CN115081302B - 支护构件与硐室围岩接触及相互作用的模拟方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了支护构件与硐室围岩接触及相互作用的模拟方法和系统，本方法包括：获取待模拟巷道的支护方案，并基于支护方案对待模拟巷道进行划分，得到若干个巷道段。获取每个巷道段内各岩层的物理力学参数，及巷道围岩的赋存状态。构建相应巷道段的颗粒流数值模型。通过每两个相邻巷道段的颗粒流数值模型，得到待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型。基于颗粒流数值模型获取待模拟巷道的细观力学参数，并通过物理力学参数对细观力学参数进行标定后，建立待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型。本申请从能量及裂隙场演化角度反映支护构件对围岩支护作用的细观机理，获得围岩裂隙分布及围岩与支护构件的宏观破坏模式，为支护方案的改进提供参考。

Description

支护构件与硐室围岩接触及相互作用的模拟方法和系统

技术领域

本申请属于巷道安全技术领域，具体涉及支护构件与硐室围岩接触及相互作用的模拟方法和系统。

背景技术

随着煤矿开采深度和强度的不断增大，冲击地压矿井越来越多，冲击发生的频度和烈度也逐年增加。冲击地压是煤炭开采过程中围岩体内部弹性能突然释放的一种动力灾害，原来理论认为冲击地压主要发生在回采巷道。然而目前在新建矿井开拓巷道中以及深部生产矿井煤巷掘进中也时常发生冲击地压问题，对矿山安全开采造成了极大的危害。

张农等针对冲击地压巷道变形破坏问题做了大量研究。潘一山等采用物理模拟试验和数值模型相结合的方式对不同支护条件下煤岩巷道的冲击破坏过程进行了研究，分析了冲击荷载作用下巷道围岩的动态破坏过程与破坏机制，认为巷道顶板岩体的破碎冒落是冲击波反复作用的结果，据此提出采用吸能支护结构方法以降低冲击地压巷道破坏程度。窦林名等采用平面P波与圆形巷道相互作用模型，获得了强冲击载荷作用下巷道变形破坏表现为单次瞬间摧垮破坏，而循环弱冲击载荷作用下当围岩损伤达到一定程度，一次小的动载扰动即可诱发巷道冲击破坏，提出通过卸压弱化煤岩体强度以避免冲击地压事故的发生。康红普等以常村煤矿深部冲击地压巷道为工程背景，对冲击地压巷道围岩变形破坏特征及主要影响因素进行了分析，提出了冲击地压巷道支护原则和参数设计方法。顾金才等研究了不同锚杆支护参数下巷道围岩锚固结构的抗爆性能，认为单一增加锚杆长度不能有效提高围岩锚固结构的抗爆性能，必须在一定锚杆密度下方可抑制围岩锚固结构内部的裂纹演化。

但是，目前的研究成果，主要是从宏观角度分析冲击动载下巷道围岩动态力学响应特征，较少能从细观角度揭示动载扰动下巷道围岩的冲击失稳机制。

发明内容

本申请提出了一种支护构件与硐室围岩接触及相互作用的模拟方法和系统，从细观角度反映宏观的结构变化，为支护方案的改进提供参考。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

支护构件与硐室围岩接触及相互作用的模拟方法，包括如下步骤：

获取待模拟巷道的支护方案，并基于所述支护方案对所述待模拟巷道进行划分，得到若干个巷道段；

获取每个所述巷道段内各岩层的物理力学参数，及所述巷道围岩的赋存状态；

基于所述物理力学参数和所述赋存状态，构建相应所述巷道段的颗粒流数值模型；

通过每两个相邻所述巷道段的所述颗粒流数值模型，得到所述待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型；

基于所述颗粒流数值模型获取所述待模拟巷道的细观力学参数，并通过所述物理力学参数对所述细观力学参数进行标定后，建立所述待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型，所述颗粒流细观结构演化模型用于计算所述支护方案下所述待模拟巷道的巷道围岩细观结构演化数据。

