CN115906525A - 数值模拟岩层运动过程中力学参数映射关系的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数值模拟岩层运动过程中力学参数映射关系的确定方法，涉及采煤技术领域。本发明首先引入2.5DVoronoi的几何形态表征参量φ和d并归一化，其次基于ABAQUS、PYTHON和MATLAB构建巴西劈裂数值模型并标定数值模拟中力学参数，最后建立岩层实验室与数值模拟的力学参数映射关系。本发明用于标定2.5DVoronoi数值模拟中输入的力学参数，从而能够更加准确仿真岩层的变形、破断、滑移失稳及铰接稳定4个宏观状态及破断特征。
Description
技术领域
本发明涉及采煤技术领域，更具体的说是涉及一种数值模拟岩层运动过程中力学参数映射关系的确定方法。
背景技术
煤炭开采是从地层内获取煤炭资源的过程，必然引起岩层运动——变形、破断、滑移失稳及铰接稳定4个宏观过程并形成不规则、“O+X”、“U+Y”等垮落形态，从而导致地层内的应力场、裂隙场和渗流场的改变，进而影响矿压显现、地下水流失和地表沉陷等安全与环境问题。因此，掌握岩层运动规律对于矿压控制、保水开采和地表裂缝治理等采矿工程问题至关重要。
数值模拟能够直观地展现岩层运动的全过程，是当前掌握岩层运动规律最为有效的手段。在二维空间尺度上，国内外学者提出了基于离散元的数值计算方法，准确模拟了岩层运动全过程，并形成了商业化软件—UDEC、RFPA2D等。但煤矿采场是典型的三维空间结构，二维离散单元法不能给出岩层三维破断特征及采场应力分布规律。然而，因在岩层块体划分、本构模型和接触模型3个方面存在的难题和挑战，致使目前仍缺乏一种在三维空间上计算岩层运动全过程的数值方法，导致不能准确模拟岩层的变形、破断、滑移失稳和铰接稳定4个宏观过程以及不规则、“O+X”、“U+Y”等垮落形态。为此，提出一种基于2.5D Voronoi块体划分的岩层运动全过程三维数值计算方法。然而，实验室获取的岩层力学参数与数值模拟中具有什么关系，即二者的映射关系如何确定又成为这种数值模拟方法的一大瓶颈。因此，对本领域技术人员来说，如何确定2.5D Voronoi数值模拟中的力学参数是亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种数值模拟岩层运动过程中力学参数映射关系的确定方法，用于标定2.5D Voronoi数值模拟中输入的力学参数，从而更准确的仿真岩层的变形、破断、滑移失稳及铰接稳定4个宏观状态及破断特征。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种数值模拟岩层运动过程中力学参数映射关系的确定方法，具体步骤包括如下：
S1、获取岩层的力学参数，所述力学参数包括弹性模量E、泊松比μ、抗拉强度σ和抗剪强度τ；
S2、构建巴西劈裂的几何模型，并根据所述几何模型随机生成一个2.5DVoronoi图；
S3、引入所述2.5D Voronoi图的几何形态表征参量
和d，并进行归一化得到
以
为界面参数，对数值模拟中力学参数不断取值，从而构建p组巴西劈裂数值模型；
S4、定义Fun函数，当所述数值模拟中力学参数的取值使得所述Fun函数最小时，输出当前界面参数
下数值模拟的力学参数：E01、μ01、σ01、τ01；
S5、重复S2-S4，得到多个力学参数数组，对多个所述力学参数数组进行拟合，建立实验室与数值模拟映射关系模型：
可选的，通过单轴压缩获取弹性模量E；通过三轴压缩获取泊松比μ；通过巴西劈裂实验获取抗拉强度σ；通过剪切实验获取抗剪强度τ。
可选的，所述Fun函数为：
其中，RFi Exp为实验实测结果，RFi Sim为数值实测结果，
为界面参数。
可选的，当
时，表示2.5D Voronoi单元具有相同的几何形态，即2.5DVoronoi单元形态完全规则分布；当
时，则表示2.5D Voronoi单元的几何规则度完全随机。
可选的，在数值模拟的力学参数标定过程中，自动计算下次迭代时的待标定参数值，每次运行完成后，记录当前迭代次数、Fun函数值和此次运算过程中使用的待标定参数值，输出到History文本文件中。
可选的，巴西劈裂数值模型的组数p与2.5D Voronoi图中的2.5D Voronoi单元数量相关；当0<2.5DVoronoi单元数量≤325时，p＝20；当325<2.5DVoronoi单元数量≤520时，p＝50；当2.5DVoronoi单元数量>520时，p＝70。
可选的，几何形态表征参量
用于表征2.5DVoronoi单元的几何规则度，参量
的表达式为：
其中，λ为Voronoi图中设定的任意两种子点之间的距离下限，
m为设定的种子点数目，A为2.5D Voronoi单元上表面面积。
