巷道主被动协同支护应力场构建及稳定性评价方法和系统

本发明属于煤矿巷道支护与围岩稳定性控制，具体涉及一种巷道主被动协同支护应力场构建及稳定性评价方法和系统。

背景技术：

1、随着煤矿开采深度不断增加，煤矿巷道围岩条件日趋复杂，深部开采环境呈现出典型的“三高一扰动”特征，即高地应力、高地温、高渗透压与强开采扰动相互叠加，导致巷道围岩力学行为发生根本性转变，由浅部的连续、线性、静载控制模式演变为深部的非连续、非线性、强动载演化模式。在此背景下，深部巷道围岩控制已成为制约煤炭安全高效开采的瓶颈问题。

2、以某煤矿s2s5综放工作面回风顺槽为例，该巷道掘进长度为2229m，埋深变化于-437m至-627m之间，已处于典型深部开采范畴，地质条件异常复杂。在应力环境层面，区域构造应力场与采动应力场相互叠加，形成了极高的地应力环境；在构造条件层面，巷道穿越多条断层构造带，岩体完整性遭到破坏，节理裂隙高度发育；在围岩性质层面，顶板为软弱、易风化、遇水易泥化的油页岩，自稳能力差，底板岩层遇水易发生显著膨胀变形，引发强烈底鼓。同时，该巷道设计服务年限长达5年，需长期承受工作面回采超前支承压力及邻近工作面采动扰动的影响，对支护的长期稳定性提出了更高要求。

3、目前，该煤矿采用了“锚杆+锚索+金属棚+木垛+喷浆”的复合支护形式，试图通过多种构件组合提升支护强度。按其作用机理，上述支护构件可分为两类：锚杆和锚索通过施加预紧力主动挤压围岩、改善围岩受力状态，构成主动支护；u型棚支架通过被动承载限制围岩变形，构成被动支护。尽管复合支护的工程实践已广泛开展，但相应的理论分析方法仍存在一系列不足。

4、首先，现有研究多关注锚杆（索）单独作用下的附加应力场分布，或仅评价支护后的位移和塑性区变化，未能将主动支护附加应力场、被动支护承载应力场和原岩地应力场统一纳入同一分析框架，难以揭示主动支护与被动支护的协同作用机制。特别是，现有耦合方法多采用简单代数叠加，未考虑主动支护与被动支护之间的相互作用效应，即主动支护约束围岩变形后增强了被动支护的接触效果，而被动支护限制表面位移后改善了锚杆的锚固性能，这种相互作用对应力场分布具有显著影响。其次，现有支护效果评价方法多采用位移、塑性区面积等宏观指标进行定性比较，缺乏能够直接量化支护对围岩应力重分布调控作用的定量指标，尤其是对主动支护与被动支护各自贡献的定量分离尚无成熟方法；同时，现有方法缺少基于评价结果的支护参数反馈优化环节，无法实现支护设计的闭环优化。再者，现有理论计算方法与数值模拟方法多独立使用，未形成理论应力场计算与数值模拟耦合的协同分析方法，理论计算虽可获得解析解但难以处理复杂边界条件，数值模拟虽可处理复杂条件但难以分离各支护构件的应力贡献。此外，现有支护应力场分析方法基本为静态分析，未考虑围岩流变时效特性对支护应力场的影响，而深部软岩巷道围岩具有显著的时效变形特征，主动支护预紧力随时间衰减、被动支护接触应力随围岩流变变形增长，若不考虑时效演化过程，将导致支护设计偏于不安全。

5、除上述方法层面的不足外，深部软岩巷道还存在一个更深层的机理瓶颈：支护结构与深部碎裂围岩的协同承载机制不清，锚固系统难以形成有效的“厚层”连续承载体，支护刚度与强度在时空分布上未能与围岩损伤演化及应力重分布相匹配，导致围岩变形得不到有效抑制，工程中常常出现锚杆（索）破断、金属棚架扭曲变形、喷层大面积开裂剥落等现象。

