动载作用下巷道围岩破坏的数值模拟研究方法、装置与流程

本发明涉及围岩分析技术领域，具体设计一种动载作用下巷道围岩破坏的数值模拟研究方法和一种动载作用下巷道围岩破坏的数值模拟研究装置。

背景技术：

巷道是煤矿开采过程中最为关键的组成部分，通过巷道进行工作，对于巷道的挖掘及其应用过程中，常常会遇到例如车辆、行人或者巷道围岩锚杆等自身的运动造成围岩的破坏。因此会造成塌陷、岩爆等较为严重的巷道围岩事故。

为提高巷道的安全性，相关技术中，大部分的研究方法均是基于静力分析，较为片面，与现场实际情况有较大的出入，缺乏较强的现场指导意义。

技术实现要素：

本发明为解决上述技术问题，本发明第一个目的在于提出一种动载作用下巷道围岩破坏的数值模拟研究方法，本发明对于动载作用下巷道围岩的破坏采用数值模拟方法，能够将巷道围岩破坏性数值化，更高效、准确、直观的反应围岩的破坏情况，进而可以对巷道开挖及施工提供具体的实施方法和理论依据。

本发明的第二个目的在于提出一种动载作用下巷道围岩破坏的数值模拟研究装置。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的第一方面实施例提出了一种动载作用下巷道围岩破坏的数值模拟研究方法，包括以下步骤：采集采掘空间的地质信息，其中，所述地质信息包括：围岩等级、煤层位置、巷道位置、动载位置及动载大小；根据所述地质信息在巷道围岩周边布置监测点；利用flac^2d建模；导出数值模拟图；根据所述数值模拟图确定动载作用下巷道围岩参数分布情况，并根据所述围岩参数分布情况绘制参数折线图；根据所述参数折线图指导所述巷道的施工与开采。

根据本发明的一个实施例，根据所述围岩等级在所述巷道围岩周边布置监测点。

根据本发明的一个实施例，所述监测点的布置位置包括：以巷道形心为坐标原点建立的直角坐标系中的y轴正方向依次的0°、45°、90°、135°、180°，以及，距离巷道中心第一预设距离的地区、所述巷道各边中点外侧，其中，所述第一预设距离大于五米且不超过十米。

根据本发明的一个实施例，利用flac^2d建模包括：各岩层的物理参数、设置边界条件、初始应力场的生成、各向锚杆、定义波、锚杆的特性、长度、阻尼，动载类型、动载方式、动载位置、频率的编写、建模及数值模拟。

根据本发明的一个实施例，所述动载类型包括：p波、s波及混合波，动载位置即为所述监测点的布置位置。

根据本发明的一个实施例，所述数值模拟图包括：围岩的位移模拟图、加速度模拟图、速度模拟图、应力模拟图。

本发明的第二方面实施例提出了一种动载作用下巷道围岩破坏的数值模拟研究装置，包括：采集模块，所述采集模块用于采集采掘空间的地质信息，其中，所述地质信息包括：围岩等级、煤层位置、巷道位置、动载位置及动载大小；布置模块，所述布置模块用于根据所述地质信息在巷道围岩周边布置监测点；建模模块，所述建模模块用于利用flac^2d建模；导出模块，所述导出模块用于导出数值模拟图；绘制模块，所述绘制模块用于根据所述数值模拟图确定动载作用下巷道围岩参数分布情况，并根据所述围岩参数分布情况绘制参数折线图；指导模块，所述指导模块用于根据所述参数折线图指导所述巷道的施工与开采。

根据本发明的一个实施例，所述布置模块根据所述围岩等级在所述巷道围岩周边布置监测点。

根据本发明的一个实施例，所述监测点的布置位置包括：以巷道形心为坐标原点建立的直角坐标系中的y轴正方向依次的0°、45°、90°、135°、180°，以及，距离巷道中心第一预设距离的地区、所述巷道各边中点外侧，其中，所述第一预设距离大于五米且不超过十米。

根据本发明的一个实施例，所述建模模块具体用于：各岩层的物理参数、设置边界条件、初始应力场的生成、各向锚杆、定义波、锚杆的特性、长度、阻尼，动载类型、动载方式、动载位置、频率的编写、建模及数值模拟。

根据本发明的一个实施例，所述动载类型包括：p波、s波及混合波。

根据本发明的一个实施例，所述数值模拟图包括：围岩的位移模拟图、加速度模拟图、速度模拟图、应力模拟图。

本发明的有益效果：

本发明的对于动载作用下巷道围岩的破坏采用数值模拟方法，结合flac^2d进行模拟动载作用及其作用结果，对参数进行反复的研究探讨，首在位移、速度、加速度、应力等方面分别进行监测点的部署，导出围岩在不同参数作用下的各个监测点具体数据，通过技术操作制成各个监测点变化情况，能够将巷道围岩破坏性数值化，更高效、准确、直观的反应围岩的破坏情况，进而可以对巷道开挖及施工提供具体的实施方法和理论依据。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的动载作用下巷道围岩破坏的数值模拟研究方法的流程图；

