一种用于数值模拟的等效载荷施加方法

本发明涉及一种用于数值模拟的等效载荷施加方法，属于岩土工程与采矿工程的仿真模拟。

背景技术：

1、随着计算机技术和数值仿真技术的快速发展，数值模拟正成为现代工程分析和理论研究不可替代的方法。鉴于尺寸较大的数值模型运算时间较长，所以在建立模型时往往不将其建至地表，而是将模型顶部到地表之间这部分地层对模型的影响采用施加等效载荷的处理方法。

2、该处理方法通过模型到地表的平均距离计算这部分地层产生的自重应力后，将该应力直接施加到模型顶部，此时模型顶部区域所受的应力值相同。但对于地表起伏变化较大的区域，采用上述方法显然过于粗糙，无法体现起伏地表对模型的影响，降低了数值模拟结果的可靠性。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于数值模拟的等效载荷施加方法，该方法适用于地表起伏变化较大的区域，能够体现起伏地表对模型的影响，提高数值模拟结果的可靠性。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于数值模拟的等效载荷施加方法，包括如下步骤：

3、(1)根据矿井的地质条件和开采情况确定所研究的区域，针对其煤系特征建立数值模型并完成模型网格的划分；根据实验室内测得的煤岩体物理力学性质确定模型的材料参数；

4、(2)根据步骤(1)中划分的模型网格，获得模型顶部网格的数量及各网格的尺寸；同时，提取模型顶部各网格中心点的坐标；

5、(3)采集位于模型顶部上方的相应地表的高程数据，并将所述高程数据转化为三维坐标的形式；

6、(4)将步骤(3)中得到的高程三维坐标导入具有插值功能的软件中进行网格数据化，得到地表网格；设置地表网格的几何参数，包括其分别在x、y方向的最大值和最小值、网格的数量和各网格的边长、节点个数，保证所述几何参数与模型顶部网格相一致，实现与模型顶部网格节点的一一对应；

7、(5)将地表网格中所划分的各网格中心的z’ij坐标减去与其相对应的模型顶部网格中心的zij坐标，得到模型顶部各网格与其上方地表之间的地层厚度hij，继而得到模型顶部各网格上覆岩层产生的自重应力σij；其中，i表示第i行网格，j表示第j列网格；

8、(6)通过模拟软件内置的函数语言，将步骤(5)中求解的自重应力σij等效施加至模型顶部各相应的网格上。

9、进一步地，所述步骤(1)中，煤岩体物理力学性质包括煤岩体密度、剪切模量、体积模量、内聚力、内摩擦角和抗拉强度。

10、进一步地，所述步骤(1)中，模型网格的划分方式为等尺寸网格划分，即所划分的各网格为等边长的正方形网格。

11、进一步地，所述步骤(1)中，模型网格的划分方式为不等尺寸网格划分，所述的不等尺寸网格具体是指模型顶部各网格依然为等尺寸的正方形网格；除模型顶部各网格之外的模型其他部分的网格则根据距离重点研究区域的远近，其网格尺寸发生变化，即靠近重点研究区域的网格尺寸小于远离重点研究领域内的网格尺寸。

12、进一步地，所述步骤(3)中，采集地表高程数据的方法有两种：一种是根据三维井上、井下对照图，利用cad中的list命令提取所研究区域对应的地表等高线坐标；另一种是选取所研究区域附近的多个钻孔柱状图，利用图中记录的地表高程坐标，采用插值的方式获得区域内的地表高程数据。

13、进一步地，所述步骤(5)中，自重应力σij的计算公式为σij＝ρghij，式中，式中ρ为上覆岩层的平均密度，g为重力加速度。

14、进一步地，数值模型的模拟方法为flac3d、flac2d、udec、3dec、pfc有限元或者离散元分析方法中的一种。

15、本发明通过对建立的数值模型进行模型网格划分，并获得模型顶部网格的数量及各网格尺寸，提取模型顶部各网格中心点的坐标；然后采集采集位于模型顶部上方的相应地表的高程数据并将其进行网格数据化，得到地表网格，通过设置地表网格的几何参数，实现地表网格与模型顶部网格节点的一一对应，得到模型顶部各网格与其上方地表之间的地层厚度，并通过公式计算出模型顶部各网格上覆岩层产生的自重应力，最后将求解的自重应力等效施加至模型顶部各相应的网格上。本发明相对于现有技术，实现了对模型顶部的精细化非均匀的等效载荷施加，充分体现了起伏地表对于模型的影响，大大提高了数值模拟结果的可靠性，且可操作性强。

技术特征：

1.一种用于数值模拟的等效载荷施加方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于数值模拟的等效载荷施加方法，其特征在于，所述步骤(1)中，煤岩体物理力学性质包括煤岩体密度、剪切模量、体积模量、内聚力、内摩擦角和抗拉强度。

3.根据权利要求1所述的一种用于数值模拟的等效载荷施加方法，其特征在于，所述步骤(1)中，模型网格的划分方式为等尺寸网格划分，即所划分的各网格为等边长的正方形网格。

4.根据权利要求1所述的一种用于数值模拟的等效载荷施加方法，其特征在于，所述步骤(1)中，模型网格的划分方式为不等尺寸网格划分，所述的不等尺寸网格具体是指模型顶部各网格依然为等尺寸的正方形网格；除模型顶部各网格之外的模型其他部分的网格则根据距离重点研究区域的远近，其网格尺寸发生变化，即靠近重点研究区域的网格尺寸小于远离重点研究领域内的网格尺寸。

5.根据权利要求1所述的一种用于数值模拟的等效载荷施加方法，其特征在于，所述步骤(3)中，采集地表高程数据的方法有两种：一种是根据三维井上、井下对照图，利用cad中的list命令提取所研究区域对应的地表等高线坐标；另一种是选取所研究区域附近的多个钻孔柱状图，利用图中记录的地表高程坐标，采用插值的方式获得区域内的地表高程数据。

6.根据权利要求1所述的一种用于数值模拟的等效载荷施加方法，其特征在于，所述步骤(5)中，自重应力σij的计算公式为σij＝ρghij，式中，式中ρ为上覆岩层的平均密度，g为重力加速度。

7.根据权利要求1所述的一种用于数值模拟的等效载荷施加方法，其特征在于，数值模型的模拟方法为flac3d、flac2d、udec、3dec、pfc有限元或者离散元分析方法中的一种。

技术总结
一种用于数值模拟的等效载荷施加方法，通过对建立的数值模型进行模型网格划分，并获得模型顶部网格的数量及各网格尺寸，提取模型顶部各网格中心点的坐标；然后采集位于模型顶部上方的相应地表的高程数据并将其进行网格数据化，得到地表网格，通过设置地表网格的几何参数，实现地表网格与模型顶部网格节点的一一对应，得到模型顶部各网格与其上方地表之间的地层厚度，并通过公式计算出模型顶部各网格上覆岩层产生的自重应力，最后将求解的自重应力等效施加至模型顶部各相应的网格上。本发明实现了对模型顶部的精细化非均匀的等效载荷施加，充分体现了起伏地表对于模型的影响，大大提高了数值模拟结果的可靠性，可操作性强。

技术研发人员：张汝佩,巩思园,李慧,田鑫元,陆强,蔡武
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11