一种模拟巷道围岩蠕变失稳的离散元方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种模拟巷道围岩蠕变失稳的离散元方法及系统。所述方法包括：根据应力

【技术实现步骤摘要】
一种模拟巷道围岩蠕变失稳的离散元方法及系统


[0001]本专利技术涉及围岩支护
，特别是涉及一种模拟巷道围岩蠕变失稳的离散元方法及系统。

技术介绍

[0002]隧道岩体破坏的外在表现形式常表现为开挖面岩体的开裂、剥落、屈曲、滑移及岩爆等，其内在原因则是岩体内部原生裂纹或次生裂纹在应力作用下的萌生、扩展、贯通过程，从而在岩体一定范围内形成开挖损伤区或开挖扰动区。可见，准确描述和预测在围岩开挖扰动作用下围岩的损伤情况，对于确保地下工程进行时围岩的安全与稳定有着重要意义。
[0003]目前，对岩体开挖引起的损伤和破坏的预测与描述常采用有限差分和离散元数值模拟方法，利用Mohr
‑
Coulomb强度准则进行预测与计算围岩的损伤区范围。现有技术存在利用有限差分法建立分析模型，模拟洞室开挖诱导的能量释放过程和计算能量释放系数的大小，确定开挖过程中围岩损伤与围岩能量释放之间的关系，从而预测出围岩损伤范围。这种基于能量释放系数的围岩损伤预测方法适用于研究巷道围岩的宏观破坏，但不能揭示岩体裂隙拓展对巷道围岩破坏的本质。现有技术还存在利用UDEC离散元数值模拟软件从裂隙拓展的角度揭示了巷道围岩破坏的本质，但是，在UDEC离散元软件中有Viscous模型、Burgers模型和Cvisc模型等8种蠕变模型用于岩石的蠕变特性分析，但以上蠕变模型均未考虑岩石的变形和应力随着时间因素的影响，无法实现岩石加速蠕变阶段和蠕变过程中的微裂隙扩展，使得模拟巷道围岩蠕变失稳的研究结果不准确。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种模拟巷道围岩蠕变失稳的离散元方法及系统，可以增加模拟巷道围岩蠕变失稳研究结果的准确度。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种模拟巷道围岩蠕变失稳的离散元方法，包括：
[0007]获取待模拟巷道围岩的赋存状况、待模拟巷道设定范围内岩层的物理力学参数和待模拟巷道围岩的变形量随时间变化的曲线；所述赋存状况包括：巷道尺寸、埋深、巷道周围采掘情况和设定范围内的岩体参数；所述岩体参数包括：岩体倾角、岩体厚度、岩体岩性和岩体的层理结构；所述物理力学参数包括：单轴压力试验应力
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应变曲线、巴西劈裂实验应力
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应变曲线和岩石蠕变曲线；
[0008]利用UDEC离散元模拟软件建立压缩劈裂模型并根据所述单轴压力试验应力
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应变曲线和所述巴西劈裂实验应力
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应变曲线对所述压缩劈裂模型的接触参数和块体参数进行反演得到合理接触面参数值和合理块体参数值；所述压缩劈裂模型包括单轴压缩数值模型和巴西劈裂数值模型；
[0009]根据所述合理块体参数值和所述合理接触面参数值利用UDEC离散元模拟软件建
立块体单元为Cvisc蠕变模型的第一单轴蠕变数值模型并根据所述岩石蠕变曲线对所述第一单轴蠕变数值模型的块体蠕变参数进行反演得到合理块体蠕变参数值；
[0010]根据所述合理接触面参数值和所述合理块体蠕变参数值利用UDEC离散元模拟软件构建块体单元为改进Cvisc蠕变模型的第二单轴蠕变数值模型并根据所述岩石蠕变曲线对所述第二单轴蠕变数值模型的块体蠕变参数退化方程进行反演得到合理块体蠕变参数退化方程；所述第二单轴蠕变数值模型的块体单元为改进Cvisc蠕变模型；所述改进Cvisc蠕变模型为退化方程为块体蠕变参数退化方程的Cvisc蠕变模型；
[0011]根据所述待模拟巷道围岩的变形量随时间变化的曲线、所述赋存状况和所述合理块体蠕变参数退化方程构建巷道离散元数值仿真模型并采用离散法对所述巷道离散元数值仿真模型进行网格划分得到经离散网格化处理的巷道离散元数值仿真模型；
[0012]根据所述待模拟巷道围岩的赋存状况、所述待模拟巷道设定范围内岩层的物理力学参数和所述待模拟巷道围岩的变形量随时间变化的曲线对所述经离散网格化处理的巷道离散元数值仿真模型进行模拟开挖得到各网格的累计张拉裂隙长度和累计剪切裂隙长度；所述累计张拉裂隙长度为所述网格内所有的张拉裂隙长度和；所述累计剪切裂隙长度为所述网格内所有的剪切裂隙长度和；
[0013]根据各所述网格的累计张拉裂隙长度、累计剪切裂隙长度和各所述网格的临界蠕变损伤值确定所述待模拟巷道围岩蠕变失稳的范围。
