矿震冲击波作用下巷道围岩长期稳定性数值模拟方法技术

本发明专利技术提供了一种矿震冲击波作用下巷道围岩长期稳定性数值模拟方法，通过建立巷道围岩几何模型，并将其网格化为岩石单元，根据实际测量的基本物理力学参数，赋予巷道围岩几何模型物理力学参数，并构建巷道围岩几何模型在矿震波冲击作用下的蠕变

【技术实现步骤摘要】
矿震冲击波作用下巷道围岩长期稳定性数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及煤炭开采工程技术和数值模拟
，特别涉及一种矿震冲击波作用下巷道围岩长期稳定性数值模拟方法。

技术介绍

[0002]冲击地压作为深部煤炭开采作业中常见的动力破坏现象，其发生往往伴随强矿震的产生。强矿震产生时，震动波形式的动载经过巷道上覆岩层，向巷道围岩空间传播变性能，到达巷道围岩时震动波会产生一定的能量衰减。在衰减后的震动波和井下采掘空间的静载应力耦合作用下，其中，静载应力主要为地压和支承压力组成，巷道围岩的材料性质不断劣化，耦合作用造成的时效损伤不断累积，巷道围岩最终达到变形临界值而发生失稳破坏。
[0003]矿震冲击波作用下巷道围岩长期稳定性分析包括两个方面：
①
震动波对巷道围岩的冲击作用，其作用时间短，时间在毫秒级；
②
巷道围岩在静载应力下的长期稳定性，作用时间长。其中，在冲击载荷和蠕变应力两个不同应变率的载荷下，巷道围岩的长期稳定性分析和数值模拟非常复杂，需要考虑岩石动力学过程、岩石静力学及流变学过程相互耦合作用引起巷道围岩发生失稳破裂的复杂力学效应。因此，建立巷道围岩长期稳定性分析和寿命评估方法，并应用于深部煤炭开采作业中，对深部煤炭资源的安全和高效开采意义重大。
[0004]目前，在深部煤炭地下开采过程围岩稳定性评估及数值模拟方法中，大多仅考虑了冲击载荷对巷道围岩稳定性的影响。但深部煤炭开采作业中，巷道围岩长期处于“高静载应力”和“冲击载荷”的共同作用下，其非稳态、非线性变形、损伤和能量演化规律十分复杂。因此，仅考虑冲击载荷对巷道围岩稳定性的影响，难以满足巷道围岩稳定性数值模拟求解的实际需求。为了能够综合考虑冲击载荷和岩石蠕变对巷道围岩稳定性的影响，以及实现在冲击载荷和蠕变应力两个不同应变率下的巷道围岩损伤参数的表征，本专利技术提出了一种矿震冲击波作用下巷道围岩长期稳定性数值模拟方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种矿震冲击波作用下巷道围岩长期稳定性数值模拟方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0006]本专利技术提供的技术方案如下：
[0007]一种矿震冲击波作用下巷道围岩长期稳定性数值模拟方法，包括以下步骤：
[0008]S1，建立煤矿采掘区域的巷道围岩几何模型，网格化所述巷道围岩几何模型为若干个岩石单元；
[0009]S2，根据巷道围岩内发生的实际矿震事件参数，赋值所述岩石单元波动载荷；
[0010]S3，赋予所述巷道围岩几何模型边界条件，所述边界条件包括位移边界条件或载荷边界条件；
[0011]S4，赋予所述岩石单元静载应力；
[0012]S5，建立所述岩石单元在矿震波冲击作用下的蠕变
‑
冲击耦合模型方程组；
[0013]S6，赋予所述巷道围岩几何模型材料性质；
[0014]S7，判断所述岩石单元是否发生损伤破坏，所述损伤破坏包括拉伸损伤和/或剪切损伤；
[0015]S8，根据步骤S5中建立的所述蠕变
‑
冲击耦合模型方程组，通过下述步骤对所述蠕变
‑
冲击耦合模型方程组的长期稳定性进行模拟：
[0016]a.先对所述蠕变
‑
冲击耦合模型方程组进行稳态求解，使所述蠕变
‑
冲击耦合模型方程组达到应力平衡；
[0017]b.再对所述蠕变
‑
冲击耦合模型方程组进行瞬态求解，得出所述蠕变
‑
冲击耦合模型方程组的应力场及损伤场随时间的变化规律；
[0018]c.若达到蠕变求解时间，所述蠕变
‑
冲击耦合模型方程组的求解结束；若未达到蠕变求解时间，则进行应力传递和求解时间转化，求解冲击载荷作用下的所述岩石单元的应力场和损伤场，重复步骤a
‑
步骤b至所述蠕变
‑
冲击耦合模型方程组达到蠕变求解时间；
[0019]d.判定所述岩石单元是否发生损伤破坏,并计算所述岩石单元的损伤值大小；根据所述岩石单元损伤值的大小，折减所述岩石单元的拉伸损伤参数为极小值，所述岩石单元的剪切损伤保留残余强度；
[0020]e.重复步骤a
‑
步骤d并进行骤迭代计算，计算完成后，判断所述巷道围岩几何模型是否破坏或是否达到计算时间；若未达到计算时间则继续计算，直至计算到设定的时步数或者所述巷道围岩几何模型完全破坏。
