br>[0046]根据某地下煤矿某工作面实际工程地质情况，通过FLAC3D建立矿井三维数值模 型，如图2,模型走向长140m，其中巷道和工作面走向长度为60m，前后各留40m边界，模型倾 向宽155m，其中工作面倾向宽90m，模型高100m。
[0047]第二步:选择矿井三维数值模型中岩体的本构模型，并赋予该本构模型相应力学 参数
[0048]设置矿井三维数值模型中岩体本构模型为应变软化模型，具体力学参数见表2。
[0049]巷道支护中采用FLAC3D中内置的cable结构单元模拟与现场实际相符的锚杆一锚 索支护，模型巷道支护断面图如图3所示，支护体结构与力学参数见表1。
[0055]第三步:设置矿井三维数值模型边界条件，模拟初始地应力场
[0056] 根据该工作面实际工程地质情况设置模型边界条件，在模型顶部施加15MPa的垂 直应力模拟实际埋深-650m的上覆岩层载荷，X、Y方向的水平应力分别为垂直应力的0 · 8和 1.2倍，模型四周和底部采用位移限定边界；
[0057] 采用显式有限差分计算法进行迭代计算，模型的最大不平衡力低于默认标准值 (le-5)后模型达到平衡状态并停止迭代计算，即模型的初始地应力场模拟完成；
[0058]第四步:矿井三维数值模型开挖并执行工程岩体破裂劣化迭代计算 [0059]为了完整地监测记录回采巷道掘进和回采影响过程中的巷道稳定性状态，设置图 2中所示位置为监测断面，记录该断面内的围岩变形量和支护体受力状态。该断面距离工作 面开切眼40m，可以较完整地记录该断面在巷道掘进过程中和回采工作面推进采动影响下 的围岩响应。回采巷道开挖模拟以掘进5m为一个运算循环，支护紧随巷道开挖，设置支护体 并赋予力学参数后运算至模型平衡后，继续下一个掘进一支护一运算循环。巷道掘进完成 后，以回采工作面后退式推进5m为一个运算循环，运算至模型平衡后继续下一个循环直到 工作面推进至监测断面。
[0060]在上述模拟过程中进行迭代运算时，同时执行本发明提出的基于连续介质的工程 岩体破裂劣化数值模拟方法，具体包括以下实施步骤：
[0061 ] (1)将矿井三维数值模型需开挖部分定义为空(null)模型。
[0062] (2)进行FLAC3D所采用的显式有限差分计算方法进行迭代计算，计算达到100时步 后暂停计算。
[0063] (3)检查模型最大不平衡力是否低于默认标准值（le-5)，若低于则模型达到平衡 状态，当前模拟运算结束，执行下一步开挖;若模型尚未达到平衡状态，则遍历矿井三维数 值模型中全部岩体单元并检测每个单元的破坏状态，识别并标记当前运算状态下模型中破 坏状态为拉伸破坏的岩体单元，标记得到的拉伸破坏单元如图4所示。
[0064] (4)对矿井三维数值模型中全部标记为拉伸破坏的岩体单元赋予由裂隙发育导致 的残余杨氏模量，该实施例中根据现场观测裂隙发育程度，设定煤层GSIt为10,顶板岩层 GSIt为20，底板岩层GSIt为25。
[0065] (5)继续进行显式有限差分迭代计算，计算达100时步后重复步骤第（3)至第（5) 步，待矿井三维数值模型达到平衡状态后继续下一步开挖，直至完成巷道掘进和工作面回 采的整个模拟过程。
[0066] 第五步"提取监测数据并分析模拟结果
[0067] 提取监测断面位置围岩变形量和支护体受力状态在巷道掘进和回采影响过程中 的监测数据，如图5、图6所示。根据以上数据可以对回采巷道完整服务期限(始于巷道开挖， 止于回采工作面推进后顶板垮落）内围岩稳定性、支护可靠性等进行评估分析，指导二次补 强支护等。通过监测数据可以看出，该巷道属于围岩裂隙发育的大变形巷道，底板和两帮由 软弱煤体组成，服务期限内变形剧烈，实际工程中需及时观测巷道变形量，在围岩松动破 碎、稳定性差和大变形的位置实施二次补强支护。模拟中顶板锚索在服务期限末段轴向受 力超过其拉伸强度，在实际工程中表现为锚索破断从而使支护失效，需要在工作面回采期 间超前工作面进行假设单体液压支柱等补强支护，维持回采巷道服务期限内的正常使用。
