一種深部高應(yīng)力巷道鉆孔卸壓參數(shù)的數(shù)值模擬確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及深部巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移及圍巖變形控制數(shù)值模擬的分析領(lǐng)域，具體為 尤其是一種考慮圍巖峰后強(qiáng)度參數(shù)衰減影響的深部巷道應(yīng)力轉(zhuǎn)移及圍巖變形控制的數(shù)值 模擬確定鉆孔卸壓參數(shù)的分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，我國(guó)煤炭資源需求量及開采強(qiáng)度的增加，導(dǎo)致淺部煤炭資源日益枯竭，許 多礦區(qū)已相繼轉(zhuǎn)入深部開采階段。進(jìn)入深部開采后，煤巖體的組織結(jié)構(gòu)、基本行為特征和工 程響應(yīng)均發(fā)生了根本性變化，巷道掘出后圍巖易表現(xiàn)出軟巖力學(xué)特征，碎脹、擴(kuò)容等大變形 現(xiàn)象嚴(yán)重，巷道維護(hù)效果極差，嚴(yán)重制約了深部煤炭資源的安全高效生產(chǎn)。
[0003] 鉆孔卸壓技術(shù)通過(guò)人為鉆孔的方法在巷道淺部圍巖內(nèi)部形成一個(gè)弱化區(qū)，將其周 邊高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至深部穩(wěn)定圍巖中，同時(shí)為圍巖膨脹變形提供補(bǔ)償空間，減小巷道變形。作為 巷內(nèi)應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)的一種，鉆孔卸壓技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、施工速度快、工程量小等優(yōu)點(diǎn)，但 制約該技術(shù)推廣應(yīng)用的主要原因是鉆孔卸壓參數(shù)的確定，目前對(duì)于鉆孔卸壓參數(shù)的設(shè)計(jì)多 是參考一些經(jīng)驗(yàn)，忽略了鉆孔對(duì)開挖卸荷后煤巖體的再次擾動(dòng)及弱化效應(yīng)，導(dǎo)致巷道冒頂、 片幫事故時(shí)常發(fā)生?？偨Y(jié)鉆孔卸壓參數(shù)設(shè)計(jì)主要存在的問(wèn)題有：
[0004] 1)采用數(shù)值模擬確定鉆孔卸壓參數(shù)時(shí)，對(duì)深部巷道圍巖強(qiáng)度衰減規(guī)律認(rèn)識(shí)不足， 很少考慮巖石峰后強(qiáng)度參數(shù)的衰減過(guò)程，或?qū)⒎搴笏p過(guò)程做簡(jiǎn)單的線性簡(jiǎn)化，二者均與 實(shí)際情況偏差較大，缺少室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)工程巖體參數(shù)的反演與校驗(yàn)過(guò)程，導(dǎo)致巖體參數(shù) 的選取具有一定的盲目性，影響了運(yùn)算結(jié)果的輸出；
[0005] 2)設(shè)計(jì)鉆孔卸壓參數(shù)時(shí)，僅考慮了直徑、長(zhǎng)度等常規(guī)參數(shù)，忽略了鉆孔直徑與間排 距的相互作用關(guān)系，且對(duì)于其它一些影響卸壓效果的鉆孔參數(shù)(如卸壓時(shí)機(jī)、方位等)并未 全局考慮，導(dǎo)致鉆孔卸壓參數(shù)的確定無(wú)法形成完整的技術(shù)體系，制約了鉆孔卸壓技術(shù)的推 廣應(yīng)用。
[0006] 因此，提供一種能夠能夠?yàn)榭朔鲜霈F(xiàn)有技術(shù)中的不足而通過(guò)數(shù)據(jù)模擬確定鉆孔 卸壓參數(shù)的設(shè)及提供正確而準(zhǔn)確的分析方法，從而為鉆孔卸壓參數(shù)的設(shè)定提供精準(zhǔn)保障， 已經(jīng)是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種深部高應(yīng)力巷道鉆孔卸壓參數(shù) 確定的數(shù)值模擬方法。
[000引本發(fā)明技術(shù)解決方案：
[0009] 深部高應(yīng)力巷道鉆孔卸壓參數(shù)的數(shù)值模擬確定方法，包括W下步驟：