[0021]进一步的，步骤S2中，所述矿震事件参数包括矿震能量、矿震频率和矿震位置。
[0022]进一步的，步骤S5中，所述蠕变
‑
冲击耦合模型方程组包括岩石单元的蠕变应变ε
c
、岩石单元的动态屈服强度σ
dyn
随应变率的变化规律。
[0023]进一步的，所述岩石单元的蠕变应变ε
c
方程为：式中，A为材料相关系数，m为应力指数，n为时间硬化指数，E为蠕变激活能，t为蠕变时间。
[0024]进一步的，所述岩石单元的动态屈服强度σ
dyn
随应变率的变化规律方程为：式中，C为材料常数，为应变率，σ
sta
为材料准静态屈服强度。
[0025]进一步的，步骤S7中，所述岩石单元发生拉伸损伤通过最大拉应力准则判断；所述岩石单元发生剪切损伤通过摩尔库伦准则判断。
[0026]进一步的，所述岩石单元发生拉伸损伤时，其应力状态函数f1满足：f1＝
‑
σ3‑
σ
t0
＝0；
[0027]所述岩石单元发生剪切损伤时，其应力状态函数f2满足：式中，σ1、σ3为第一、第三主应力，σ
t0
为单元单轴抗拉强度，为内摩擦角，σ
c0
为单元单轴抗压强度σ3。
[0028]进一步的，所述岩石单元发生损伤时，其损伤变量D按以下关系给出：
[0029][0030]式中，ε
t0
和ε
c0
分别为当岩石单元发生拉伸损伤和剪切损伤时对应的最大拉伸主应变和最大压缩主应变。
[0031]进一步的，所述模拟方法还包括以下步骤：建立所述岩石单元蠕变寿命预测方程，所述岩石单元的蠕变寿命预测方程为logW
c
＝logΒ'
‑
plogt,式中，W
c
为单位体积外载荷，即冲击和蠕变载荷，所作总的机械功；B'和p为在一定条件下材料的常数。
[0032]本专利技术的技术效果：
[0033]1、本专利技术描述的数值模拟方法，根据深部地下煤炭开采的工程实际情况，考虑地下煤炭开采过程中矿震冲击及蠕变的影响，建立蠕变
‑
冲击耦合作用下岩石时效失稳模型。通过在工程现场获得基本的物理力学参数，以及矿震导致的巷道围岩冲击载荷和地应力水平，进而模拟深部巷道围岩在蠕变
‑
冲击耦合作用下的应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种矿震冲击波作用下巷道围岩长期稳定性数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，建立煤矿采掘区域的巷道围岩几何模型，网格化所述巷道围岩几何模型为若干个岩石单元；S2，根据巷道围岩内发生的实际矿震事件参数，赋值所述岩石单元波动载荷；S3，赋予所述巷道围岩几何模型边界条件，所述边界条件包括位移边界条件或载荷边界条件；S4，赋予所述岩石单元静载应力；S5，建立所述岩石单元在矿震波冲击作用下的蠕变
‑
冲击耦合模型方程组；S6，赋予所述巷道围岩几何模型材料性质；S7，判断所述岩石单元是否发生损伤破坏，所述损伤破坏包括拉伸损伤和/或剪切损伤；S8，根据步骤S5中建立的所述蠕变
‑
冲击耦合模型方程组，通过下述步骤对所述蠕变
‑
冲击耦合模型方程组的长期稳定性进行模拟：a.先对所述蠕变
‑
冲击耦合模型方程组进行稳态求解，使所述蠕变
‑
冲击耦合模型方程组达到应力平衡；b.再对所述蠕变
‑
冲击耦合模型方程组进行瞬态求解，得出所述蠕变
‑
冲击耦合模型方程组的应力场及损伤场随时间的变化规律；c.若达到蠕变求解时间，所述蠕变
‑
冲击耦合模型方程组的求解结束；若未达到蠕变求解时间，则进行应力传递和求解时间转化，求解冲击载荷作用下的所述岩石单元的应力场和损伤场，重复步骤a
‑
步骤b至所述蠕变
‑
冲击耦合模型方程组达到蠕变求解时间；d.判定所述岩石单元是否发生损伤破坏,并计算所述岩石单元的损伤值大小；根据所述岩石单元损伤值的大小，折减所述岩石单元的拉伸损伤参数为极小值，所述岩石单元的剪切损伤保留残余强度；e.重复步骤a
‑
步骤d并进行骤迭代计算，计算完成后，判断所述巷道围岩几何模型是否破坏或是否达到计算时间；若未达到计算时间则继续计算，直至计算到设定的时步数或者所述巷道围岩几何模型完全破坏。2.根据权利要求1所述的一种矿震冲击波作用下巷道围岩长期稳定性数值模拟方法，其特征在于，步骤S2中，所述矿震事件参数包括矿震能量、矿震频率和矿震位置。3.根据权利要求1所述的一种矿震冲击波作用下巷道围岩长期稳定性数值模拟方法，其特征在于，步骤S5中，所述蠕变
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【专利技术属性】
技术研发人员：周广磊，孟祥军，陈连军，张广超，马俊鹏，王保齐，李志勇，周泽森，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：