优选的，得到所述巷道段的方法包括：

按照所述支护方案中支护构件的单位长度，对所述待模拟巷道进行划分，得到若干个所述巷道段。

优选的，获取所述物理力学参数的方法包括：

获取所述待模拟巷道内各岩层标准圆柱试样；

对所述标准圆柱试样进行单轴压缩试验，得到所述标准圆柱试样的应力-应变曲线；

根据所述应力-应变曲线，得到岩石的所述物理力学参数。

优选的，得到所述巷道围岩的所述赋存状态的方法包括：

根据所述待模拟巷道的巷道围岩整体变形特征，得到所述赋存状态；

所述巷道围岩整体变形特征包括巷道围岩顶底板及两帮的位移时间关系曲线以及巷道围岩变形特征；

所述赋存状态包括采掘情况、岩体参数、地质构造和地应力。

优选的，构建所述颗粒流数值模型的方法包括：

基于所述物理力学参数和所述赋存状态，根据所述巷道段的顶底板的岩层情况及所述支护方案，对岩体及支护构件进行离散元模拟，包括用于模拟相应岩层及支护构件的颗粒的构建和颗粒界面特性的接触模型的赋予，建立二维颗粒流模型；

对所述二维颗粒流模型的边界施加应力和边界条件，得到所述颗粒流数值模型。

优选的，得到所述待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型的方法包括：

将第i+1个所述巷道段的所述颗粒流数值模型单向叠加至第i个所述巷道段的所述颗粒流数值模型之上，合并成新的所述颗粒流数值模型，然后重复该步操作；

当所有所述颗粒流数值模型合并成一个时，构成所述待模拟巷道的所述颗粒流细观结构演化模型。

优选的，得到所述细观力学参数的方法包括：

采用平行粘结模型建立标准岩样的单轴压缩颗粒流数值模型，通过试错法得到与物理试验结果相匹配的细观力学参数，并校核得到颗粒流模型的各地层细观颗粒参数和细观界面接触参数。

优选的，对所述细观力学参数进行标定的方法包括：

支护构件细观参数根据实际支构件所使用钢材的屈服强度进行标定；

建立锚杆索拉伸颗粒流模型，通过调整锚杆索颗粒粘结的细观参数，使得模拟试验锚杆索屈服强度与物理试验相匹配，从而确定锚杆索构件的细观接触参数。

另一方面，为实现上述目的，本申请还提供了支护构件与硐室围岩接触及相互作用的模拟系统，包括巷道划分单元、巷道段参数单元、颗粒流数值模型单元、颗粒流结构演化单元和参数标定单元；

所述巷道划分单元用于获取待模拟巷道的支护方案，并基于所述支护方案对所述待模拟巷道进行划分，得到若干个巷道段；

所述巷道段参数单元用于获取每个所述巷道段内各岩层的物理力学参数，及所述巷道围岩的赋存状态；

所述颗粒流数值模型单元用于基于所述物理力学参数和所述赋存状态，构建相应所述巷道段的颗粒流数值模型；

所述颗粒流结构演化单元用于通过每两个相邻所述巷道段的所述颗粒流数值模型，得到所述待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型；

所述参数标定单元用于基于所述颗粒流数值模型获取所述待模拟巷道的细观力学参数，并通过所述物理力学参数对所述细观力学参数进行标定后，建立所述待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型，所述颗粒流细观结构演化模型用于计算所述支护方案下所述待模拟巷道的巷道围岩细观结构演化数据。

本申请的有益效果为：

本申请公开了一种支护构件与硐室围岩接触及相互作用的模拟方法和系统，对粘结应变能、动能及滑移能的实时检测，得到巷道开挖后应变能释放、裂隙围岩错动滑移能的时间演化规律，从能量及裂隙场演化角度反映支护构件对围岩支护作用的细观机理，获得围岩裂隙分布及围岩与支护构件的宏观破坏模式，为支护方案的改进提供参考。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一的支护构件与硐室围岩接触及相互作用的模拟方法流程示意图；

图2为本申请实施例一中的围岩与支护构建接触界面示意图；

图3为本申请实施例一中待模拟巷道开挖平衡2s后无支护巷道围岩裂隙分布示意图；

图4为本申请实施例一中无锚巷道围岩破坏模式示意图；

图5为本申请实施例一中待模拟巷道开挖平衡2s时锚杆索支护下巷道围岩的裂隙分布示意图；

图6为本申请实施例一中锚杆索支护巷道围岩破坏模式示意图；

图7为本申请实施例一中对巷道2.5s平衡过程中模型的裂纹数目进行实时监测得到的加锚和无锚下巷道模型全过程裂纹演化；

图8为本申请实施例一中锚杆索槽钢钢带联合支护颗粒流模型示意图；

图9为本申请实施例一中锚杆索槽钢钢带联合支护围岩裂隙分布示意图；

图10为本申请实施例一中锚杆索槽钢钢带联合支护围岩破坏模式示意图；

图11为本申请实施例二的支护构件与硐室围岩接触及相互作用的模拟系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，为本申请实施例一的支护构件与硐室围岩接触及相互作用的模拟方法流程示意图，主要通过以下几个步骤实现：

