[发明专利]一种基于数值模拟的损伤变量确定方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。