技术领域本发明涉及一种开矿应力研究，具体为开挖卸荷作用下巷道围岩应变能运移量化方法。
背景技术：
随着我国矿产资源开采向深部发展，越来越多的地下工程面临着岩爆等诸多灾害。在地下工程中，巷道的开挖使得完整的岩体出现了临空面，打破了原有的应力环境，在应力的调整过程中，能量也发生了转移，巷道围岩失稳的根本原因是弹性应变能的释放所导致。高应力条件下地下工程开挖巷道的过程中，岩体的开挖会使应力快速释放，产生强烈的动力效应，导致围岩松动，应力环境重新调整，若调整失败，则巷道围岩将产生不同程度的损伤，破坏，甚至发生岩爆等重大灾害。考虑能量与应力应变的关系，通过对开挖卸荷后整个应力调整阶段应变、应力的量化，研究累积应变能在应力调整过程中的定量运移规律，可为预防和治理矿山及其他水利水电工程的地下巷道失稳灾害提供研究基础。目前针对巷道开挖卸荷作用下围岩稳定性方面的研究，主要集中在定性的讨论。只是定性地考虑能量的聚集、耗散和释放对岩体开挖卸荷引起的巷道变形、损伤和破坏等，忽略了岩体的开挖过程对应变能积聚及释放的量化研究。
技术实现要素：
针对上述技术问题，本发明提供一种开挖卸荷作用下巷道围岩应变能运移量化方法，考虑能量与应力应变的关系，通过对开挖卸荷后整个应力调整阶段应变和应力的监测，研究能量在应力调整过程中的运移规律，最终为预防和治理矿山及其他水利水电工程的地下巷道失稳灾害提供研究基础，保证工程顺利进行。具体的技术方案为：开挖卸荷作用下巷道围岩应变能运移量化方法，采用数值模拟手段，建立巷道开挖模型，模拟现场岩体的开挖卸荷工序，监测开挖卸荷作用下围岩的力学及形变，为构建开挖卸荷作用下巷道围岩应变能运移量化方案提供数据基础。1.巷道开挖模型构建实验模型尺寸与巷道尺寸之比必须大于3:1。控制方式为双轴加载，其中水平和轴向必须加载至定值，以模拟在一定的地应力环境下进行巷道的开挖操作。本次主要模拟一次成巷，以圆型断面形状为例。根据现阶段，金属矿山以硬脆岩石居多，在材料的力学参数赋值中，主要以硬脆岩石为基础。2.实验步骤(1)构建一定尺寸的三维岩体。(2)对导入的模型施加荷载至定值，模拟工程现场的地应力环境。(3)在地应力环境赋值完成后，保证岩体处于稳定状态。(4)开挖卸荷工序，在模型前后面的中心位置进行开挖操作，再根据工程现场岩体开挖，可分成一次开挖或者分阶段开挖。(5)开挖完成后，继续保持巷道模型应力状态。(6)观察围岩的力学及变形的三维云图，确定应力和应变的集中区域，并进一步捕捉累积应变能的定量运移情况。3.巷道开挖后巷道力学分析a.主应力和主应变分析数值模拟结束后，绘制巷道模型的主应力和主应变三维云图，寻找主应力和主应变集中区域，圈定重点分析区域。b.偏应力和偏应变分析岩石发生失稳破坏主要由偏应力引起，巷道围岩的失稳亦是如此。对主应力和主应变集中区域进行偏应力和偏应变分析，若偏应力为正值，说明是压应力集中区，反之为拉应力集中区。若偏应变为正值，说明集中区域产生了剪切错动破坏。若偏应变为负值，说明集中区域主要是张拉破坏。4.累积应变能运移规律的量化研究根据能量与应力、应变的关系式，可采用如下关系式进行应变能求解：U*=1V∫PdL=∫0LPA0dLL0=∫0ϵσdϵ]]>根据该公式，将应力调整阶段各个时刻各个监测点的数据进行处理，得到能量值U*，并且将其转化为三维云图。通过观察三维云图，可量化累积应变能的演化过程，也可总结和概括累积应变能运移的阶段性。根据每一时刻的每个单元体的应力应变数值，求解出对应的能量数值，将累积应变能集中区域的最大值表示集中区域，再将其转化为三维云图，得到运移的量化规律。