可选的，几何形态表征参量d为Voronoi图面积的等效圆直径，对参数d归一化处理，即得到2.5D Voronoi图的尺寸参量dt1。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种数值模拟岩层运动过程中力学参数映射关系的确定方法，具有以下有益的技术效果：本发明方法用于确定2.5D Voronoi数值模拟中的力学参数，该方法简单、准确、具有可重复性，可以更为准确地仿真岩层的变形、破断、滑移失稳及铰接稳定4个宏观状态及破断特征。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的几何模型图；
图2为本发明的几何模型剖面图；
其中，1表示几何模型、2表示2.5D Voronoi图、3表示2.5D Voronoi单元、4表示2.5D Voronoi单元上表面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种数值模拟岩层运动过程中力学参数映射关系的确定方法，首先引入2.5D Voronoi的几何形态表征参量
和d并归一化，其次基于ABAQUS、PYTHON和MATLAB构建巴西劈裂数值模型并标定数值模拟中力学参数，最后建立岩层实验室与数值模拟的力学参数映射关系，具体力学参数确定过程如下：
以甘肃省甜水堡煤矿3煤顶板岩层泥质砂岩为例，采用钻心法于3煤某巷道顶板钻取原岩试样，根据要求将原岩试样加工成50×100mm、50×50mm以及50×25mm的标准圆柱体试样。建立单元数量为198个几何形态随机的巴西劈裂几何模型，2.5D Voronoi单元上表面面积A＝25.9mm2与种子点数目m＝33。
S1、开展单轴压缩、三轴压缩、巴西劈裂和剪切实验分别获得泥质砂岩的力学参数——弹性模量E＝16.49GPa、泊松比μ＝0.24、抗拉强度σ＝4.16MPa和抗剪强度τ＝9.8MPa；
S2、采用三维建模软件Pro/E构建巴西劈裂的几何模型，并对其随机生成一个2.5DVoronoi图，如图1、图2所示；
S3、引入参量
表征2.5D Voronoi单元的几何规则度，并定义参量
的表达式：
其中，λ为Voronoi图中设定的任意两种子点之间的距离下限，
m＝33为设定的种子点数目，A为2.5D Voronoi单元上表面面积25.9mm2；
S4、对参数λ做归一化处理，即得到2.5D Voronoi图规则度参数
S5、引入参量d表征2.5D Voronoi单元的几何尺寸；
S6、对参数d归一化处理，即得到2.5D Voronoi图尺寸参量dt1＝8.33mm；
S7、以(0.25，8.33)为界面参数，以数值模拟中力学参数(弹性模量E01＝9.16GPa、泊松比μ01＝0.13、抗拉强度σ01＝3.56MPa和抗剪强度τ01＝9.41MPa)为变量，构建20组巴西劈裂数值模型；
S8、定义Fun函数：
其中，RFi Exp为实验实测结果，RFi Sim为数值实测结果，
为界面参数。当数值模拟中力学参数的取值使得Fun函数最小时，输出当前界面参数
下数值模拟的力学参数：E01、μ01、σ01、τ01；
S9、重复S2～S8共计19次；
S10、构建第一组数组：
…
、
(9.16，0.46，8.33，16.49)、(12.86，0.25，9.37，16.49)、(6.93，0.07，8.13，16.49)、(7.75，0.17，6.34，16.49)、(11.71，0.19，8.67，16.49)、(8.41，0.28，5.37，16.49)、(13.69，0.29，9.16，16.49)、(13.36，0.27，9.62，16.49)、(8.74，0.35，5.64，16.49)、(7.26，0.10，3.64，16.49)、(8.08，0.22，5.69，16.49)、(9.89，0.64，3.89，16.49)、(14.51，0.33，9.45，16.49)、(9.56，0.55，7.54，16.49)、(8.74，0.35，7.21，16.49)、(7.42，0.12，6.22，16.49)、(12.37，0.22，8.87，16.49)、(9.07，0.42，5.43，16.49)、(13.52，0.28，8.79，16.49)；
第二组数组：
…、
(0.13，0.46，8.33，0.24)、(0.13，0.36，8.47，0.24)、(0.14，0.72，9.31，0.24)、(0.14，0.46，9.42，0.24)、(0.12，0.70，7.53，0.24)、(0.12，0.38，7.24，0.24)、(0.09，0.87，8.63，0.24)、(0.11，0.53，6.38，0.24)、(0.09，0.83，9.16，0.24)、(0.12，0.61，7.43，0.24)、(0.12，0.63，6.99，0.24)、(0.11，0.79，6.97，0.24)、(0.25，0.49，7.87，0.24)、(0.13，0.56，8.45，0.24)、(0.13，0.49，8.83，0.24)、(0.11，0.86，7.34，0.24)、(0.14，0.67，8.97，0.24)、(0.10，0.93，8.26，0.24)、(0.12，0.53，7.54，0.24)；
第三组数组：
…、