S102.获取待模拟巷道的支护方案，并基于支护方案对待模拟巷道进行划分，得到若干个巷道段。

现有的众多研究，均是基于一整段巷道和整段支护结构开展的，但实际情况则是，巷道顶面和侧面受到的压力，是来自于多个方向的，包括竖直方向上的压力、与巷道方向平行的水平压力、与巷道方向垂直的水平压力，而目前的研究，基本上只有顶面受到的下压力和侧面受到的侧压力，压力研究明显不足。第二，由于支护构件的结构因素，实际上支护构件的每个部位受到的压力并非相同，即巷道面对支护构件的压力实际上并不是均匀的，特别是对于没有支护构件的部位。因此，将巷道作为一个整体研究，并不能准确反映出支护构件与围岩间的相互作用。

对此，本申请实施例根据待模拟巷道的支护方案，以单位支护构件为单位长度，对整个待模拟巷道划分成N段，同时，将支护方案以支护参数的形式，随着巷道的划分一并划分。由此，每一单位支护构件对应一段巷道。在本实施例中，支护方案及相应支护参数主要包括：支护构件类型、锚杆规格、锚杆间排距、托盘尺寸、锚索规格、锚索间排距及钢带规格。

S104.获取每个巷道段内各岩层的物理力学参数，及巷道围岩的赋存状态。

在本实施例中，在所要模拟巷道内，巷道顶板、两帮处取岩芯，然后对各地层岩石岩芯进行切割，使其成为高径比2:1的标准岩样圆柱试样。对试样端面打磨，控制上下端面平整度为±0.02mm，避免由于表面不平整而造成的试样局部破坏。对切割打磨后的试样进行单轴压缩试验，获得岩石试样的全过程应力-应变曲线，计算得到各地层岩石基本力学参数，包括单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等基本岩石力学参数，作为岩层的物理力学参数。

通过观测巷道围岩整体变形特征，得到巷道围岩的赋存状态。在本实施例中，巷道围岩整体变形具体包括巷道围岩顶底板及两帮的位移时间关系曲线以及巷道围岩变形特征。巷道围岩的赋存状态包括巷道断面尺寸、埋深、周围巷道的采掘情况、模拟范围内的岩体参数以及巷道围岩，包括岩层厚度、倾角、岩性、层理分布及断层、褶皱等地质构造。同时，对巷道所处位置进行地应力测量，结果包括测点埋深、垂直应力、最大水平主应力、最小水平主应力等。为之后颗粒流模拟巷道的原岩应力的赋予提供依据。

S106.基于物理力学参数和赋存状态，构建相应巷道段的颗粒流数值模型。

在本实施例中，利用PFC离散元软件中的颗粒、墙体及接触本构模型构建离散元巷道围岩颗粒流数值模型。确定所模拟巷道的地层范围、模型中的岩层分布、巷道布置及现场地质条件与生产情况相一致。模拟模型整体尺寸根据所模拟巷道范围确定，模拟巷道形状尺寸与实际尺寸一致。

岩石基质与支护构件这两种介质的生成及界面接触模型的赋予是本申请实施例的重点与基础。根据所模拟区域巷道顶底板的岩层情况及现场的巷道支护方案，对岩体及支护构件进行离散元模拟，主要包括两个方面，分别为用于模拟相应岩层及支护构件的颗粒的构建和颗粒界面特性的接触模型的赋予。根据地层分布对模型相应范围内的颗粒进行分组并赋予相匹配的密度、摩擦因数等颗粒参数。支护构件模拟也均采用颗粒实现，针对支护构件本身的物理性质赋予相匹配的密度、摩擦因数等颗粒参数。岩层与支护构件的颗粒间采用PFC内置的平行黏结模型，并通过编写fish语言程序实现了对于同种岩石界面、异种岩石界面、锚杆索界面和岩石-锚杆索界面这四种接触界面细观参数的分别赋予。据此，建立了一种介质-界面二维颗粒流模型。如图2所示，为本实施例建立的围岩与支护构建接触界面示意图。对于同种岩石颗粒界面执行此种岩石本身的细观接触参数即可，异种岩石接触界面则赋予较弱粘结特性岩石的细观接触参数，如煤与砂质泥岩的接触界面应赋予煤颗粒间的接触参数。岩石-锚杆索接触界面用于表征巷道围岩支护过程中树脂锚固剂的粘结作用和锚杆索对巷道围岩的锚固作用。

