适用于采空区上方修建隧道的双尺度耦合数值模拟方法技术

本申请涉及数据模拟处理技术领域，特别涉及一种适用于采空区上方修建隧道的双尺度耦合数值模拟方法，包括：基于预设的大尺度地质模型，构建第一初始应力场，并模拟工作面开挖过程以及工作面长期变形过程，得到研究区域内的变形位移场；基于预设的仅包含隧道及其围岩的小尺度模型，固定边界位移，构建第二初始应力场，并模拟隧道开挖过程，且根据变形位移场计算小尺度模型中各个节点坐标在不同时间节点的位移；根据各个节点坐标在不同时间节点的位移计算不同时间段内各个节点的位移速率，并以不同时间段内各个节点的位移速率为边界条件，耦合计算得到变形作用下隧道及围岩的变形情况。由此，在保证计算准确程度的基础上，大幅度减少计算时间。度减少计算时间。度减少计算时间。

【技术实现步骤摘要】
适用于采空区上方修建隧道的双尺度耦合数值模拟方法


[0001]本申请涉及数据模拟处理
，特别涉及一种适用于采空区上方修建隧道的双尺度耦合数值模拟方法。

技术介绍

[0002]煤矿采动之后，对上覆岩层会造成剧烈的扰动与破坏，从下至上根据岩层的破坏形式可分成冒落带、裂隙带、弯曲带。在工作面开采完成后，由于冒落带破碎岩体压实、工作面边界空腔闭合、离层闭合，会在工作面上覆岩层中产生长期变形。研究表明，长期变形在工作面停采20年依旧不会停止，对影响范围内的公路、隧道、建筑物产生影响，研究不同建筑及构筑物对采空区残余变形的响应特征，对于指导采空区长期变形影响范围内的工程建设具有重要意义。
[0003]目前针对工作面长期变形普遍采用概率积分法，概率积分法可以计算得到采空区采动后，上覆围岩的长期变形位移场，但在此基础上人工计算隧道围岩及支护结构对长期变形的响应特征工作量大，存在诸多困难。使用计算机，通过数值模拟的方法研究隧道围岩及支护结构对长期变形的响应特征显然更加具有可行性。
[0004]在传统的数值模拟方法中，工作面长期变形的影响范围较大，这决定了计算模型将具有较大的尺寸；同时，隧道的支护结构尺寸会小于0.2m，为了在模型中展现出各个支护结构，需要将网格剖分的足够小，这就会导致整个计算模型中网格数量过于庞大，数值模拟的计算速度与网格数量呈反相关，因此计算效率将过于低下。
[0005]申请内容
[0006]本申请提供一种适用于采空区上方修建隧道的双尺度耦合数值模拟方法，以解决在大尺度地质模型中模拟小尺度隧道结构，导致网格数量过多，计算效率过低的问题，在保证计算准确程度的基础上，大幅度减少计算时间。
[0007]本申请第一方面实施例提供一种适用于采空区上方修建隧道的双尺度耦合数值模拟方法，包括以下步骤：
[0008]基于预设的大尺度地质模型，构建第一初始应力场，并模拟工作面开挖过程以及工作面长期变形过程，得到研究区域内的变形位移场；
[0009]基于预设的仅包含隧道及其围岩的小尺度模型，固定边界位移，构建第二初始应力场，并模拟隧道开挖过程，且根据所述变形位移场计算所述小尺度模型中各个节点坐标在不同时间节点的位移；以及
[0010]根据所述各个节点坐标在不同时间节点的位移计算不同时间段内各个节点的位移速率，并以所述不同时间段内各个节点的位移速率为边界条件，耦合计算得到变形作用下隧道及围岩的变形情况。
[0011]可选地，在确定所述边界条件之前，还包括：
[0012]以所述研究区域为边界，根据钻探资料建立所述大尺度地质模型，其中，在所述大尺度地质模型中，对隧道所在地层进行网格加密。
[0013]可选地，在所述小尺度模型中，利用预设的小网格以及结构单元剖分出所述隧道各个支护结构。
[0014]可选地，所述模拟工作面开挖过程以及工作面长期变形过程，得到研究区域内的变形位移场，包括：
[0015]采用预设方式模拟工作面的开挖过程，根据相关长期变形规律，计算工作面开挖后产生的长期变形；
[0016]根据所述长期变形得到所述大尺度地质模型中每一个节点的位移随时间的函数，并由所有节点的位移构成所述研究区域内的长期变形位移场。
[0017]可选地，所述根据所述各个节点坐标在不同时间节点的位移计算不同时间段内各个节点的位移速率，包括：
[0018]由所述研究区域内大尺度模型各个节点在停采后每一年的位移量，导出所述小尺度模型中各个节点的位置；
[0019]根据所述小尺度模型中各个节点的位置作为待插值点的坐标，使用克里金插值计算得到所述小尺度计算模型中各个节点在停采后每一年的位移量，得到所述小尺度计算模型中各个节点在停采后每一年的位移速率。
[0020]本申请第二方面实施例提供一种适用于采空区上方修建隧道的双尺度耦合数值模拟装置，包括：
[0021]获取模块，用于基于预设的大尺度地质模型，构建第一初始应力场，并模拟工作面开挖过程以及工作面长期变形过程，得到研究区域内的变形位移场；
[0022]模拟模块，用于基于预设的仅包含隧道及其围岩的小尺度模型，固定边界位移，构建第二初始应力场，并模拟隧道开挖过程，且根据所述变形位移场计算所述小尺度模型中各个节点坐标在不同时间节点的位移；以及