[0014]一种模拟巷道围岩蠕变失稳的离散元系统，包括：
[0015]获取模块，用于获取待模拟巷道围岩的赋存状况、待模拟巷道设定范围内岩层的物理力学参数和待模拟巷道围岩的变形量随时间变化的曲线；所述赋存状况包括：巷道尺寸、埋深、巷道周围采掘情况和设定范围内的岩体参数；所述岩体参数包括：岩体倾角、岩体厚度、岩体岩性和岩体的层理结构；所述物理力学参数包括：单轴压力试验应力
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应变曲线、巴西劈裂实验应力
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应变曲线和岩石蠕变曲线；
[0016]合理接触面参数值和合理块体参数值确定模块，用于利用UDEC离散元模拟软件建立压缩劈裂模型并根据所述单轴压力试验应力
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应变曲线和所述巴西劈裂实验应力
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应变曲线对所述压缩劈裂模型的接触参数和块体参数进行反演得到合理接触面参数值和合理块体参数值；所述压缩劈裂模型包括单轴压缩数值模型和巴西劈裂数值模型；
[0017]合理块体蠕变参数值确定模块，用于根据所述合理块体参数值和所述合理接触面参数值利用UDEC离散元模拟软件建立块体单元为Cvisc蠕变模型的第一单轴蠕变数值模型并根据所述岩石蠕变曲线对所述第一单轴蠕变数值模型的块体蠕变参数进行反演得到合理块体蠕变参数值；
[0018]合理块体蠕变参数退化方程确定模块，用于根据所述合理接触面参数值和所述合理块体蠕变参数值利用UDEC离散元模拟软件构建块体单元为改进Cvisc蠕变模型的第二单轴蠕变数值模型并根据所述岩石蠕变曲线对所述第二单轴蠕变数值模型的块体蠕变参数退化方程进行反演得到合理块体蠕变参数退化方程；所述第二单轴蠕变数值模型的块体单元为改进Cvisc蠕变模型；所述改进Cvisc蠕变模型为退化方程为块体蠕变参数退化方程的Cvisc蠕变模型；
[0019]巷道离散元数值仿真模型确定模块，用于根据所述待模拟巷道围岩的变形量随时间变化的曲线、所述赋存状况和所述合理块体蠕变参数退化方程构建巷道离散元数值仿真
模型并采用离散法对所述巷道离散元数值仿真模型进行网格划分得到经离散网格化处理的巷道离散元数值仿真模型；
[0020]裂隙长度确定模块，用于根据所述待模拟巷道围岩的赋存状况、所述待模拟巷道设定范围内岩层的物理力学参数和所述待模拟巷道围岩的变形量随时间变化的曲线对所述经离散网格化处理的巷道离散元数值仿真模型进行模拟开挖得到各网格的累计张拉裂隙长度和累计剪切裂隙长度；所述累计张拉裂隙长度为所述网格内所有张拉裂隙长度的和；所述累计剪切裂隙长度为所述网格内所有剪切裂隙长度的和；
[0021]失稳范围确定模块，用于根据各所述网格的累计张拉裂隙长本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟巷道围岩蠕变失稳的离散元方法，其特征在于，包括：获取待模拟巷道围岩的赋存状况、待模拟巷道设定范围内岩层的物理力学参数和待模拟巷道围岩的变形量随时间变化的曲线；所述赋存状况包括：巷道尺寸、埋深、巷道周围采掘情况和设定范围内的岩体参数；所述岩体参数包括：岩体倾角、岩体厚度、岩体岩性和岩体的层理结构；所述物理力学参数包括：单轴压力试验应力
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应变曲线、巴西劈裂实验应力
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应变曲线和岩石蠕变曲线；利用UDEC离散元模拟软件建立压缩劈裂模型并根据所述单轴压力试验应力
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应变曲线和所述巴西劈裂实验应力
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应变曲线对所述压缩劈裂模型的接触参数和块体参数进行反演得到合理接触面参数值和合理块体参数值；所述压缩劈裂模型包括单轴压缩数值模型和巴西劈裂数值模型；根据所述合理块体参数值和所述合理接触面参数值利用UDEC离散元模拟软件建立块体单元为Cvisc蠕变模型的第一单轴蠕变数值模型并根据所述岩石蠕变曲线对所述第一单轴蠕变数值模型的块体蠕变参数进行反演得到合理块体蠕变参数值；根据所述合理接触面参数值和所述合理块体蠕变参数值利用UDEC离散元模拟软件构建块体单元为改进Cvisc蠕变模型的第二单轴蠕变数值模型并根据所述岩石蠕变曲线对所