模拟模型的边界条件也是影响模拟效果的重要因素。为更为真实的模拟真实巷道所处的原岩应力场，约束模型下边界位移，通过伺服机制对模型上边界与左右边界分别在垂直与水平方向施加垂直应力与水平应力，应力的大小与所测量实际地应力一致。

在本实施例中，数值模拟的具体步骤如下：首先按照巷道围岩的设定尺寸生成与之匹配的矩形边界墙，墙与岩石颗粒之间不存在摩擦。然后对模型赋予原岩应力场(根据地质测量结果)。模型在所施加地应力条件下平衡后，对模型巷道进行开挖模拟，并按照实际支护方案对开挖后的巷道围岩进行支护，模拟支护作用下的巷道围岩细观结构演化过程。

编写fish语言实现对整个数值模型中的张拉裂纹、剪切裂纹数目的实时监测，获得开挖后巷道围岩裂隙及支护构件损伤时空演化细观特征。编写fish语言实现对模型粘结应变能、动能及滑移能的实时检测，得到巷道开挖后应变能释放、裂隙围岩错动滑移能的时间演化规律，从能量角度反映支护构件对围岩支护作用的细观机理。获得围岩裂隙分布及围岩与支护构件的宏观破坏模式，为支护方案的改进提供参考。

S108.通过每两个相邻巷道段的颗粒流数值模型，得到待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型。

在本实施例中，采用单向叠加的方式，将所有的巷道段的颗粒流数值模型整合成一个整体的巷道的颗粒流细观结构演化模型。例如，从第一个巷道段开始，将第二个巷道段叠加到第一个巷道段上，叠加的作用力主要是与巷道方向水平的水平压力，合并成一个新的颗粒流数值模型。然后再将第三个巷道段用相同的方法叠加到刚刚得到的那个颗粒流数值模型上，以此类推，当所有颗粒流数值模型合并成一个时，构成待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型。

S110.基于颗粒流数值模型获取待模拟巷道的细观力学参数，并通过物理力学参数对细观力学参数进行标定后，建立待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型，颗粒流细观结构演化模型用于计算支护方案下待模拟巷道的巷道围岩细观结构演化数据。

在本实施例中，根据所模拟巷道范围内各地层岩芯的试验测试结果，得到巷道所在层、直接顶、基本顶、直接底及基本底地层的单轴抗压强度。采用平行粘结模型分别建立高径比为2：1的标准岩样的单轴压缩颗粒流数值模型，通过试错法得到与物理试验结果相匹配的细观力学参数，并校核得到颗粒流模型的各地层细观颗粒参数和细观界面接触参数。支护构件细观参数根据实际支构件所使用钢材的屈服强度进行标定，由于锚杆索在实际支护中主要受拉应力作用，因此一般使用拉伸试验来获取锚杆索拉伸全过程应力-应变曲线，并获得锚杆索的屈服强度。同样，建立锚杆索拉伸颗粒流模型，锚杆索颗粒之间的接触模型使用平行粘结模型，对两段颗粒施加相同的向外速度，对锚杆索模型进行拉伸实验，直到锚杆索数值模型发生破断，通过沿锚杆索布置的一系列测量圆获得轴向各处轴向应力，从而获得锚杆索数值模型的拉伸应力-应变曲线及屈服强度，通过不断调整锚杆索颗粒粘结的细观参数，使得模拟试验锚杆索屈服强度与物理试验相匹配，从而确定锚杆索构件的细观接触参数。

在构建了介质-界面颗粒流模型并依据实际地层岩石物理力学参数对细观参数进行标定之后，进行模型的计算并设置计算终止条件，最终得到相应支护方案下颗粒流细观结构演化模型，该模型用于计算支护方案下待模拟巷道的巷道围岩细观结构演化数据。

