一种基于数值模拟的损伤变量确定方法与流程

本发明涉及煤层底板破坏规律研究领域，特别涉及一种岩层损伤变量的确定方法。

背景技术：

现有底板破坏深度理论大多认为底板基本完整，很少考虑底板损伤情况，实际情况下，煤层底板未开采前由于地应力的影响，存在一定的初始损伤；开采阶段，由于矿压、地应力的进一步影响，底板岩层被破坏，损伤加大。损伤变量是计算底板破坏深度极其重要的参数之一，现阶段研究损伤变量的底板岩体损伤指数法、岩石物理力学测试法、结构分析法等方法大多较为繁琐，本发明利用数值模拟来计算损伤变量，进而计算底板破坏深度，为研究底板破坏规律提供了一种新的思路和方法。

技术实现要素：

1.本发明的目的

在煤矿开采技术领域中为研究底板破坏规律提供一种新的思路和方法。

2.本发明的技术方案

为实现上述目的，本发明一种基于数值模拟的损伤变量确定方法，该方法包括：步骤a，利用flac3d软件，建立符合实际的数值模型；步骤b，根据力学实验结果，为模型赋予岩石物理力学参数；步骤c，根据应力测试结果，设定模型初始应力与边界条件；步骤d，依据实际情况，对数值模型进行开挖模拟；步骤e，导出各岩层应力、应变值，利用公式计算相应的损伤变量；步骤f，根据加权平均法，计算总岩体损伤变量；步骤g，根据公式计算底板破坏深度。

本发明的岩层损伤变量的确定方法，不同于以往繁琐的损伤变量确定方法，利用flac3d数值模拟软件，结合岩石物理力学参数，合理简便的计算出岩体损伤变量，极大简化计算过程，为确定损伤变量提供了一种新方法，进而对研究底板采动破坏规律具有一定的实践意义。

附图说明

此处用来说明的附图是为了对本发明的进一步解释和说明，为本申请的一部分，但并不能限定本发明。

图1为本发明岩层损伤变量的确定方法流程图。

图2为潘二矿11223工作面3煤层开采数值模型图。

图3a、3b、3c及3d分别为潘二矿11223工作面不同开采步距下的采动应力变化云图。

具体实施方案

下面结合附图及本发明所应用的实例，对本发明进行进一步说明。

图1为本发明岩层损伤变量的确定方法流程图。如图1所示，该方法包括：

步骤a，利用flac3d软件，建立符合实际的数值模型；

步骤b，根据力学实验结果，为模型赋予岩石物理力学参数；

步骤c，根据应力测试结果，设定模型初始应力与边界条件；

步骤d，依据实际情况，对数值模型进行开挖模拟；

步骤e，导出各岩层应力、应变值，利用公式计算相应的损伤变量；

步骤f，根据加权平均法，计算总岩体损伤变量；

步骤g，根据公式计算底板破坏深度。

以下结合具体实例，对上述每一步骤进行解释说明。

步骤a，利用flac3d软件，建立符合实际的数值模型。根据潘二矿区11223工作面地质资料，结合断层带附近工程地质条件特征，选取-450m水平为背景，断层带厚度据揭露显示取值3m，以3煤层为特征煤层，嵌入地质模型，煤厚5m。设置模型尺寸为长300m，宽200m，高60m，由于工作面实际情况较复杂，为便于模拟，模型介质类型共概化为4种工程概组，包括煤层顶板、煤层底板、煤层、断层带。

煤系顶底板岩体本构模型一般选为理想弹塑性本构模型，模拟采用mohr-columb塑性本构模型和mohr-columb屈服准则，建立数值模型，如图2。

步骤b，根据力学实验结果，为模型赋予岩石物理力学参数。岩层长期处于地应力作用下，岩石内部存在的微小裂纹、孔隙等初始损伤会导致微应力的集中，继而岩石颗粒间相互作用，产生一定的错动位移，岩石的体积模量、剪切模量等力学参数必然发生相应的变化，因此，为满足实际情况，潘二矿11223工作面模型采用的岩石力学参数进行了一定的调整，如表1所示。