6、因此，亟需提供一种能够将主动支护附加应力场、被动支护承载应力场和原岩地应力场统一纳入含相互作用项的同一协同分析框架，明确复合顶板分层标准与扩散参数求解算法，引入支护参数反馈优化环节，并考虑支护应力场时效演化过程的协同动态分析方法。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种巷道主被动协同支护应力场构建及稳定性评价方法和系统，该方法能实现主动—被动协同支护应力场的精确构建与全生命周期动态优化；该系统能自动完成巷道建模、应力场构建、指标评价、参数优化与时变管理的全流程作业，为深部巷道支护设计与动态决策提供高效、可复用的技术支撑。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种巷道主被动协同支护应力场构建及稳定性评价方法，包括以下步骤：

3、步骤1：建立煤矿巷道三维数值模型；获取现场岩层地质参数和岩石力学参数，利用flac3d数值模拟软件建立煤矿巷道三维数值模型；

4、步骤2：施加原岩地应力并获得初始应力场；根据巷道埋深、上覆岩层平均重力密度和侧压系数，在数值模型上施加原岩地应力，运算至初始平衡状态，获得原岩应力场；

5、步骤3：模拟无支护开挖并获得无支护应力场；在步骤2的基础上模拟巷道开挖，在无支护条件下运算至平衡，获得无支护应力场；

6、步骤4：建立被动支护模型并获得被动承载应力场；在巷道周围布置u型棚支架，通过flac3d数值模拟分别计算开挖有u型棚支护与开挖无支护条件下的围岩应力场，将两者逐单元求差，获得被动承载应力场；

7、步骤5：建立主动支护模型并获得主动附加应力场；基于love弹性解计算托盘预紧力在围岩中产生的附加应力，基于mindlin解计算锚固段黏锚力在围岩中产生的附加应力，叠加获得主动附加应力场；对于复合顶板条件，明确两层围岩的划分标准并给出扩散参数的联立求解算法；

8、步骤6：建立协同支护模型并获得协同支护应力场；在巷道围岩中同时布置锚杆和锚索主动支护和u型棚被动支护，通过flac3d数值模拟获得协同支护应力场；

9、步骤7：确定支护增量应力场；将协同支护应力场直接作为支护增量应力场；

10、步骤8：计算协同支护评价指标；提取巷道围岩位移、塑性区分布、应力增量及应力场体积指标，计算主动贡献率、被动贡献率和协同指数等定量评价指标；

11、步骤9：评价支护效果；根据支护增量应力场的等效应力体积加权平均值、主动贡献率、被动贡献率、协同指数、位移改善率、塑性区改善率及支护应力场影响体积，综合评价主动—被动协同支护效果。

12、作为一种优选，还包括：

13、步骤10：支护参数反馈优化；根据评价结果反馈优化支护参数，通过闭环迭代实现支护设计的持续改进；

14、步骤11：引入围岩流变模型进行时变分析；在不同时间节点分别计算开挖有协同支护与开挖无支护条件下的围岩应力场并求差，建立时变协同支护应力场，根据时效演化对支护应力场进行动态监测与调整。

15、作为一种优选，在步骤1中，建立煤矿巷道三维数值模型的过程如下：

16、s11：获取基础参数；获取巷道断面尺寸、埋深、岩层柱状图及各岩层物理力学参数；

17、s12：建立数值模型；采用mohr-coulomb本构模型描述围岩力学行为；模型边界采用位移约束，底部固定，四周限制水平位移，顶部施加覆岩自重应力；模型范围根据巷道断面宽度和高度确定；在巷道近场区域采用较细网格，远场区域采用较粗网格，兼顾计算精度与计算效率。

18、作为一种优选，在步骤2中，施加原岩地应力并获得初始应力场的过程如下：

19、s21：计算地应力分量；根据巷道埋深和上覆岩层平均重力密度计算竖向地应力；根据侧压系数计算水平地应力；s22：施加地应力并平衡；在模型边界分别施加竖向和水平方向地应力，运算至初始平衡状态，获得原岩应力场；