采用本实施例技术方案，分析结果如下：

如图3所示，为开挖平衡2s后无支护巷道围岩裂隙分布图。红色代表张拉裂纹，黑色代表剪切裂纹。可以发现，开挖2s后围岩区域拉剪裂纹大量分布，巷道顶板拉剪裂纹延伸至基本顶，且随着离顶板距离的增大，裂纹密度逐渐下降，巷道顶板围岩破碎程度较高。拉剪裂纹遍布巷道帮部，围岩变形量大。巷道顶板整体破碎跨落，破碎后呈上拱形，围岩两帮位移量大，整体向内收缩，冲击地压导致巷道围岩失稳，颗粒向巷道内部飞溅。表层围岩与深部围岩脱离，并呈现以开挖巷道为中心的环状破坏模式，围岩破碎程度高，完整性差，如图4所示。

图5为开挖平衡2s时锚杆索支护下巷道围岩的裂隙分布图。可以看出，拉剪裂纹主要萌生于锚固区外岩层、直接底岩层以及锚固区内的锚杆索与围岩相互作用的锚固界面。锚杆索端部位置拉剪裂纹集聚，并呈现由两帮锚杆索尖端向顶板锚杆索尖端延伸趋势。与无支护巷道不同，锚杆索支护巷道围岩锚固区内裂纹发育较少，最终形成沿锚杆索尖端延伸的拱形裂纹形态。图6为锚杆索支护巷道围岩破坏模式示意图，巷道顶板及两帮位移量较小，顶板并未出现无锚巷道的冒顶跨落现象，两帮收缩得到有效控制，锚固区域内巷道围岩较为完整，在巷道周围形成了较为稳定的拱形完整围岩区域，极大地削弱了冲击地压对巷道造成的影响。

对巷道2s平衡过程中模型的裂纹数目进行实时监测，得到了加锚和无锚下巷道模型全过程裂纹演化，如图7所示。开挖后巷道围岩裂隙数目演化整体均呈现逻辑函数形态，大致分为加速与稳定两个阶段，在开挖平衡初期裂纹数目增长速度较快，随着平衡时间的增加，逐渐趋于稳定。加速阶段中，加锚巷道的裂纹增长速率明显低于无锚巷道，锚杆索支护构件对于巷道围岩的加固作用抑制了拉剪裂纹的萌生，锚固区的存在进一步阻碍了裂纹的扩展，极大地增加了开挖初期围岩的整体稳定性。达到稳定阶段后，加锚与无锚巷道裂纹数目随时间基本保持不变，锚杆索支护巷道总裂纹数目远远低于无锚巷道，总数大约减少了70％。其中，锚杆索对于剪切裂纹的抑制作用更为明显，达到了74％，对维持巷道围岩长期稳定性发挥了巨大作用。值得注意的是，无锚巷道从巷道开挖到稳定阶段共耗时约1.5s，而加锚巷道仅耗时约0.5s，锚杆索支护加快了开挖后巷道围岩的应力重分布，加锚巷道应力重分布时间缩短到无锚巷道的三分之一。

在锚杆索支护构件的基础上添加槽钢钢带等构件连接锚杆索端部，进一步提高了支护结构的整体性和稳定性，颗粒流模型如图8所示。对锚杆索槽钢钢带联合支护模型进行开挖平衡计算，2s后巷道围岩裂隙分布如图9所示。不难发现，相对于锚杆索支护巷道，联合支护巷道底板位移量显著减少，底鼓现象消失，顶底板及两帮均未出现较大位移，围岩整体形状规整。拉剪裂纹同样聚集于锚杆索端部，但裂纹密度明显低于锚杆索支护巷道。图10为联合支护巷道围岩破坏模式图，可见，锚固区顶板围岩几乎未发生较大破碎，围岩块体较大，完整性高，稳定性得到进一步增强。相对于锚杆索支护巷道，由于槽钢钢带对卸荷围岩的位移抑制作用，联合支护巷道两帮围岩破碎块体块度较大，并形成了以锚杆索为边界的完整围岩块体分布。深部围岩的破碎程度相对锚杆索支护巷道降低程度较大，锚固区外围裂纹密度降低，锚杆索外围并未出现锚杆索支护巷道的圈状破坏模式，锚固区与无锚固区之间并未出现明显离层，巷道围岩的整体性得到了提高。

