[发明专利]一种封闭不良钻孔采动响应数值模拟方法

权利要求书

1.一种封闭不良钻孔采动响应数值模拟方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)建立采场工作面力学概念模型；

(2)根据步骤(1)的概念模型建立封闭不良钻孔采动响应数值模拟力学模型；

(3)对步骤(2)所建立的力学模型进行初始平衡状态求解计算；

(4)进行煤层开挖工作；

(5)对数值模拟结果进行分析。

2.根据权利要求1所述的一种封闭不良钻孔采动响应数值模拟方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述建立采场工作面力学概念模型是根据工作面煤层开采的实际情况，建立采动影响钻孔围岩破坏力学概念模型，回采工作面为走向长壁综采工艺，切眼位于模型左侧，推采方向为由左到右，由远及近接近钻孔，工作面沿倾向方向依次为巷道煤柱，上顺槽，回采工作面，下顺槽，巷道煤柱，钻孔位于工作面前方；本次模拟所选煤层埋深设置为550m，模型顶部上覆岩层的重量以加载垂直荷载的方式进行替代，为更精确地反应封闭不良钻孔对采动的响应，模型侧面限制水平移动，模型底面限制垂直移动。

3.根据权利要求1所述的一种封闭不良钻孔采动响应数值模拟方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述建立数值模拟力学模型包括以下步骤：

①通过FLAC^3D程序建立三维几何模型并划分计算网格；建立的长方体几何模型沿走向长(X)300m，倾斜宽(Y)240m，模型高度(Z)220m，钻孔位于模型长260m、宽120m的位置，钻孔长度与模型高度一致，对钻孔周围的网格进行加密，三维模型共划分有183800个三维单元，共193239个节点；

②选取力学材料模型为FLAC^3D中莫尔-库仑Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破

式中，σ₁、σ₃分别是最大和最小主应力，c，φ分别是粘结力和摩擦角；当f_s＞0时，材料将发生剪切破坏；

③按照力学材料模型所要求的材料参数关键字对材料模型赋予材料参数，对于摩尔-库伦本构模型所选的材料参数包括：弹性体积模量，K；内聚力，c；剪胀角，ψ；内摩擦角，φ；弹性切变模量，G；抗拉强度，σ₁；这些数据通过对所采岩样进行岩石力学试验结果所得，若数值模拟的材料参数与试验实测参数并不完全一致，则需对试验参数进行公式换算，将其调整与数值模拟的材料参数一致；

④加载及设置边界条件和初始条件，在本模型初始条件岩体外部不施加任何力，仅仅是岩体自身重力，设置重力加速度-9.81m/s²，模型顶部等效载荷为-6.6×10⁶Pa；对长方体模型6个边界面中的5个面固定，即位移为0，5个面即X方向的两个面，Y方向上的两个面以及Z方向上模型的底面。

4.根据权利要求1所述的一种封闭不良钻孔采动响应数值模拟方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述的力学模型的初始平衡状态求解计算包括设置监控变量、求解和结果分析三个步骤：

①由FLAC^3D程序采用显式有限差分计算方法进行迭代计算，在迭代过程中通过监控参数变化来判断分析是否正确，模型是否与实际相符，计算是否收敛；本模型监控两个参数，一个是点(300，240，220)在Z方向的位移迭代变化，另一个是模型中最大不平衡力，如果最大不平衡力小于设定值，说明记录的位移变成常数，达到平衡状态；

②模型初始化平衡状态准备就绪后，由FLAC^3D采用显式的时间步动态求解，设置最大不平衡力为50N，一旦小于此值，则求解过程终止；

③在FLAC^3D程序中保存初始平衡状态下的力学模型，得到垂直应力分布剖面图，通过垂直应力分布剖面图得出：初始平衡状态下，竖直方向的应力由自重应力和未参加模拟岩层转化的荷载产生，随着岩体埋藏深度的增加，竖直应力呈线性增加，由于钻孔钻探破坏了钻孔壁内外岩体的连续性，注浆封孔后，封孔材料与周围岩体在孔壁处形成非自然接触面，钻孔内封孔材料的力学参数和孔壁外岩体力学参数有一定的差异，因此，孔内应力与周围岩体应力相比要小，但总体上孔内应力随埋深的增加也相应的增加。