[0023]耦合计算模块，用于根据所述各个节点坐标在不同时间节点的位移计算不同时间段内各个节点的位移速率，并以所述不同时间段内各个节点的位移速率为边界条件，耦合计算得到变形作用下隧道及围岩的变形情况。
[0024]可选地，在确定所述边界条件之前，所述耦合计算模块，还用于：
[0025]以所述研究区域为边界，根据钻探资料建立所述大尺度地质模型，其中，在所述大尺度地质模型中，对隧道所在地层进行网格加密。
[0026]可选地，在所述小尺度模型中，利用预设的小网格以及结构单元剖分出所述隧道各个支护结构。
[0027]可选地，所述获取模块，具体用于：
[0028]采用预设方式模拟工作面的开挖过程，根据相关长期变形规律，计算工作面开挖后产生的长期变形；
[0029]根据所述长期变形得到所述大尺度地质模型中每一个节点的位移随时间的函数，并由所有节点的位移构成所述研究区域内的长期变形位移场。
[0030]可选地，所述耦合计算模块，具体用于：
[0031]由所述研究区域内大尺度模型各个节点在停采后每一年的位移量，导出所述小尺度模型中各个节点的位置；
[0032]根据所述小尺度模型中各个节点的位置作为待插值点的坐标，使用克里金插值计
算得到所述小尺度计算模型中各个节点在停采后每一年的位移量，得到所述小尺度计算模型中各个节点在停采后每一年的位移速率。
[0033]本申请第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的适用于采空区上方修建隧道的双尺度耦合数值模拟方法。
[0034]本申请第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上述实施例所述的适用于采空区上方修建隧道的双尺度耦合数值模拟方法。
[0035]由此，可以基于预设的大尺度地质模型，构建第一初始应力场，并模拟工作面开挖过程以及工作面长期变形过程，得到研究区域内的变形位移场，并基于预设的仅包含隧道及其围岩的小尺度模型，固定边界位移，构建第二初始应力场，并模拟隧道开挖过程，且根据变形位移场计算小尺度模型中各个节点坐标在不同时间节点的位移，并根据各个节点坐标在不同时间节点的位移计算不同时间段内各个节点的位移速率，并以不同时间段内各个节点的位移速率为边界条件，耦合计算得到变形作用下隧道及围岩的变形情况。由此，解决在大尺度地质模型中模拟小尺度隧道结构，导致网格数量过多，计算效率过低的问题，在保证计算准确程度的基础上，大幅度减少计算时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于采空区上方修建隧道的双尺度耦合数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：基于预设的大尺度地质模型，构建第一初始应力场，并模拟工作面开挖过程以及工作面长期变形过程，得到研究区域内的变形位移场；基于预设的仅包含隧道及其围岩的小尺度模型，固定边界位移，构建第二初始应力场，并模拟隧道开挖过程，且根据所述变形位移场计算所述小尺度模型中各个节点坐标在不同时间节点的位移；以及根据所述各个节点坐标在不同时间节点的位移计算不同时间段内各个节点的位移速率，并以所述不同时间段内各个节点的位移速率为边界条件，耦合计算得到变形作用下隧道及围岩的变形情况。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定所述边界条件之前，还包括：以所述研究区域为边界，根据钻探资料建立所述大尺度地质模型，其中，在所述大尺度地质模型中，对隧道所在地层进行网格加密。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述小尺度模型中，利用预设的小网格以及结构单元剖分出所述隧道各个支护结构。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模拟工作面开挖过程以及工作面长期变形过程，得到研究区域内的变形位移场，包括：采用预设方式模拟工作面的开挖过程，根据相关长期变形规律，计算工作面开挖后产生的长期变形；根据所述长期变形得到所述大尺度地质模型中每一个节点的位移随时间的函数，并由所有节点的位移构成所述研究区域内的长期变形位移场。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述各个节点坐标在不同时间节点的位移计算不同时间段内各个节点的位移速率，包括：由所述研究区域内大尺度模型各个节点在停采后每一年的位移量，导出所述小尺度模型中各个节点的位置；根据所述小尺度模型中各个节点的位置作为待插值点的坐标，使用...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦严，徐能雄，乐章，韩文斌，王海，
申请(专利权)人：山西省交通规划勘察设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：