实施例二

如图11所述，为本申请实施例二的支护构件与硐室围岩接触及相互作用的模拟系统结构示意图，主要包括巷道划分单元、巷道段参数单元、颗粒流数值模型单元、颗粒流结构演化单元和参数标定单元。

具体的，巷道划分单元用于获取待模拟巷道的支护方案，并基于支护方案对待模拟巷道进行划分，得到若干个巷道段。在本实施例中，以单位支护构件为单位长度，对整个待模拟巷道划分成N段，同时，将支护方案以支护参数的形式，随着巷道的划分一并划分。由此，每一单位支护构件对应一段巷道。在本实施例中，支护方案及相应支护参数主要包括：支护构件类型、锚杆规格、锚杆间排距、托盘尺寸、锚索规格、锚索间排距及钢带规格。

巷道段参数单元用于获取每个巷道段内各岩层的物理力学参数，及巷道围岩的赋存状态。在本实施例中，在所要模拟巷道内，巷道顶板、两帮处取岩芯，然后对各地层岩石岩芯进行切割，使其成为高径比2:1的标准岩样圆柱试样。对试样端面打磨，控制上下端面平整度为±0.02mm，避免由于表面不平整而造成的试样局部破坏。对切割打磨后的试样进行单轴压缩试验，获得岩石试样的全过程应力-应变曲线，计算得到各地层岩石基本力学参数，包括单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等基本岩石力学参数，作为岩层的物理力学参数。通过观测巷道围岩整体变形特征，得到巷道围岩的赋存状态。在本实施例中，巷道围岩整体变形具体包括巷道围岩顶底板及两帮的位移时间关系曲线以及巷道围岩变形特征。巷道围岩的赋存状态包括巷道断面尺寸、埋深、周围巷道的采掘情况、模拟范围内的岩体参数以及巷道围岩，包括岩层厚度、倾角、岩性、层理分布及断层、褶皱等地质构造。同时，对巷道所处位置进行地应力测量，结果包括测点埋深、垂直应力、最大水平主应力、最小水平主应力等。为之后颗粒流模拟巷道的原岩应力的赋予提供依据。

颗粒流数值模型单元用于基于物理力学参数和赋存状态，构建相应巷道段的颗粒流数值模型。在本实施例中，利用PFC离散元软件中的颗粒、墙体及接触本构模型构建离散元巷道围岩颗粒流数值模型。确定所模拟巷道的地层范围、模型中的岩层分布、巷道布置及现场地质条件与生产情况相一致。模拟模型整体尺寸根据所模拟巷道范围确定，模拟巷道形状尺寸与实际尺寸一致。岩石基质与支护构件这两种介质的生成及界面接触模型的赋予是本申请实施例的重点与基础。根据所模拟区域巷道顶底板的岩层情况及现场的巷道支护方案，对岩体及支护构件进行离散元模拟，主要包括两个方面，分别为用于模拟相应岩层及支护构件的颗粒的构建和颗粒界面特性的接触模型的赋予。根据地层分布对模型相应范围内的颗粒进行分组并赋予相匹配的密度、摩擦因数等颗粒参数。支护构件模拟也均采用颗粒实现，针对支护构件本身的物理性质赋予相匹配的密度、摩擦因数等颗粒参数。岩层与支护构件的颗粒间采用PFC内置的平行黏结模型，并通过编写fish语言程序实现了对于同种岩石界面、异种岩石界面、锚杆索界面和岩石-锚杆索界面这四种接触界面细观参数的分别赋予。据此，建立了一种“两介质-四界面”的二维颗粒流模型。对于同种岩石颗粒界面执行此种岩石本身的细观接触参数即可，异种岩石接触界面则赋予较弱粘结特性岩石的细观接触参数，如煤与砂质泥岩的接触界面应赋予煤颗粒间的接触参数。岩石-锚杆索接触界面用于表征巷道围岩支护过程中树脂锚固剂的粘结作用和锚杆索对巷道围岩的锚固作用。

