的分布结果。


2.根据权利要求1所述的基于Mohr-Coulomb准则的围岩破坏危险性数值模拟评价方法，其特征在于：所述步骤(1)中，d1，d2分别表示σ3-σ1坐标系中某一点P(σ3,σ1)到直线L1和L2的距离，表达式如下：



由于破坏危险指数D并不是FLAC3D中单元体(zone)的内置变量，因此需要在建模之前配置(config)一个单元体的额外变量(zextra)。


3.根据权利要求1所述的基于Mohr-Coulomb准则的围岩破坏危险性数值模拟评价方法，其特征在于：所述步骤(2)中，收集待评价的采掘空间的相关地质信息，包括：煤岩地质柱状分布、煤岩层的物理力学属性、采掘工作面埋深以及巷道尺寸；所述煤岩层的物理力学属性包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：王正义，窦林名，何江，李雄威，李鹏波，
申请(专利权)人：常州工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32