[发明专利]一种基于随机多边形的三维覆岩垮落数值模拟方法

说明书

本发明属于采煤技术领域，具体为一种基于随机多边体的三维覆岩垮落数值模拟方法，解决了背景技术中的技术问题，其包括首先根据采场覆岩空间变形、破断特征将采场划分为弯曲变形区、裂隙发育区以及破断运移区；其次将弯曲变形区采用连续单元划分，将裂隙发育区和破断运移区采用随机多边体单元，从而在实现采场变形、破断过程的同时最大程度的降低计算时间。通过本发明能够真实直观的显示采场覆岩三维破断运移规律及采场矿压显现特征，从而揭示采场矿压显现机理，从而在实现采场变形、破断过程的同时最大程度的降低计算时间。

技术领域

本发明属于采煤技术领域，涉及采空区覆岩破断过程，具体为一种基于随机多边体的三维覆岩垮落数值模拟方法。

背景技术

煤矿开采后上采空区覆岩层发生破断运移、采场应力重新分布，在这个过程中工作面可能出现强矿压现象。然而，采空区覆岩破断、运动的动态演化过程是无法直接显示的“黑箱子”，现有方法难以准确掌握切顶后覆岩三维破断运移规律与采场矿压显现特征的内在联系机制，不能从采场三维破断特征的角度揭示采场矿压显现机理。因此目前急需一种能够直观显示采场覆岩三维破断运移规律及采场矿压显现特征的方法。为此本发明提出一种基于随机多边体的三维覆岩垮落数值模拟方法，该方法真实直观的显示采场覆岩三维破断运移规律及采场矿压显现特征。

发明内容

本发明旨在解决现有方法难以准确掌握切顶后覆岩三维破断运移规律与采场矿压显现特征的内在联系机制的技术问题，提供了一种基于随机多边体的三维覆岩垮落数值模拟方法；能够真实直观的显示采场覆岩三维破断运移规律及采场矿压显现特征，从而揭示采场矿压显现机理。

本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种基于随机多边体的三维覆岩垮落数值模拟方法，首先根据采场覆岩空间变形、破断特征将采场划分为弯曲变形区、裂隙发育区以及破断运移区；其次将弯曲变形区采用连续单元划分，将裂隙发育区和破断运移区采用随机多边体单元，从而在实现采场变形、破断过程的同时最大程度的降低计算时间；具体包括以下步骤：

a、假设对上覆岩层进行两次垂直剖切，得到两个剖切面，设两个剖切面相互垂直且分别为I-I剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面，以I-I剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面的交线为对称线分别在I-I剖面上划分出正置且下底角为α₁的第一梯形、在Ⅱ-Ⅱ剖面划分出正置且下底角为α₂的第一梯形，I-I剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面上的第一梯形高度均为H₁且底边位于同一平面上，以I-I剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面上的第一梯形以及高度H₁构建第一棱台，且第一棱台位于上覆岩层的煤层之上，将第一棱台所在区域划分为上覆岩层的破断运移区；

b、在第一棱台的上表面采用增添法生成m个泰森多边形；

c、采用聚能函数对步骤b中的泰森多边形执行p次质心化调整；

d、将步骤c中调整后的泰森多边形映射到第一棱台的下表面；

e、以第一棱台的上表面和下表面的泰森多边形以及第一棱台的四条侧棱为约束，自上而下映射拉伸形成泰森多边体；

f、采用破断运移区内的岩层交界面切割步骤e中形成的泰森多边体；

g、采用网格尺寸为q₁的六面体或者三棱柱对步骤f处理之后的泰森多边体进行网格划分；

h、以I-I剖面上的第一梯形的下底边为上底边在I-I剖面上划分出倒置且下底角为β₁的第二梯形，以Ⅱ-Ⅱ剖面上的第一梯形的下底边为上底边在I-I剖面上划分出倒置且下底角为β₂的第二梯形，I-I剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面上的第二梯形高度均为H₂，且H₂H₁，以I-I剖面和Ⅱ-Ⅱ剖面上的第二梯形以及高度H₂构建第二棱台，将第二棱台除去第一棱台后的区域划分为上覆岩层的裂隙发育区；