20、在步骤3中，模拟无支护开挖并获得无支护应力场的过程如下：

21、s31：模拟开挖；删除巷道开挖范围内的岩体单元，设置模型在无支护条件下重新运算至平衡状态，获得开挖后围岩各单元的应力分布；

22、s32：提取无支护应力场；提取平衡后巷道围岩各网格单元的应力分量，构成无支护应力场。

23、作为一种优选，在步骤4中，建立被动支护模型并获得被动承载应力场的过程如下：

24、s41：建立u型棚结构模型；根据u型棚支架的截面尺寸、间距和材料参数建立u型棚结构模型；采用flac3d中的梁结构单元模拟u型棚支架，赋予支架弹性模量、截面面积和惯性矩参数；在巷道开挖后安装u型棚支架，使支架与围岩表面接触良好，运算至平衡；

25、s42：计算被动承载应力场；提取开挖有u型棚支护条件下围岩各网格单元的应力分量，同时提取步骤3中开挖无支护条件下围岩各网格单元的应力分量；将两者逐单元求差，获得被动承载应力场，并导入origin软件进行可视化显示。

26、作为一种优选，在步骤5中，建立主动支护模型并获得主动附加应力场的过程如下：

27、s51：确定锚杆和锚索的布置方案及预紧力参数；在巷道围岩中布置锚杆和锚索并施加预紧力；获取锚杆和锚索的长度、自由段长度、锚固段长度、预紧力、托盘边长、钻孔直径及锚杆直径；

28、s52：计算托盘预紧力附加应力；将锚杆托盘预紧力等效为作用于围岩表面的均布面载荷，其中为均布面载荷；基于love弹性解计算托盘在第一层围岩中产生的附加压应力，以及在第二层围岩中产生的附加压应力；引入扩散参数和，其中为第一层围岩的应力扩散参数，为第二层围岩的应力扩散参数；

29、s53：计算锚固段黏锚力附加应力；将锚固段界面剪应力等效为围岩内部界面剪应力集中载荷，基于mindlin解计算锚固段黏锚力在围岩中产生的附加压应力；

30、s54：叠加获得主动附加应力场；叠加托盘附加应力与锚固段附加应力，获得单根锚杆的附加应力场；再根据锚杆和锚索的布置方案进行空间叠加，获得主动附加应力场，其中为全部锚杆产生的附加应力场叠加结果，为全部锚索产生的附加应力场叠加结果。

31、作为一种优选，在步骤6中，建立协同支护模型并获得协同支护应力场的过程如下：

32、s61：建立协同支护模型；在数值模型中同时布置锚杆和锚索主动支护和u型棚被动支护，运算至平衡；

33、s62：计算协同支护应力场；通过flac3d数值模拟分别提取开挖有协同支护条件下围岩各网格单元的应力分量，以及步骤3中开挖无支护条件下围岩各网格单元的应力分量；将两者逐单元求差，获得协同支护应力场,并导入origin软件进行可视化显示，实现理论应力场计算与数值模拟的耦合。

34、作为一种优选，在步骤8中，计算协同支护评价指标的过程如下：

35、s81：定义指标量提取方法；采用等效应力作为各应力场的标量代表值，对每个单元计算von mises等效应力，其中、、为单元三个主应力；以支护增量应力场各单元等效应力的体积加权平均值作为评价用标量，同理获得和；