颗粒流结构演化单元用于通过每两个相邻巷道段的颗粒流数值模型，得到待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型。在本实施例中，采用单向叠加的方式，将所有的巷道段的颗粒流数值模型整合成一个整体的巷道的颗粒流细观结构演化模型。具体的，从第一个巷道段开始，将第二个巷道段叠加到第一个巷道段上，叠加的作用力主要是与巷道方向水平的水平压力，合并成一个新的颗粒流数值模型。然后再将第三个巷道段用相同的方法叠加到刚刚得到的那个颗粒流数值模型上，以此类推，当所有颗粒流数值模型均合并成一个时，构成待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型。

参数标定单元用于基于颗粒流数值模型获取待模拟巷道的细观力学参数，并通过物理力学参数对细观力学参数进行标定后，建立待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型，颗粒流细观结构演化模型用于计算支护方案下待模拟巷道的巷道围岩细观结构演化数据。在本实施例中，根据所模拟巷道范围内各地层岩芯的试验测试结果，得到巷道所在层、直接顶、基本顶、直接底及基本底地层的单轴抗压强度。采用平行粘结模型分别建立高径比为2：1的标准岩样的单轴压缩颗粒流数值模型，通过试错法得到与物理试验结果相匹配的细观力学参数，并校核得到颗粒流模型的各地层细观颗粒参数和细观界面接触参数。支护构件细观参数根据实际支构件所使用钢材的屈服强度进行标定，由于锚杆索在实际支护中主要受拉应力作用，因此一般使用拉伸试验来获取锚杆索拉伸全过程应力-应变曲线，并获得锚杆索的屈服强度。同样，建立锚杆索拉伸颗粒流模型，锚杆索颗粒之间的接触模型使用平行粘结模型，对两段颗粒施加相同的向外速度，对锚杆索模型进行拉伸实验，直到锚杆索数值模型发生破断，通过沿锚杆索布置的一系列测量圆获得轴向各处轴向应力，从而获得锚杆索数值模型的拉伸应力-应变曲线及屈服强度，通过不断调整锚杆索颗粒粘结的细观参数，使得模拟试验锚杆索屈服强度与物理试验相匹配，从而确定锚杆索构件的细观接触参数。在构建了“两介质-四界面”支护巷道颗粒流模型并依据实际地层岩石物理力学参数对细观参数进行标定之后，进行模型的计算并设置计算终止条件，最终得到相应支护方案下颗粒流细观结构演化模型，该模型用于计算支护方案下待模拟巷道的巷道围岩细观结构演化数据。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.支护构件与硐室围岩接触及相互作用的模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取待模拟巷道的支护方案，并基于所述支护方案对所述待模拟巷道进行划分，得到若干个巷道段；得到所述巷道段的方法包括：按照所述支护方案中支护构件的单位长度，对所述待模拟巷道进行划分，得到若干个所述巷道段；

获取每个所述巷道段内各岩层的物理力学参数，及所述巷道围岩的赋存状态；获取所述物理力学参数的方法包括：获取所述待模拟巷道内各岩层标准圆柱试样；对所述标准圆柱试样进行单轴压缩试验，得到所述标准圆柱试样的应力-应变曲线；根据所述应力-应变曲线，得到岩石的所述物理力学参数；得到所述巷道围岩的所述赋存状态的方法包括：根据所述待模拟巷道的巷道围岩整体变形特征，得到所述赋存状态；所述巷道围岩整体变形特征包括巷道围岩顶底板及两帮的位移时间关系曲线以及巷道围岩变形特征；所述赋存状态包括采掘情况、岩体参数、地质构造和地应力；

基于所述物理力学参数和所述赋存状态，构建相应所述巷道段的颗粒流数值模型；构建所述颗粒流数值模型的方法包括：基于所述物理力学参数和所述赋存状态，根据所述巷道段的顶底板的岩层情况及所述支护方案，对岩体及支护构件进行离散元模拟，包括用于模拟相应岩层及支护构件的颗粒的构建和颗粒界面特性的接触模型的赋予，建立二维颗粒流模型；对所述二维颗粒流模型的边界施加应力和边界条件，得到所述颗粒流数值模型；

通过每两个相邻所述巷道段的所述颗粒流数值模型，得到所述待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型；得到所述待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型的方法包括：将第i+1个所述巷道段的所述颗粒流数值模型单向叠加至第i个所述巷道段的所述颗粒流数值模型之上，合并成新的所述颗粒流数值模型，然后重复该步操作；当所有所述颗粒流数值模型合并成一个时，构成所述待模拟巷道的所述颗粒流细观结构演化模型；