(3.56，0.46，8.33，4.16)、(3.08，0.40，9.16，4.16)、(3.49，0.51，9.43，4.16)、(3.54，0.45，8.13，4.16)、(2.95，0.37，9.16，4.16)、(3.62，0.49，7.89，4.16)、(3.70，0.53，6.37，4.16)、(2.99，0.38，9.58，4.16)、(2.50，0.21，9.61，4.16)、(3.83，0.58，7.46，4.16)、(2.79，0.31，8.91，4.16)、(2.91，0.35，9.52，4.16)、(3.66，0.51，8.06，4.16)、(3.20，0.44，8.67，4.16)、(3.79，0.57，6.39，4.16)、(2.70，0.28，9.17，4.16)、(3.86，0.60，6.87，4.16)、(3.36，0.35，7.19，4.16)、(3.12，0.41，8.76，4.16)；
第四组数组：
…、
(9.41，0.46，8.33，9.80)、(9.06，0.49，8.15，9.80)、(7.94，0.21，5.67，9.80)、(7.64，0.48，8.46，9.80)、(8.72，0.34，7.61，9.80)、(8.23，0.52，8.79，9.80)、(9.70，0.51，8.21，9.80)、(8.92，0.38，6.54，9.80)、(8.43，0.28，5.98，9.80)、(6.47，0.42，8.43，9.80)、(9.62，0.33，7.16，9.80)、(5.49，0.37，8.97，9.80)、(8.92，0.37，7.24，9.80)、(9.60，0.50，8.29，9.80)、(9.31，0.58，9.37，9.80)、(5.19，0.46，8.67，9.80)、(9.11，0.41，7.92，9.80)、(5.98，0.39，9.28，9.80)、(9.01，0.39，7.68，9.80)。
S11、采用MATLAB和MAPLE拟合4组数组，建立实验室与数值模拟映射关系模型，模型中
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种数值模拟岩层运动过程中力学参数映射关系的确定方法，其特征在于，具体步骤包括如下：
S1、获取岩层的力学参数，所述力学参数包括弹性模量E、泊松比μ、抗拉强度σ和抗剪强度τ；
S2、构建巴西劈裂的几何模型，并根据所述几何模型随机生成一个2.5DVoronoi图；
S3、引入所述2.5D Voronoi图的几何形态表征参量
和d，并进行归一化得到
以
为界面参数，对数值模拟中力学参数不断取值，从而构建p组巴西劈裂数值模型；
S4、定义Fun函数，当所述数值模拟中力学参数的取值使得所述Fun函数最小时，输出当前界面参数
下数值模拟的力学参数：E01、μ01、σ01、τ01；
S5、重复S2-S4，得到多个力学参数数组，对多个所述力学参数数组进行拟合，建立实验室与数值模拟映射关系模型：
2.根据权利要求1所述的一种数值模拟岩层运动过程中力学参数映射关系的确定方法，其特征在于，通过单轴压缩获取弹性模量E；通过三轴压缩获取泊松比μ；通过巴西劈裂实验获取抗拉强度σ；通过剪切实验获取抗剪强度τ。
3.根据权利要求1所述的一种数值模拟岩层运动过程中力学参数映射关系的确定方法，其特征在于，所述Fun函数为：
其中，RFi Exp为实验实测结果，RFi Sim为数值实测结果，
为界面参数。
4.根据权利要求1所述的一种数值模拟岩层运动过程中力学参数映射关系的确定方法，其特征在于，当
时，表示2.5D Voronoi单元具有相同的几何形态，即2.5D Voronoi单元形态完全规则分布；当
时，则表示2.5DVoronoi单元的几何规则度完全随机。
5.根据权利要求1所述的一种数值模拟岩层运动过程中力学参数映射关系的确定方法，其特征在于，在数值模拟的力学参数标定过程中，自动计算下次迭代时的待标定参数值，每次运行完成后，记录当前迭代次数、Fun函数值和此次运算过程中使用的待标定参数值，输出到History文本文件中。
6.根据权利要求1所述的一种数值模拟岩层运动过程中力学参数映射关系的确定方法，其特征在于，巴西劈裂数值模型的组数p与2.5D Voronoi图中的2.5D Voronoi单元数量相关；当0<2.5DVoronoi单元数量≤325时，p＝20；当325<2.5DVoronoi单元数量≤520时，p＝50；当2.5DVoronoi单元数量>520时，p＝70。
7.根据权利要求1所述的一种数值模拟岩层运动过程中力学参数映射关系的确定方法，其特征在于，几何形态表征参量
用于表征2.5DVoronoi单元的几何规则度，参量
的表达式为：
其中，λ为Voronoi图中设定的任意两种子点之间的距离下限，
m为设定的种子点数目，A为2.5D Voronoi单元上表面面积。
8.根据权利要求1所述的一种数值模拟岩层运动过程中力学参数映射关系的确定方法，其特征在于，几何形态表征参量d为Voronoi图面积的等效圆直径，对参数d归一化处理，即得到2.5D Voronoi图的尺寸参量dt1。
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