[发明专利]一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法

权利要求书

1.一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在试验巷道内，进行观测巷道变形特征、煤岩样取岩芯；记录巷道围岩变形特征，监测巷道顶板和两帮的裂隙分布特征，在顶板和煤层内取岩芯，记录顶板岩芯及煤层岩芯的RQD值；

利用十字交叉布点法安装巷道表面位移测站，采用防爆相机记录巷道围岩变形特征，应用钻孔窥视仪监测巷道顶板和两帮的裂隙分布特征；采用钻孔描图的方法来量化钻孔表面裂隙长度的分布规律；

S2，将取得的顶板岩芯及煤层岩芯分别制成标准的岩块试样进行力学实验：测试岩块试样的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量；根据岩体的弹性模量与岩块试样的弹性模量的比值与RQD之间的函数关系，以及岩体的单轴抗压强度和岩块试样单轴抗压强度之间的函数关系，确定岩体的单轴抗压强度和弹性模量；岩体的抗拉强度取岩体的抗压强度的0.1；

岩体的弹性模量与岩块弹性模量比值与RQD之间的函数关系，具体表达式为：

E_m/E_r＝10^{0.0186RQD-1.91} (II)

式中，Em为岩体的弹性模量，GPa；Er为岩块试样的弹性模量，GPa；

S3，应用UDEC中的Trigon模块建立的校正模型，模型中三角形块体的边长的平均值根据步骤S1中统计的裂隙分布特征来确定；以步骤S2中计算得到的岩体的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量为已知特征值，利用校正模型反演得到校正模型中的三角形块体参数和节理面参数；

S4，利用UDEC建立大尺寸的与现场工作面开采规模一致的数值模型，限定研究区域，在研究区域内利用Trigon模块划分成为三角形块体，三角形块体的边长的平均值以及与三角形块体参数与第三步中校正模型中相同；在研究区域以外的区域划分为长度逐渐增大的矩形块体；以步骤S1中观测得到巷道围岩变形特征和裂隙分布规律为已知状态，反演得到大模型中矩形块体的力学参数。

2.根据权利要求1所述的一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法，其特征在于，步骤S3中，反演校正模型中的三角形块体参数和节理面参数，包括三角形块体尺寸、弹性模量和节理面的法向刚度、切向刚度、内聚力、内摩擦角、抗拉强度，具体的反演方法是：

a)分别建立宽高为2m×4m的矩形和直径为2m的圆形校正模型，确保三角形块体的边长的平均值与现场统计的裂隙长度相一致；

b)设置模型中三角形块体的弹性模量与公式(II)计算得到的岩体的弹性模量相同；

c)三角形块体之间节理面的法向刚度Kn根据公式(IV)进行推导，切向刚度Ks与Kn的比值为0.2，泊松比μ根据Ks/Kn的变化确定；公式(IV)的具体表达式为：

式中，K和G分别为三角形块体的体积模量和剪切模量，GPa，根据K＝E/3(1-2μ)和G＝E/2(1+μ)来计算，其中μ是块体的泊松比；E是块体的弹性模量，GPa；ΔZmin是相邻单元在垂直方向的最小宽度，m；n取10；

d)利用校正模型进行多次单轴压缩和巴西劈裂实验，得到全程应力应变曲线，采用迭代试错的方法使模拟得到的力学参数与步骤S2中计算得到的岩体的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量相匹配，最终反演出模型的节理面的内聚力、内摩擦角和抗拉强度。

3.根据权利要求2所述的一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法，其特征在于，步骤S1中，RQD是岩石质量指标，具体表达式为：

式中，l为10cm以上含10cm的岩芯累计长度，m；L为钻孔总长度。

4.根据权利要求1所述的一种模拟巷道围岩裂隙演化的离散元方法，其特征在于，步骤S2中，岩体的单轴抗压强度和岩块单轴抗压强度之间的函数关系，具体表达式为：

式中，σ_cm和σ_c分别为岩体和岩块试样的单轴抗压强度，MPa；m取值为0.63。