CN110390152A - 一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法，包括现场煤岩层取芯并记录RQD值，观测巷道变形并统计煤层裂隙分布特征；室内测试煤岩试样的力学参数，根据RQD值计算出岩体的强度；利用UDEC‑Trigon模块建立数值模型调整参数与岩体强度相匹配校正模型参数；建立工程尺度的数值模型调整参数与现场变形特征匹配，最终模拟巷道围岩裂隙演化。本发明为离散元数值模拟巷道变形提供准确的基础力学参数，可确保模拟结果真实可靠。

Description

一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法。

背景技术

煤柱的稳定性一直以来都是安全高效开采需要研究的重点。随着采深增加地质条件复杂，沿空掘巷出现大变形、采空区泄漏瓦斯等现象，巷道围岩控制效果差。煤柱宽度留设不合理，对煤柱和围岩破坏机理的认识不清，导致不能提出长久有效的控制措施，严重的影响煤炭资源安全高效开采。

数值模拟方法在解决工程问题方面具有明显的优势，主要包括有限元和离散元两种方法。离散元数值模型能够模拟岩体的破坏过程并且显式的模拟裂隙扩展演化规律，广泛应用于解决地下岩土工程问题。UDEC Trigon模型是在泰森多边形的基础上进一步改进的非连续模型，模型由块体和节理面两部分组成，在不同的应力环境下沿着块体之间的节理面发生破坏，能够明显的区别原生裂隙和新产生的裂隙，可以更加真实的模拟巷道围岩的裂隙演化过程。

现有的数值模拟方法和技术在模拟巷道变形时存在：模型中岩体力学参数的选取是直接将实验室测得的力学参数应用到数值模型中；而由于实验室采用的试样通常较小，试样是由原岩经过开采、切割后形成，该过程中，内部应力及结构发生变化，从而与真实的大尺度岩体相比，存在较大差异；现有的数值模拟方法和技术忽略了大尺度的工程岩体与小尺度岩块之间的差异性，最终得到的结果与现场实际有较大的偏差，缺乏可信度，并不能指导现场施工。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法，能够有效真实地还原现场，模拟结果更加真实可靠。

为实现上述目的，本发明采用的一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法，包括以下步骤：

S1，在试验巷道内，进行观测巷道变形特征、煤岩样取岩芯；记录巷道围岩变形特征，监测巷道顶板和两帮的裂隙分布特征，在顶板和煤层内取岩芯，记录顶板岩芯及煤层岩芯的RQD值；

S2，将取得的顶板岩芯及煤层岩芯分别制成标准的岩块试样进行力学实验：测试岩块试样的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量；根据岩体的弹性模量与岩块试样的弹性模量的比值与RQD之间的函数关系，以及岩体的单轴抗压强度和岩块试样单轴抗压强度之间的函数关系，确定岩体的单轴抗压强度和弹性模量；岩体的抗拉强度取岩体的抗压强度的0.1；

S3，应用UDEC中的Trigon模块建立的校正模型，模型中三角形块体的边长的平均值根据步骤S1中统计的裂隙分布特征来确定；以步骤S2中计算得到的岩体的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量为已知特征值，利用校正模型反演得到校正模型中的三角形块体参数和节理面参数；

S4，利用UDEC建立大尺寸的与现场工作面开采规模一致的数值模型，限定研究区域，在研究区域内利用Trigon模块划分成为三角形块体，三角形块体的边长的平均值以及与三角形块体参数与第三步中校正模型中相同；在研究区域以外的区域划分为长度逐渐增大的矩形块体；以步骤S1中观测得到巷道围岩变形特征和裂隙分布规律为已知状态，反演得到大模型中矩形块体的力学参数。