36、s82：定义主动贡献率；构建反映主动支护在总支护应力中占比的主动贡献率；

37、s83：定义被动贡献率；构建反映被动支护在总支护应力中占比的被动贡献率；

38、s84：定义协同指数；构建反映主动支护与被动支护协同增效程度的协同指数；当时表示协同增强，当时表示协同减弱；

39、s85：定义位移改善率；构建位移改善率，其中为无支护最大位移，为支护后最大位移，单位均为米，无量纲；

40、s86：定义塑性区改善率；塑性区改善率，其中为无支护塑性区体积，为支护后塑性区体积；

41、s87：定义支护应力场影响体积；支护应力场影响体积为满足单元等效应力的空间区域体积，即，其中为满足的空间区域，为设定的应力阈值。

42、作为一种优选，在步骤9中，评价支护效果的过程如下：

43、根据巷道围岩稳定性控制要求或安全规程预先确定不小于零的预设有效支护应力阈值；

44、将支护增量应力场的等效应力体积加权平均值、主动贡献率、被动贡献率和协同指数作为评价指标，判断支护结构对围岩应力重分布的调控程度以及主动与被动支护的协同效果；当支护增量应力场的等效应力体积加权平均值，且协同指数时，判定协同支护使围岩应力状态得到有效改善，主动支护与被动支护形成增强型协同效应；当时，判定主动支护与被动支护未形成有效的协同增强效应，存在应力场相互抵消或重叠不足的问题；当时，判定支护增量应力未达到有效调控围岩应力状态的水平，需要进一步提高支护强度。

45、本发明提供一种煤矿巷道主动—被动协同支护应力场构建及稳定性评价方法，具有如下技术优点：

46、1、建立了主动—被动协同支护应力场的统一构建与分离框架。以原岩地应力场为基准，将主动支护附加应力场（love解、mindlin解理论计算）、被动承载应力场（flac3d差值获得）和协同支护应力场（flac3d差值获得）纳入同一框架，通过“开挖有支护与开挖无支护”的应力场逐单元求差，实现主动支护、被动支护及主动—被动相互作用贡献的定量分离与综合评价，突破了现有研究仅关注单一支护构件应力场或采用简单代数叠加的局限。

47、2、以支护增量应力场为核心指标，直接量化了支护调控作用。将协同支护应力场直接作为支护增量应力场（），该差值在计算上由“有支护−无支护”直接获得，无需单独计算相互作用应力项，却天然包含了主动—被动相互作用效应，直接反映支护结构对围岩应力重分布的调控作用，避免了传统方法仅通过位移和塑性区间接评价支护效果的不足。

48、3、建立了多指标定量评价体系，实现了协同效果的客观评判。先对张量应力场作von mises等效应力的体积加权平均标量化处理，再构建主动贡献率、被动贡献率、协同指数以及位移改善率、塑性区改善率、支护应力场影响体积等指标，从应力贡献占比、协同增效程度、变形控制、塑性区控制及有效压应力覆盖范围多维度评价支护效果，评价更为全面、客观。

49、4、明确了复合顶板两层围岩划分标准与扩散参数联立求解算法。提出岩性差异、力学参数差异、层厚条件、界面特征四条分层准则；并基于界面竖向应力平衡与微元层弹性应变能守恒条件，建立扩散参数、的newton-raphson联立求解算法（半解析半数值方法），提高了复合顶板条件下主动附加应力理论计算的可操作性和可重复性。

50、5、构建了理论解析搭配数值模拟的混合计算方法。主动支护附加应力采用love解、mindlin解理论计算，被动及协同支护应力场采用flac3d数值模拟差值获得，既保留解析解的力学明确性，又发挥数值模拟处理复杂工程条件的优势，兼顾计算精度与工程适应性。

51、6、形成了设计、评价、优化及再设计的优化流程。以归一化支护增量应力、协同指数、位移改善率、塑性区改善率构建多目标函数，采用响应面法或遗传算法在施工可行性与支护成本约束下求解最优支护参数组合，实现支护参数的智能优化，显著减少现场试错时间与成本。

52、7、引入了围岩流变模型，实现了支护应力场的时变分析。建立主动附加应力衰减模型、被动承载应力增长模型及时变协同支护应力场，实现支护应力场的时效演化分析与动态调整，克服了现有静态分析方法无法反映深部软岩时效变形特征的不足。