本发明提供的开挖卸荷作用下巷道围岩应变能运移量化方法，基于能量运移速度先后经历“快→慢→快”过程，提出预防和治理巷道围岩失稳的有效措施。可以在“慢”阶段对能量运移进行阻断，采取一定措施对该范围内聚集的能量进行多次释放，可以有效解决围岩失稳区能量的聚集，降低灾害的发生，保证工程顺利进行。附图说明图1a开挖前试验模型；图1b开挖后试验模型；图2a巷道开挖主应变ε应变云图；图2b巷道开挖主应力σ1应变云图；图3a巷道开挖偏应变偏应变γs与偏应力云图；图3b巷道开挖偏应变偏应力q与偏应力云图；图4a巷道右侧能量云图；图4b巷道右侧能量最大值曲线图。具体实施方式结合附图说明本发明的具体实施方式。1.巷道开挖模型构建实验试件尺寸为150×150×150mm3，中间的模拟巷道直径为45mm。控制方式为双轴加载，其中水平方向施加荷载为9MPa，竖直方向施加荷载为45MPa。模型的材料参数来源于实验室，具体参数见表1。表1材料参数开挖前后的数值模型如图1a和图1b所示。2.实验步骤对导入的模型施加荷载至定值，水平方向9MPa，45MPa，进行塑性分析，模拟地下应力状态，在应力环境稳定后，开挖设置好的巷道，模拟实际工程中一次成巷，再次对其进行塑性分析，直到塑性分析完成或者产生计算不收敛，3.巷道开挖后巷道力学分析a.主应力和主应变分析模拟结果表明巷道开挖后，应力和应变集中区域主要是在巷道的左右两侧以及顶底部，图2a是巷道开挖后主应变ε1分布云图，图2b是巷道开挖后主应力σ1分布云图。应力与应变在左右两侧X轴方向产生明显的压剪破坏特征。应力应变主要以“葱头状”在一定范围内层层向外扩张，且应力应变值均为负值，说明巷道左右两侧受压应力。此外，应力应变集中变化区域主要是在巷道两侧一定范围内。b.偏应力和偏应变分析图3a是巷道开挖后偏应变γs分布云图，图3b是巷道开挖后偏应力q分布云图。在偏应变图中，巷道顶底部产生一个较小的三角状应变集中区域，但是在偏应力云图中，巷道顶底部的应力值为0，没有应力集中，该现象表明张拉裂纹释放掉集中的应力和能量。应变的产生是由于张拉破坏导致的，巷道顶底部没有应力集中区，也就不会产生新的破坏，因而在巷道的顶底部产生的张拉裂纹不会影响其他破坏。4.累积应变能运移规律的量化研究根据模拟实验结果现象左右对称，提取巷道右侧观测点的数据继续研究。根据该公式，将应力调整阶段各个时刻各个监测点的数据进行处理，得到能量值U*，并且将其转化为三维云图，如图4a。由云图不难发现，能量运移同样具有阶段性，运移过程先后经历了快速转移→积累跃迁→急速释放三个过程，通过进一步提取调整过程每一步的能量最大值，并根据二维空间坐标位置，确定最大值的变化轨迹，如图4b所示，其阶段具有明显“快→慢→快”的变化特征。在初始地应力的动态卸载过程中，由图4a可以看出，在应力调整阶段前2步中，与侧壁距离约为(20mm)巷道半径的89％处范围内围岩能量较低，这是由于能量以径向应力做功的方式快速向临空面释放，而与侧壁距离大于巷道半径169％处能量值较大。由于岩石回弹效应，深处围岩开始对靠近侧壁的岩石通过径向应力做功的方式转移自身的应变能，能量积累跃迁路径见图4a和表2。表2能量跃迁前与右侧壁的距离在第三阶段能量急速释放的过程中，通过云图不难看出从第20步开始，深红颜色区域主要集中在与侧壁距离约为巷道半径的133％范围内，可见在能量释放阶段，圆形巷道腰线处距离侧壁为巷道半径的133％的范围内均是能量集中区域，也是围岩易失稳区，且图4b可以看出，最大能量值从23步到24步由与侧壁距离为巷道半径的133％处急速转移到侧壁处，能量向临空面的急速转移预示着围岩失稳发生。