根据本发明的一些实施例，步骤S3中，反演校正模型中的三角形块体参数和节理面参数，包括三角形块体尺寸、弹性模量和节理面的法向刚度、切向刚度、内聚力、内摩擦角、抗拉强度，具体的反演方法是：

a)分别建立宽高为2m×4m的矩形和直径为2m的圆形校正模型，确保三角形块体的边长的平均值与现场统计的裂隙长度相一致；

b)设置模型中三角形块体的弹性模量与公式(II)计算得到的岩体的弹性模量相同；

c)三角形块体之间节理面的法向刚度K_n根据公式(IV)进行推导，切向刚度K_s与K_n的比值为0.2，泊松比μ根据K_s/K_n的变化确定；公式(IV)的具体表达式为：

式中，K和G分别为三角形块体的体积模量和剪切模量，GPa，根据K＝E/3(1-2μ)和G＝E/2(1+μ)来计算，其中μ是块体的泊松比；E是块体的弹性模量，GPa；ΔZ_min是相邻单元在垂直方向的最小宽度，m；n取10；

d)利用校正模型进行多次单轴压缩和巴西劈裂实验，得到全程应力应变曲线，采用迭代试错的方法使模拟得到的力学参数与步骤S2中计算得到的岩体的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量相匹配，最终反演出模型的节理面的内聚力、内摩擦角和抗拉强度。

根据本发明的一些实施例，步骤S1中，利用十字交叉布点法安装巷道表面位移测站，采用防爆相机记录巷道围岩变形特征，应用钻孔窥视仪监测巷道顶板和两帮的裂隙分布特征；采用钻孔描图的方法来量化钻孔表面裂隙长度的分布规律。

根据本发明的一些实施例，步骤S1中，RQD是岩石质量指标，具体表达式为：

式中，l为10cm以上(含10cm)的岩芯累计长度，m；L为钻孔总长度。

根据本发明的一些实施例，步骤S2中，岩体的弹性模量与岩块弹性模量比值与RQD之间的函数关系，具体表达式为：

E_m/E_r＝10^{0.0186RQD-1.91} (II)

式中，E_m为岩体的弹性模量，GPa；E_r为岩块试样的弹性模量，GPa。

根据本发明的一些实施例，步骤S2中，岩体的单轴抗压强度和岩块单轴抗压强度之间的函数关系，具体表达式为：

式中，σ_cm和σ_c分别为岩体和岩块试样的单轴抗压强度，MPa；m取值为0.63。

本发明的有益技术成果：考虑工程岩体与岩块试样的差异性，根据岩石质量指标RQD与岩体和岩块弹性模量比值之间的函数关系，以及岩体和岩块单轴抗压强度之间的函数关系，来计算岩体的力学参数，采用UDEC中的Trigon模块建立校正模型，反演得到岩体的数值计算模型参数，能够真实可靠的模拟现场巷道变形特征。因此，本发明提出的离散元模拟巷道变形的参数校正方法填补了目前数值模拟参数确定难的空白，能够真实还原现场情况，使模拟结果更加真实可靠，在一定程度上为安全高效开采提供保障，有更强的现场指导意义。

附图说明

图1煤层的钻孔柱状图；

图2a煤柱帮的裂隙分布特征；

图2b实煤体帮的裂隙分布特征；

图3a煤柱内裂隙长度的概率分布图；

图3b实煤体内裂隙长度的概率分布图；

图4a单轴压缩校正模型；

图4b巴西劈裂校正模型；

图5a校正模型的单轴压缩全程应力应变曲线；

图5b校正模型的巴西劈裂全程应力应变曲线；

图6现场工程尺度的数值模型；

图7数值模拟巷道变形与现场观测对比图；

图8模拟得到的7m煤柱内裂隙分布；

图9本发明一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。应当说明，以下实施例仅用于对本发明的说明，并不限定本发明。

实施例以阳煤集团寺家庄矿15106回风巷7m窄煤柱沿空掘巷为工程背景，该煤层平均埋深574m，平均厚度为5.5m，节理裂隙发育，15106回风巷全长1700m，巷道沿煤层顶板掘进，掘进断面为矩形宽×高：4.8m×4.0m，煤层的钻孔柱状图如图1所示。现采用本发明所述的方法对模拟沿巷道变形的数值模型进行参数校正。本实例的模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法，包括以下几个步骤：