图2是根据本发明一个具体示例的动荷载分别作用于巷道竖直法线左侧45°直线上及锚杆布置模拟图；

图3是根据本发明一个具体示例的动荷载分别作用于巷道竖直法线左侧0°直线上及锚杆布置模拟图；

图4是根据本发明一个具体示例的动荷载分别作用于巷道竖直法线左侧135°直线上及锚杆布置模拟图；

图5是根据本发明一个具体示例的动荷载分别作用于巷道竖直法线左侧90°直线上及锚杆布置模拟图；

图6是根据本发明一个具体示例的动荷载分别作用于巷道竖直法线左侧180°直线上及锚杆布置模拟图；

图7是根据本发明一个具体示例的监测点位置示意图；

图8是根据本发明一个具体示例的各监测点最大主应力折线示意图；

图9是根据本发明一个具体示例的各监测点最小主应力折线示意图；

图10是根据本发明一个实施例的动载作用下巷道围岩破坏的数值模拟研究装置法的方框示意图。

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。

图1是根据本发明一个实施例的动载作用下巷道围岩破坏的数值模拟研究方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

s1，采集采掘空间的地质信息。其中，所地质信息包括：围岩等级、煤层位置、巷道位置、动载位置及动载大小。

s2，根据地质信息在巷道围岩周边布置监测点。

进一步地，根据本发明的一个实施例，可以根据围岩等级在巷道围岩周边布置监测点。

更进一步地，监测点的布置位置可以包括：以巷道形心为坐标原点建立的直角坐标系中的y轴正方向依次的0°、45°、90°、135°、180°，距离巷道中心第一预设距离的地区，巷道各边中点外侧，其中，所述第一预设距离大于五米且不超过十米。

s3，利用flac^2d建模。

flac^2d是一种专业的边坡稳定性分析计算软件，主要用于工程力学计算的二维显示有限差分程序，可以模拟特定面上的滑动和分离，处理流固耦合问题、动力问题、粘弹塑性问题、对称问题等。

根据本发明的一个实施例，利用flac^2d建模包括：各岩层的物理参数、设置边界条件、初始应力场的生成、各向锚杆、定义波、锚杆的特性、长度、阻尼，动载类型、动载方式、动载位置、频率的编写、建模及数值模拟。

其中，动载类型包括：p波、s波及混合波，动载位置即为上述的监测点。

s4，导出数值模拟图。

其中，数值模拟图可以包括：围岩的位移模拟图、加速度模拟图、速度模拟图、应力模拟图。

s5，根据数值模拟图确定动载作用下巷道围岩参数分布情况，并根据围岩参数分布情况绘制参数折线图。

其中，围岩的各项参数包括位移、速度、加速度、应力的影响、拱顶位移的变化、出现应力集中的区域、波的影响。

s6，根据参数折线图指导巷道的施工与开采。

具体的，采集采掘空间的围岩等级、煤层位置、巷道位置、动载位置及动载大小，根据地质信息在巷道围岩周边布置监测点，可以采取反复取点的方式，然后，利用flac^2d软件建模与导出各项参数的数值模拟图，建模需进行多次建模，具体为围岩的位移模拟图、加速度模拟图、速度模拟图、应力模拟图，由于动载的大小，动载的位置，锚杆的长度，锚杆间的间距以及其他参数均需进行不断地调试。通过分析数值模拟图各区域数值大小确定参数分布情况，再导出各个监测点的数据，利用excel编辑，将各个点数据制成一张折线图进行分析。最后根据参数折线图指导巷道的施工与开采。由此，结合flac^2d进行模拟动载作用及其作用结果，对参数进行反复的研究探讨，首在位移、速度、加速度、应力等方面分别进行监测点的部署，导出围岩在不同参数作用下的各个监测点具体数据，通过技术操作制成各个监测点变化情况，能够将巷道围岩破坏性数值化，更高效、准确、直观的反应围岩的破坏情况，进而可以对巷道开挖及施工提供具体的实施方法和理论依据。

为使本领域技术人员更清楚的理解本发明，下面结合具体的实施例来描述本发明提出的动载作用下巷道围岩破坏的数值模拟研究方法。

(1)对整个工程进行研究之前首先对现场情况进行勘察或者寻求勘测图纸进行地质等基本信息的确定。其中，地质信息包括：围岩等级、煤层位置、巷道位置、动载位置及动载大小，重要动载位置及动载大小模拟图可参照图2-6所示。

(2)此煤巷道已经对其采取了一系列支护措施，对于整个环境我们确定监测点的位置，参考以上所述监测点的取点方法，此研究采取了四面设置监测点如图7，此取点方法考虑到监测的广度与深度。