[0068] 本发明提出的基于连续介质的裂隙岩体数值模拟方法使连续介质的数值模拟过 程更加合理严谨，模拟结果更加真实可靠。可为工程岩体的失稳机理分析、稳定性控制对策 研究、支护设计优化等提供了更可靠的仿真模拟方法，特别是对易受拉破裂的工程环境具 有普遍的应用价值。
[0069] 以上所述实施例仅为本发明的其中一个应用案例，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内所作的任何修改和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之 内。
【主权项】
1. 一种基于连续介质的工程岩体破裂劣化数值模拟方法，其特征在于，包括W下步骤： 第一步:建立工程对象数值模型 通过有限元数值模拟软件FLAC3D建立工程对象的数值模型并划分计算网格，在重点研 究位置加密网格，得到体积更小、分布更密的岩体单元格和节点，从而提高模拟精度； 第二步:选择工程对象数值模型中岩体的本构模型，并赋予该本构模型相应力学参数 具体包括W下步骤： 第2.1步:将工程对象数值模型中各类岩体的力学模型设置为化AC3D中内置的应变软 化模型，按照应变软化模型所要求的材料参数对各类岩体赋予相应的材料参数，包括:杨氏 模量、泊松比、体积力、内聚力、内摩擦角、抗拉强度、残余内聚力和塑性应变量； 第2.2步:基于地质强度指标体系GSI，使用如下公式建立岩体裂隙发育程度与残余杨 氏模量的量化关系：(1) 式中，Er为岩体拉伸破坏后裂隙发育作用下的残余杨氏模量，(?为岩体抗压强度，由岩 石物理力学性质试验和岩体强度估算得到，GSIt为岩体受拉伸破坏产生的裂隙发育程度； 第2.3步：由工程现场实地观测或理论经验估算获得的岩体裂隙发育程度GSIt，通过公 式②得到劣化后的残余杨氏模量； 第Ξ步:设置工程对象数值模型边界条件 根据工程对象和研究目标设置工程对象数值模型边界条件，包括施加重力、应力限定 边界和位移限定边界，模拟工程对象数值模型初始应力场； 第四步:工程对象数值模型开挖并执行工程岩体破裂劣化迭代计算 具体计算包括W下步骤： 第4.1步:将工程对象数值模型需开挖部分定义为空模型； 第4.2步:进行FLAC3D所采用的显式有限差分计算方法进行迭代计算，计算达某一时步 数(可由使用者根据情况自由设定)暂停计算； 第4.3步:检查模型最大不平衡力是否低于默认标准值(le-5)，若低于则模型达到平衡 状态，模拟运算结束;若模型尚未达到平衡状态，则遍历工程对象数值模型中全部岩体单元 并检测每个单元的破坏状态，识别并标记当前运算状态下模型中破坏状态为拉伸破坏的岩 体单元； 第4.4步:对模型中全部标记为拉伸破坏的岩体单元赋予由裂隙发育导致的残余杨氏 模量，其数值通过第二步得到； 第4.5步:继续进行显式有限差分迭代计算，计算达第4.2步设定的时步数后重复步骤 第4.3至第4.5步，直至工程对象数值模型达到平衡状态； 第五步:模拟运算结束得到数值模拟结果并分析研究 获取模拟结果，根据研究对象进行研究分析，从而为岩±工程、采矿工程围岩失稳机理 分析、稳定性控制对策研究和支护方案设计提供有效可靠的指导依据。
【专利摘要】本发明公开了一种基于连续介质的工程岩体破裂劣化数值模拟方法，它包括建立工程对象数值模型步骤，选择工程对象数值模型中岩体的本构模型，并赋予该本构模型相应力学参数步骤，设置工程对象数值模型边界条件步骤，对工程对象数值模型进行开挖并执行工程岩体破裂劣化迭代计算，获取模拟结果，根据研究对象进行研究分析。本发明在保留原始数值迭代计算基础上，加入了围岩中应力重新分布过程中裂隙受开挖扰动的动态发展及导致围岩杨氏模量劣化，由现场实地观测或理论经验估算所得数据反演得到劣化后残余杨氏模量，能够使基于连续介质的数值模拟过程更加合理严谨，进而使数值模拟结果更加真实可靠。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105550441
【申请号】CN201510923690
【发明人】蒋力帅, 谭云亮, 宁建国
【申请人】山东科技大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月12日