表1岩层物理力学参数

步骤c，根据应力测试结果，设定模型初始应力与边界条件。模拟以模型顶部至地表的岩体自重施加垂向应力，水平方向上，施加因泊松效应产生的侧向应力。底部边界采用全约束边界条件，即x、y、和z方向位移均为0；左右边界、前后边界采用约束边界条件，即x方向、y方向水平位移为0，z方向为自由边界；模型上边界为自由边界，不赋予约束条件。

步骤d，依据实际情况，对数值模型进行开挖模拟。工作面推进方式不同，则过断层煤层底板采动破坏规律不同，进而底板采动破坏深度差异较为明显，因此，本发明实例仅以工作面逆着断层倾向推进为例，为消除模型边界效应，在模型两端各预留50m防水煤柱，断层落差为10m，煤层开挖至断层防设煤柱附近则停止推进，图3a、3b、3c及3d所示为不同推进步距下，工作面的应力变化分布情况。

步骤e，导出各岩层应力、应变值，利用公式计算相应的损伤变量。损伤变量的确定是计算煤层底板破坏深度的关键因素，结合岩石力学参数得出煤层底板各岩层损伤变量

式中：σc——最大主应力；

σ3——最小主应力；

υ——泊松比；

e——弹性模量；

εc——峰值下的应变。

根据11223工作面3煤开采应力变化特征，利用flac3d软件导出采动过程中3煤层底板各岩层的应力、应变值，结合表1所列底板岩层物理力学参数，利用式(1)分别计算3煤底板各岩层的损伤变量，结果如表2所示。

表2底板岩层应力-应变及损伤变量

步骤f，根据加权平均法，计算总岩体损伤变量；根据各岩层损伤变量计算结果及岩层厚度，利用加权平均法计算煤层底板损伤变量

式中：hn——各岩层厚度，m；

dn——各岩层对应的损伤变量。

根据表2计算结果，利用式(2)计算得出，潘二矿11223工作面3煤底板损伤变量d＝0.785。

步骤g，根据公式计算底板破坏深度。根据相关资料，考虑地应力、构造应力及损伤、岩体裂纹两壁所产生的摩擦阻力，结合损伤变量计算结果，计算底板采动破坏深度

式中：kmax——矿山压力最大集中系数；

α——岩石裂纹方位角；

——岩石内摩擦角；

bn——无量纲系数；

a——岩石裂纹面的半迹长。

结合潘二矿11223工作面钻孔资料及矿山压力观测资料综合分析，矿山压力最大集中系数kmax＝3；根据表1得出3煤底板岩体的内摩擦角泊松比取平均值υ＝0.25；通过对该工作面揭露3煤所有钻孔的裂隙进行统计分析后，认为在多数情况下a＝0.1m，bn＝0.4，裂纹的方位角α为19.9°；3煤底板岩体的损伤变量d＝0.785。将以上数据带入式(3)，计算得出潘二矿11223工作面3煤开采时底板岩层的最大破坏深度为20.27m。

模型验证：

通过在潘二矿11223工作面巷道特定位置施工井下钻孔，采用并行电法探测技术，观测3煤采动过程中底板破坏情况。

根据并行电法探测结果，煤层底板垂直高度约19m处，电流值已降为0-2ma，降幅最大，且根据地质条件可分辨出此处为砂质泥岩层与灰岩层交界，由此判定为底板裂隙发育区，即底板最大破坏深度为19m。结果表明：基于采场损伤下底板破坏深度计算结果与现场实测结果较为接近。因此，利用数值模拟结合岩石力学参数计算底板岩层损伤变量，进而确定底板破坏深度的方法具有一定的合理性。

本发明的岩层损伤变量的确定方法，不同于以往繁琐的损伤变量确定方法，利用flac3d数值模拟软件，结合岩石物理力学参数，合理简便的计算出岩体损伤变量，极大简化计算过程，为确定损伤变量提供了一种新方法，进而对研究底板采动破坏规律具有一定的实践意义。

以上所述具体实例，对本发明的目的，过程和有益效果进行详细说明，并不用于限定本发明的限定范围，凡在本发明的精神原则之内，所做的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。