1)在15106回风巷内对完整的顶底板进行取样，记录不同岩性的RQD值。采用中国矿业大学研制生产的YTJ20型钻孔窥视仪对窄煤柱侧和实煤体侧进行探测，在距离底板2m位置处施工水平探测孔，钻孔直径29mm，在煤柱侧打4m深的钻孔，在实煤体侧打20m深的钻孔，观测得到裂隙的分布特征分别如图2a和2b所示。由图2a和2b可知，煤柱侧，在观测的4m范围内都出现大量的环形贯通裂隙和竖向裂隙，靠近煤柱帮部的煤体已经发生破坏，成为破碎区，出现塌孔的现象。煤柱的另一侧为采空区，无法采用钻孔窥视仪进行观测，但是根据钻孔窥视结果推断，煤柱靠近采空区侧的破坏程度应该与巷道侧类似或者更加严重。因此，可以确定15106回风巷在巷道掘进后，煤柱内部裂隙发育，整个煤柱已经发生破坏。实煤体侧，在距离煤帮1m范围内煤层破碎较严重，1m-2m范围内存在少量的裂隙，深度超过2m后煤层未受采动影响，几乎保存完整，没有发现较大的裂隙。

采用钻孔描图的方法，对煤柱内和实煤体内的裂隙长度进行统计分析，结果分别如图3a和图3b所示。由图3a和图3b可知，煤柱内和实煤体内的裂隙长度满足对数正态分布规律。在实煤体内，裂隙长度范围是0.01～0.23m，平均值为0.07m，其中长度小于0.2m的裂隙占总数的99.7％，几乎没有大裂隙(长度大于0.2m)。在煤柱内，裂隙长度范围是0.03～0.59m，平均值为0.13m，其中长度小于0.2m的裂隙占总数的80％，大裂隙占到总数的20％。对比分析图3a和3b可知，在未受采动影响的实煤体内不存在大裂隙，而煤柱中20％的大裂隙并不是天然煤体中的原始裂隙，而是煤柱在形成过程中发生破坏而产生的，这些大裂隙并不能代表天然的原生裂隙。因此，煤层内的原生裂隙长度要小于0.2m，为建立校正模型提供基础数据。

2)利用步骤1)取得的岩芯制作成标准试样：直径50mm、高度100mm的圆柱体和直径为50mm、厚度为25mm的小圆柱体进行单轴压缩试验和巴西劈裂实验，主要测试岩样的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量。根据公式(II)和(III)来计算岩体的强度和弹性模量。岩体的抗拉强度取单轴抗压强度的0.1。测试结果如表1所示。

表1岩块和计算得到的岩体的力学参数

测试结果表明工程岩体与小尺度的岩块试样的力学参数有明显的差异，弹性模量和单轴抗压强度都有不同程度的降低，同时也表明将实验室小石块的力学参数直接带入数值模型中进行计算是不准确的，需要进一步的校正与工程岩体参数相匹配。

其中，岩体的弹性模量与岩块弹性模量比值与RQD之间的函数关系，具体表达式为：

E_m/E_r＝10^{0.0186RQD-1.91} (II)

式中，E_m为岩体的弹性模量，GPa；E_r为岩块试样的弹性模量，GPa。

岩体的单轴抗压强度和岩块单轴抗压强度之间的函数关系，具体表达式为：

式中，σ_cm和σ_c分别为岩体和岩块试样的单轴抗压强度，MPa；m取值为0.63。

3)应用UDEC中的Trigon模块建立小尺寸的校正模型，模型大小为宽2m高4m的矩形模型用于单轴压缩实验，校正模型如图4a所示，直径为2m的圆形模型用于巴西劈裂实验，校正模型如图4b所示。模型中的三角块边长的平均值取值0.2m，能够代表煤层未受扰动前的原生裂隙尺寸，有利于区别新产生的裂隙和原生裂隙。