53、8、工程适用性强，可支撑全生命周期支护决策。本发明可直接用于深部煤矿巷道支护设计与动态优化，通过对比不同支护方案的评价指标快速筛选最优方案，并通过时效演化分析实现长期稳定性预测与全生命周期动态管理。

54、该方法通过有支护与无支护应力场差值统一分离主动、被动及相互作用贡献，并辅以多指标定量评价、参数反馈优化与时变流变分析，实现了深部煤矿巷道主动—被动协同支护应力场的精确构建与全生命周期动态优化。

55、本发明提供了一种巷道主被动协同支护应力场构建及稳定性评价系统，用于一种巷道主被动协同支护应力场构建及稳定性评价方法，包括：

56、巷道建模单元，用于获取现场岩层地质参数和岩石力学参数，利用flac3d数值模拟软件建立煤矿巷道三维数值模型；

57、地应力加载单元，用于根据巷道埋深、上覆岩层平均重力密度和侧压系数计算并施加竖向、水平原岩地应力，运算至初始平衡状态，获得原岩应力场；

58、开挖模拟单元，用于模拟巷道开挖，在无支护条件下重新运算至平衡，获得无支护应力场；

59、被动支护计算单元，用于建立u型棚被动支护模型，通过flac3d数值模拟分别计算开挖有u型棚支护与开挖无支护条件下的围岩应力场，将两者逐单元求差，获得被动承载应力场，并导入origin软件进行可视化显示；

60、主动支护计算单元，用于建立锚杆锚索主动支护模型，基于love解和mindlin解计算主动附加应力场；

61、协同支护应力场构建单元，用于在数值模型中同时布置锚杆锚索主动支护和u型棚被动支护，通过flac3d数值模拟分别计算开挖有协同支护与开挖无支护条件下的围岩应力场，将两者逐单元求差，构建协同支护应力场，并导入origin软件进行可视化显示；

62、支护增量应力确定单元，用于将协同支护应力场直接作为支护增量应力场；

63、支护效果评价单元，用于计算各评价指标并对支护效果进行判定；

64、反馈优化单元，用于根据评价结果反馈优化支护参数，构建以归一化支护增量应力、协同指数、位移改善率和塑性区改善率加权的优化目标函数，并采用响应面法或遗传算法在施工可行性和支护成本约束条件下求解最优支护参数组合；

65、时效演化分析单元，用于引入围岩流变模型，建立时变协同支护应力场,对支护应力场进行动态监测与调整。

66、与现有技术相比，本系统具有如下技术优点：

67、1、基于差值法的应力场分离与协同构建机制：协同支护应力场构建单元和被动支护计算单元均采用“有支护−无支护”应力场逐单元求差，直接分离出主动、被动及主动—被动相互作用的共同贡献，无需单独建立或计算相互作用项，突破了简单代数叠加无法反映协同效应的局限。

68、2、主动支护理论解析与复合顶板分层扩散求解的集成：主动支护计算单元将托盘预紧力（love解）与锚固段黏锚力（mindlin解）解析叠加，并通过两层围岩划分模块与扩散参数、的newton-raphson联立求解模块，实现了复合顶板条件下附加应力跨层传递与扩散的精确计算。

69、3、张量场标量化与多维指标的定量评价体系：支护效果评价单元先对各张量应力场作等效应力体积加权平均标量化，再构建主动贡献率、被动贡献率、协同指数、位移/塑性区改善率及支护应力场影响体积等指标，使应力场评价由定性经验判断升级为可量化、可比较的定量评判。

70、4、评价、优化、时变三位一体的闭环动态管理：反馈优化单元以多指标目标函数结合响应面法/遗传算法实现支护参数智能寻优，时效演化分析单元引入流变模型实现全生命周期时变监测，二者与定量评价单元联动，形成了设计、评价、优化、再设计、动态调整的闭环，显著提升支护决策的科学性与工程适应性。

71、该系统实现了深部巷道主动—被动协同支护应力场的精确构建、客观评价与全生命周期动态优化。