(3)根据整个巷道的地质基本信息，利用flac^2d模拟软件建立二维数值模拟模型。本发明主要研究巷道的破坏，我们对于各项参数包括动荷载的位置，动荷载的大小，锚杆的长度和间距的考虑则需进行多次不断地调整建模，以便能够形成鲜明的数据对比图。对这几个方面进行着重的数值模拟，分析实体巷道围岩的破坏特性。

(4)在每次调整代码模拟过后即使对于从step2000-10000的每次间隔2000导出关于动载下位移，速度，加速度，应力的数值模拟图。对于每个监测点利用软件代码导出各个监测点的数据，再次利用excel辅助画出每个监测点的数值变化折线图，例如图8与图9所示，图8是各监测点最大主应力折线示意图，图9是各监测点最小主应力折线示意图，横轴代表时间，纵轴代表应力大小。

通过多次调整参数，可以发现，每次制作出的图性变化趋势与动荷载的位置有很大的关系，以及巷道周边各个监测点的最大与最小主应力趋于某一平稳状态。

(5)根据对图8和图9分析可知，确定并分析动载作用下各参数分布情况1号监测点受影响最小，3号监测点后期受影响最大，2号与4号监测点受影响最小。3号监测点则是受到了地板冲击矿压的作用。

由于底板缺少有效支护，在开挖过程中底板的水平应力升高、垂直应力降低，应力差增加，相当于在底板煤层中产生了冲击核，这是底板冲击发生前应力条件的孕育过程，具备了底板冲击的应力条件。

在动载作用下，巷道底板的水平应力和垂直应力发生明显的变化，随着时间变化应力集中位置出现了波动。底板由于没有支护，成为能量释放的突破口，底板冲击后水平应力集中现象消失。而两帮存在锚杆支护，垂直应力集中现象在一定程度发生了变化，但没有完全消失，也就是两帮没有明显的冲击显现。这也反映了锚网支护在一定程度上抑制了冲击矿压的显现程度和规模。

综上所述，根据本发明实施例的动载作用下巷道围岩破坏的数值模拟研究方法，结合flac^2d进行模拟动载作用及其作用结果，对参数进行反复的研究探讨，首在位移、速度、加速度、应力等方面分别进行监测点的部署，导出围岩在不同参数作用下的各个监测点具体数据，通过技术操作制成各个监测点变化情况，能够将巷道围岩破坏性数值化，更高效、准确、直观的反应围岩的破坏情况，进而可以对巷道开挖及施工提供具体的实施方法和理论依据。

与上述的动载作用下巷道围岩破坏的数值模拟研究方法相对应，本发明还提出一种动载作用下巷道围岩破坏的数值模拟研究装置。由于本发明的装置实施例与本发明上述的方法实施例，对于装置实施例中未披露的细节可参照上述的方法实施例，本发明中不再进行赘述。

图10是根据本发明一个实施例的动载作用下巷道围岩破坏的数值模拟研究装置法的方框示意图。如图10所示，该装置包括：采集模块1、布置模块2、建模模块3、导出模块4、绘制模块5和指导模块6。

其中，采集模块1用于采集采掘空间的地质信息，其中，地质信息包括：围岩等级、煤层位置、巷道位置、动载位置及动载大小；布置模块2用于根据地质信息在巷道围岩周边布置监测点；建模模块3用于利用flac^2d建模；导出模块4用于导出数值模拟图；绘制模块5用于根据数值模拟图确定动载作用下巷道围岩参数分布情况，并根据围岩参数分布情况绘制参数折线图；指导模块6用于根据参数折线图指导巷道的施工与开采。

根据本发明的一个实施例，布置模块2根据围岩等级在巷道围岩周边布置监测点。

根据本发明的一个实施例，监测点的布置位置包括：以巷道形心为坐标原点建立的直角坐标系中的y轴正方向依次的0°、45°、90°、135°、180°，以及，距离巷道中心第一预设距离的地区、巷道各边中点外侧，其中，第一预设距离大于五米且不超过十米。

根据本发明的一个实施例，建模模块3具体用于：各岩层的物理参数、设置边界条件、初始应力场的生成、各向锚杆、定义波、锚杆的特性、长度、阻尼，动载类型、动载方式、动载位置、频率的编写、建模及数值模拟。

根据本发明的一个实施例，动载类型包括：p波、s波及混合波。

根据本发明的一个实施例，数值模拟图包括：围岩的位移模拟图、加速度模拟图、速度模拟图、应力模拟图。

综上所述，根据本发明实施例动载作用下巷道围岩破坏的数值模拟研究装置，结合flac^2d进行模拟动载作用及其作用结果，对参数进行反复的研究探讨，首在位移、速度、加速度、应力等方面分别进行监测点的部署，导出围岩在不同参数作用下的各个监测点具体数据，通过技术操作制成各个监测点变化情况，能够将巷道围岩破坏性数值化，更高效、准确、直观的反应围岩的破坏情况，进而可以对巷道开挖及施工提供具体的实施方法和理论依据。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。