[0010] 步驟1)在工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研階段:對(duì)試驗(yàn)巷道進(jìn)行①圍巖變形破壞特征實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和② 完整巖樣取忍兩項(xiàng)工作;工作①分別監(jiān)測(cè)巷道不同深度處圍巖位移變化規(guī)律、應(yīng)力演化規(guī) 律、支護(hù)體受力變化規(guī)律及圍巖節(jié)理裂隙、破裂區(qū)的擴(kuò)展演化規(guī)律等內(nèi)容，工作②采用取忍 鉆對(duì)試驗(yàn)巷道完整巖樣進(jìn)行取忍；
[0011]步驟2)對(duì)步驟1)所取巖樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室加卸載試驗(yàn):將巖樣加載至至峰后應(yīng)變軟化 段設(shè)計(jì)目標(biāo)點(diǎn)后卸載，獲取不同損傷程度的初始損傷巖樣，測(cè)定初始損傷巖樣的力學(xué)參數(shù)， 擬合得到初始損傷巖樣力學(xué)參數(shù)與損傷變量的函數(shù)關(guān)系，建立深部巷道圍巖強(qiáng)度衰減模 型；
[0012]步驟3)采用FI細(xì)編程語(yǔ)言對(duì)FLAC3d軟件進(jìn)行二次開發(fā):將步驟2)獲得的圍巖強(qiáng)度 衰減模型嵌入軟件內(nèi)置應(yīng)變軟化本構(gòu)關(guān)系中；建立深部巷道開挖數(shù)值計(jì)算模型，W步驟1) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得的真實(shí)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律作為已知特征值，反演得到巖體的數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)；
[0013] 步驟4)建立深部巷道鉆孔卸壓數(shù)值計(jì)算模型:采用步驟3)獲得的巖體參數(shù)對(duì)模型 賦參，通過(guò)改變卸壓鉆孔開挖方位、開挖時(shí)間、開挖尺寸及開挖密度等工程施工參數(shù)，分析 各工況下深部巷道圍巖應(yīng)力演化規(guī)律及變形破壞特征，選擇合理的指標(biāo)評(píng)價(jià)巷道的卸壓程 度，提出巷道鉆孔卸壓參數(shù)的確定方法；
[0014] 步驟5)采用步驟4)確定的鉆孔參數(shù):對(duì)試驗(yàn)巷道進(jìn)行工程應(yīng)用，驗(yàn)證鉆孔卸壓參 數(shù)確定方法的合理性。
[0015] 所述的步驟1)主要監(jiān)測(cè)設(shè)備及監(jiān)測(cè)內(nèi)容如下：
[0016] a)采取布置巷道表面位移測(cè)站和多基點(diǎn)位移計(jì)的方法，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)巷道不同深度處 圍巖位移變化規(guī)律；
[0017] b)采用安設(shè)鉆孔測(cè)力計(jì)的方法，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)巷道開挖后圍巖應(yīng)力演化規(guī)律；
[0018] C)采用安設(shè)壓力測(cè)試裝置的方法，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)巷道支護(hù)體受力變化規(guī)律；
[0019] d)采用電磁福射、地質(zhì)雷達(dá)、鉆孔窺視儀等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器監(jiān)測(cè)頂板和兩幫節(jié)理、裂 隙、破裂區(qū)的擴(kuò)展演化規(guī)律。
[0020] 所述的步驟2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室加卸載試驗(yàn)獲取損傷變量與損傷巖樣力學(xué)參數(shù)函數(shù)關(guān) 系的方法，具體如下：
[0021] 步驟a)在工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研階段，對(duì)試驗(yàn)巷道完整巖樣進(jìn)行取忍，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)先進(jìn)行 單軸、S軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)定巖樣的峰值強(qiáng)度01、軸向應(yīng)變?chǔ)纽杉碍h(huán)向應(yīng)變63,擬合得到01與圍壓 化的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則:〇ι = Α〇3+Β，式中A和Β均為強(qiáng)度準(zhǔn)則參數(shù)，計(jì)算 式分別為