对4种不同岩性的岩层分别建立模型进行校正。模型内的块体设置为弹性属性，可以发生变形但不会产生破坏。节理采用Mohr-Coulomb残余强度本构模型，岩体只能沿着节理面发生破坏，微观裂隙的产生、扩展、贯通逐渐形成宏观裂隙。

块体的密度与岩体的真实密度相同，通过实验室测得。块体的弹性模量与计算得到的岩体弹性模量相同。节理面的刚度根据模型块体单元的尺寸和Ks/Kn的比例来确定。采用迭代试错的方法来反演出模型节理面的内聚力、内摩擦角和抗拉强度。

利用校正模型进行一系列的单轴压缩和巴西劈裂实验，得到全程应力应变曲线，如图5a和5b所示。

模拟结果与计算得到的岩体力学参数(单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量)相匹配，最终反演出模型中使用的力学参数如表2。节理的残余强度准则认为破坏后的节理内聚力和内摩擦角都减小为0，只保留一定的残余内摩擦角。

表2校正后的UDEC-Trigon模型力学参数

力学参数的校正结果如表3所示。由表3可知，校正后的力学参数与目标值之间的误差都小于10％，也证明该参数校正方法的真实可靠性。

表3力学参数校正结果

4)根据15106工作面的地质条件，采用UDEC离散元软件建立与现场工作面开采规模一致的数值模型，模型长150m，高58m。为提高计算效率，在重点研究的区域利用Trigon模块划分成为三角块体，如图6所示。煤柱区域三角块长度为0.2m，巷道周边煤层区域三角块长度为0.4m，煤层直接顶和直接底区域三角块长度为0.5m。在研究区域以外的区域划分为块体长度不断增大的矩形块体，块体长度1.1m、2m和7m。这种块体尺寸划分方式能够有效地模拟煤柱的力学行为。

模型左右边界在水平方向固定，底部在垂直方向固定，顶部施加上覆岩层重量的等效压力，在模型内部施加原位测量的地应力场。模型参数按照表2中校正的参数进行赋值。开挖计划按照实际的开采顺序进行，先开挖15108工作面，模型计算平衡后再开挖15106回风巷，留设煤柱宽度为7m。巷道的支护方式按照实际的支护参数进行模拟。以步骤1)中观测得到巷道围岩变形特征和裂隙分布规律为已知状态，反演得到大模型中矩形块体的力学参数。

模拟得到的巷道变形与现场观测结果的对比如图7所示。由图可知，巷道在掘进期间就发生严重的变形，顶底板移近量约为592mm，两帮移近量为696mm，与现场距离巷口610m位置处观测的巷道变形(顶底板移近量540mm，两帮移近量645mm，图7b所示)相吻合。图7c～7g对比了数值模拟与现场实测的巷道破坏形式，结果表明现场巷道在采动应力的影响下产生顶板下沉、两帮向巷道空间挤出和底鼓，造成顶板钢带折断和底板铺设的轨道变形，其中煤柱帮变形最大，主要发生在煤柱下半部分，并且挤压运煤皮带。以上现场掘进期间观测到的巷道破坏形式都可以在UDEC Trigon模型中真实的捕捉到，如图7f所示。

UDEC Trigon模型模拟得到15106回风巷掘进后，7m宽的煤柱内裂隙分布情况如图8所示。根据裂隙的分布情况，煤柱被分为大裂隙区和小裂隙区。由图可知，大裂隙区出现在煤柱的两侧，其中距离巷道侧2m范围和距离采空区侧3m范围张拉裂隙发育接近破碎，成为大裂隙区。距离巷道3m～4m范围剪切裂隙发育，成为小裂隙区。模拟结果与现场钻孔窥视结果(图2a)非常吻合。

通过现场尺度的大模型的验证，表明使用校正的参数带入到UDEC Trigon模型中能够真实的模拟现场巷道的变形情况，利用校正后的参数可以进一步预测未来工作面开挖所产生的矿压现象。同时，证明本发明提出方法的可靠性和实用价值。

Claims (6)