述第二单轴蠕变数值模型的块体蠕变参数退化方程进行反演得到合理块体蠕变参数退化方程；所述第二单轴蠕变数值模型的块体单元为改进Cvisc蠕变模型；所述改进Cvisc蠕变模型为退化方程为块体蠕变参数退化方程的Cvisc蠕变模型；根据所述待模拟巷道围岩的变形量随时间变化的曲线、所述赋存状况和所述合理块体蠕变参数退化方程构建巷道离散元数值仿真模型并采用离散法对所述巷道离散元数值仿真模型进行网格划分得到经离散网格化处理的巷道离散元数值仿真模型；根据所述待模拟巷道围岩的赋存状况、所述待模拟巷道设定范围内岩层的物理力学参数和所述待模拟巷道围岩的变形量随时间变化的曲线对所述经离散网格化处理的巷道离散元数值仿真模型进行模拟开挖得到各网格的累计张拉裂隙长度和累计剪切裂隙长度；所述累计张拉裂隙长度为所述网格内所有的张拉裂隙长度和；所述累计剪切裂隙长度为所述网格内所有的剪切裂隙长度和；根据各所述网格的累计张拉裂隙长度、累计剪切裂隙长度和各所述网格的临界蠕变损伤值确定所述待模拟巷道围岩蠕变失稳的范围；根据各所述网格的岩石蠕变损伤和临界蠕变损伤值确定所述待模拟巷道围岩蠕变失稳的范围。2.根据权利要求1所述的一种模拟巷道围岩蠕变失稳的离散元方法，其特征在于，所述利用UDEC离散元模拟软件建立压缩劈裂模型并根据所述单轴压力试验应力
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应变曲线和所述巴西劈裂实验应力
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应变曲线对所述压缩劈裂模型的接触参数和块体参数进行反演得到合理接触面参数值和合理块体参数值，具体包括：利用UDEC离散元模拟软件构建单轴压缩数值模型和巴西劈裂数值模型；使用迭代试错法根据所述单轴压力试验应力
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应变曲线对所述单轴压缩数值模型的块体参数和接触面参数进行反演以使所述单轴压缩数值模型与所述单轴压力试验应力
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应变曲线相匹配，根据所述巴西劈裂实验应力
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应变曲线对所述巴西劈裂数值模型的块体参数和接触面参数进行反演以使所述巴西劈裂数值模型与所述巴西劈裂实验应力
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应变曲线相
匹配，得到合理接触面参数值和合理块体参数值。3.根据权利要求1所述的一种模拟巷道围岩蠕变失稳的离散元方法，其特征在于，所述根据所述合理块体参数值和所述合理接触面参数值利用UDEC离散元模拟软件建立块体单元为Cvisc蠕变模型的第一单轴蠕变数值模型并根据所述岩石蠕变曲线对所述第一单轴蠕变数值模型的块体蠕变参数进行反演得到合理块体蠕变参数值，具体包括：利用UDEC离散元模拟软件建立块体单元为Cvisc蠕变模型、块体参数为所述合理块体参数值，接触面参数为所述合理接触面参数值的第一单轴蠕变数值模型；使用迭代试错法根据所述岩石蠕变曲线对所述第一单轴蠕变数值模型的块体蠕变参数进行反演以使所述第一单轴蠕变数值模型与所述岩石蠕变曲线相匹配得到合理块体蠕变参数值。4.根据权利要求1所述的一种模拟巷道围岩蠕变失稳的离散元方法，其特征在于，所述根据所述合理接触面参数值和所述合理块体蠕变参数值利用UDEC离散元模拟软件构建块体单元为改进Cvisc蠕变模型的第二单轴蠕变数值模型并根据所述岩石蠕变曲线对所述第二单轴蠕变数值模型的块体蠕变参数退化方程进行反演得到合理块体蠕变参数退化方程，具体包括：利用UDEC离散元模拟软件建立块体单元为改进Cvisc蠕变模型、接触面参数为所述合理接触面参数值，块体蠕变参数为所述合理块体蠕变参数值的第二单轴蠕变数值模型；使用迭代试错法根据所述岩石蠕变曲线对所述第二单轴蠕变数值模型的改进Cvisc蠕变模型中的块体蠕变参数退化方程中的蠕变常数进行反演以使所述第二单轴蠕变数值模型与所述岩石蠕变曲线相匹配得到合理块体蠕变参数退化方程。5.根据权利要求1所述的一种模拟巷道围岩蠕变失稳的离散元方法，其特征在于，所述根据所述待模拟巷道围岩的变形量随时间变化的曲线、所述赋存状况和所述合理块体蠕变参数退化方程构建巷道离散元数值仿真模型，具体包括：利用UDEC离散元模拟软件根据所述赋存状况构建接触面参数为所述合理接触面参数值、块体参数为所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国栋，刘洪林，杭银建，马述起，刘金虎，王宏志，张卫东，李剣峰，
申请(专利权)人：中国矿业大学徐州矿务集团有限公司西南交通大学，
类型：发明
国别省市：