基于所述颗粒流数值模型获取所述待模拟巷道的细观力学参数，并通过所述物理力学参数对所述细观力学参数进行标定后，建立所述待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型，所述颗粒流细观结构演化模型用于计算所述支护方案下所述待模拟巷道的巷道围岩细观结构演化数据；得到所述细观力学参数的方法包括：采用平行粘结模型建立标准岩样的单轴压缩颗粒流数值模型，通过试错法得到与物理试验结果相匹配的细观力学参数，并校核得到颗粒流模型的各地层细观颗粒参数和细观界面接触参数；

对所述细观力学参数进行标定的方法包括：

支护构件细观参数根据实际支构件所使用钢材的屈服强度进行标定；

建立锚杆索拉伸颗粒流模型，通过调整锚杆索颗粒粘结的细观参数，使得模拟试验锚杆索屈服强度与物理试验相匹配，从而确定锚杆索构件的细观接触参数。

2.支护构件与硐室围岩接触及相互作用的模拟系统，其特征在于，包括巷道划分单元、巷道段参数单元、颗粒流数值模型单元、颗粒流结构演化单元和参数标定单元；

所述巷道划分单元用于获取待模拟巷道的支护方案，并基于所述支护方案对所述待模拟巷道进行划分，得到若干个巷道段；得到所述巷道段的方法包括：按照所述支护方案中支护构件的单位长度，对所述待模拟巷道进行划分，得到若干个所述巷道段；

所述巷道段参数单元用于获取每个所述巷道段内各岩层的物理力学参数，及所述巷道围岩的赋存状态；获取所述物理力学参数的方法包括：获取所述待模拟巷道内各岩层标准圆柱试样；对所述标准圆柱试样进行单轴压缩试验，得到所述标准圆柱试样的应力-应变曲线；根据所述应力-应变曲线，得到岩石的所述物理力学参数；得到所述巷道围岩的所述赋存状态的方法包括：根据所述待模拟巷道的巷道围岩整体变形特征，得到所述赋存状态；所述巷道围岩整体变形特征包括巷道围岩顶底板及两帮的位移时间关系曲线以及巷道围岩变形特征；所述赋存状态包括采掘情况、岩体参数、地质构造和地应力；

颗粒流数值模型单元用于基于所述物理力学参数和所述赋存状态，构建相应所述巷道段的颗粒流数值模型；构建所述颗粒流数值模型的方法包括：基于所述物理力学参数和所述赋存状态，根据所述巷道段的顶底板的岩层情况及所述支护方案，对岩体及支护构件进行离散元模拟，包括用于模拟相应岩层及支护构件的颗粒的构建和颗粒界面特性的接触模型的赋予，建立二维颗粒流模型；对所述二维颗粒流模型的边界施加应力和边界条件，得到所述颗粒流数值模型；

所述颗粒流结构演化单元用于通过每两个相邻所述巷道段的所述颗粒流数值模型，得到所述待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型；得到所述待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型的方法包括：将第i+1个所述巷道段的所述颗粒流数值模型单向叠加至第i个所述巷道段的所述颗粒流数值模型之上，合并成新的所述颗粒流数值模型，然后重复该步操作；当所有所述颗粒流数值模型合并成一个时，构成所述待模拟巷道的所述颗粒流细观结构演化模型；

所述参数标定单元基于所述颗粒流数值模型获取所述待模拟巷道的细观力学参数，并通过所述物理力学参数对所述细观力学参数进行标定后，建立所述待模拟巷道的颗粒流细观结构演化模型，所述颗粒流细观结构演化模型用于计算所述支护方案下所述待模拟巷道的巷道围岩细观结构演化数据；得到所述细观力学参数的方法包括：采用平行粘结模型建立标准岩样的单轴压缩颗粒流数值模型，通过试错法得到与物理试验结果相匹配的细观力学参数，并校核得到颗粒流模型的各地层细观颗粒参数和细观界面接触参数；

对所述细观力学参数进行标定的方法包括：

支护构件细观参数根据实际支构件所使用钢材的屈服强度进行标定；

建立锚杆索拉伸颗粒流模型，通过调整锚杆索颗粒粘结的细观参数，使得模拟试验锚杆索屈服强度与物理试验相匹配，从而确定锚杆索构件的细观接触参数。

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