1.一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在试验巷道内，进行观测巷道变形特征、煤岩样取岩芯；记录巷道围岩变形特征，监测巷道顶板和两帮的裂隙分布特征，在顶板和煤层内取岩芯，记录顶板岩芯及煤层岩芯的RQD值；

S2，将取得的顶板岩芯及煤层岩芯分别制成标准的岩块试样进行力学实验：测试岩块试样的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量；根据岩体的弹性模量与岩块试样的弹性模量的比值与RQD之间的函数关系，以及岩体的单轴抗压强度和岩块试样单轴抗压强度之间的函数关系，确定岩体的单轴抗压强度和弹性模量；岩体的抗拉强度取岩体的抗压强度的0.1；

S3，应用UDEC中的Trigon模块建立的校正模型，模型中三角形块体的边长的平均值根据步骤S1中统计的裂隙分布特征来确定；以步骤S2中计算得到的岩体的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量为已知特征值，利用校正模型反演得到校正模型中的三角形块体参数和节理面参数；

S4，利用UDEC建立大尺寸的与现场工作面开采规模一致的数值模型，限定研究区域，在研究区域内利用Trigon模块划分成为三角形块体，三角形块体的边长的平均值以及与三角形块体参数与第三步中校正模型中相同；在研究区域以外的区域划分为长度逐渐增大的矩形块体；以步骤S1中观测得到巷道围岩变形特征和裂隙分布规律为已知状态，反演得到大模型中矩形块体的力学参数。

2.根据权利要求1所述的一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法，其特征在于，步骤S3中，反演校正模型中的三角形块体参数和节理面参数，包括三角形块体尺寸、弹性模量和节理面的法向刚度、切向刚度、内聚力、内摩擦角、抗拉强度，具体的反演方法是：

a)分别建立宽高为2m×4m的矩形和直径为2m的圆形校正模型，确保三角形块体的边长的平均值与现场统计的裂隙长度相一致；

b)设置模型中三角形块体的弹性模量与公式(II)计算得到的岩体的弹性模量相同；

c)三角形块体之间节理面的法向刚度K_n根据公式(IV)进行推导，切向刚度K_s与K_n的比值为0.2，泊松比μ根据K_s/K_n的变化确定；公式(IV)的具体表达式为：

式中，K和G分别为三角形块体的体积模量和剪切模量，GPa，根据K＝E/3(1-2μ)和G＝E/2(1+μ)来计算，其中μ是块体的泊松比；E是块体的弹性模量，GPa；ΔZ_min是相邻单元在垂直方向的最小宽度，m；n取10；

d)利用校正模型进行多次单轴压缩和巴西劈裂实验，得到全程应力应变曲线，采用迭代试错的方法使模拟得到的力学参数与步骤S2中计算得到的岩体的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量相匹配，最终反演出模型的节理面的内聚力、内摩擦角和抗拉强度。

3.根据权利要求1或2所述的一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法，其特征在于，步骤S1中，利用十字交叉布点法安装巷道表面位移测站，采用防爆相机记录巷道围岩变形特征，应用钻孔窥视仪监测巷道顶板和两帮的裂隙分布特征；采用钻孔描图的方法来量化钻孔表面裂隙长度的分布规律。

4.根据权利要求3所述的一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法，其特征在于，步骤S1中，RQD是岩石质量指标，具体表达式为：

式中，l为10cm以上(含10cm)的岩芯累计长度，m；L为钻孔总长度。

5.根据权利要求3所述的一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法，其特征在于，步骤S2中，岩体的弹性模量与岩块弹性模量比值与RQD之间的函数关系，具体表达式为：

E_m/E_r＝10^{0.0186RQD-1.91} (II)

式中，E_m为岩体的弹性模量，GPa；E_r为岩块试样的弹性模量，GPa。

6.根据权利要求3所述的一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法，其特征在于，步骤S2中，岩体的单轴抗压强度和岩块单轴抗压强度之间的函数关系，具体表达式为：

式中，σ_cm和σ_c分别为岩体和岩块试样的单轴抗压强度，MPa；m取值为0.63。