計(jì)算得到巖樣的內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角P ;
[0022] 步驟b)W步驟a)獲得的相應(yīng)圍壓下(巷道真實(shí)應(yīng)力環(huán)境)巖樣峰值強(qiáng)度σι的70%- 80 %作為卸圍壓點(diǎn)，將完整巖樣加載至該點(diǎn)時(shí)卸除圍壓〇3,繼續(xù)加載〇1，設(shè)計(jì)9個(gè)目標(biāo)卸載 點(diǎn)，分別由σ 1的9 0 %逐級(jí)遞減至10 %，加載至目標(biāo)卸載點(diǎn)后進(jìn)行卸載，現(xiàn)憶卸載點(diǎn)巖樣的軸 向應(yīng)變?chǔ)?和環(huán)向應(yīng)變63,獲取不同損傷程度的初始損傷巖樣；
[0023] 步驟C)采用單塊法測(cè)定初始損傷巖樣的力學(xué)參數(shù)，圍壓03等級(jí)為5MPa，逐級(jí)遞增 至巷道實(shí)際受力狀態(tài)，測(cè)定初始損傷巖樣不同03等級(jí)下的峰值強(qiáng)度01，擬合得到01與03的函 數(shù)關(guān)系，W步驟a)中Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則表達(dá)式，計(jì)算得到初始損傷巖樣的內(nèi)聚力C和內(nèi) 摩擦角φ ;
[0024] 步驟d)選取塑性剪切應(yīng)變丫 Ρ作為損傷變量，由下式丫 ρ= I ε廣ε31計(jì)算得到初始損 傷巖樣的塑性剪切應(yīng)變，結(jié)合步驟a)和步驟C)試驗(yàn)結(jié)果，擬合得到丫 Ρ和C、則'司的函數(shù)關(guān) 系，建立深部巷道圍巖強(qiáng)度衰減模型。
[0025] 所述的步驟3)反演巖體數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)的方法，具體如下：
[0026] e)步驟d)將圍巖強(qiáng)度衰減模型中丫 P與化AC3d應(yīng)變軟化本構(gòu)模型的參數(shù)Eps按式
，Φ為巖樣剪脹角，得到ePs、c和Ψ 表示的深部巷道圍巖強(qiáng)度衰減模型；
[0027] 步驟f)采用FLAC3d內(nèi)置FI甜編程語(yǔ)言將步驟e)替換推導(dǎo)得到的圍度衰減模型編 寫成運(yùn)算代碼，嵌入軟件內(nèi)置應(yīng)變軟化模型中，數(shù)值模擬過(guò)程直接調(diào)用二次開發(fā)后的應(yīng)變 軟化模型；
[00%]步驟g)建立單位尺寸（ImXlmXlm)的FLAC3d運(yùn)算模型，按模型按步驟a)獲得的巖 樣參數(shù)賦參，模型下邊界設(shè)置位移約束，水平方向施加載荷模擬圍壓，圍壓等級(jí)與室內(nèi)試驗(yàn) 時(shí)相同，輸出模型的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，校驗(yàn)圍步驟d)巖強(qiáng)度衰減模 型的合理性，校驗(yàn)無(wú)誤后繼續(xù)步驟h:;
[0029] 步驟h)建立深部巷道開挖數(shù)值計(jì)算模型，模型側(cè)邊界及底邊界位移固定，按試驗(yàn) 巷道真實(shí)應(yīng)力環(huán)境施加應(yīng)力邊界條件，按照按照步驟a)獲得的巖樣參數(shù)進(jìn)行初始賦參，開 挖相同斷面尺寸的巷道，運(yùn)算平衡后輸出巷道圍巖塑性區(qū)及位移數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn) 行比較，若不吻合，采用迭代法逐步修正初始賦參，直至二者基本吻合為止，此時(shí)輸出的圍 巖力學(xué)參數(shù)即為校驗(yàn)獲取的巖體數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)。
[0030] 所述的步驟4)提出深部巷道鉆孔卸壓參數(shù)的確定方法，具體如下：
[0031] 采用分類法建立巧巾不同的深部巷道鉆孔卸壓數(shù)值計(jì)算模型：1相同直徑不同方位 和II相同方位不同直徑，模型I用W確定卸壓鉆孔方位，模型II用W確定開挖時(shí)間、開挖尺 寸及開挖密度，模型側(cè)邊界及底邊界位移固定，巷道開挖尺寸與現(xiàn)場(chǎng)一致，采用反演得到巖 體參數(shù)對(duì)模型賦參；
[0032] i)對(duì)模型I分別施加靜水應(yīng)力場(chǎng)、垂直應(yīng)力場(chǎng)和水平應(yīng)力場(chǎng)3種應(yīng)力邊界條件，并 對(duì)不同應(yīng)力環(huán)境下巷道開挖不同方位的卸壓鉆孔，即巷