基于三维仿真的破碎围岩短锚索支护参数设计方法与流程

本发明涉及工程支护参数设计，尤其涉及一种基于三维仿真的破碎围岩短锚索支护参数设计方法。

背景技术：

1、地下矿山采用分段回采和爆破落矿时，巷道交叉口及采场邻近区域常受原生裂隙、既有爆破损伤、回采卸荷和断层扰动共同影响，围岩易发生顶板离层、两帮收敛及局部失稳。短锚索因施工灵活、占用空间小，常用于破碎围岩补强，其孔口位置、倾角、方位角、长度、间距及安装顺序直接影响支护效果。

2、现有短锚索支护参数多依据经验、规范推荐值或静态数值分析确定，通常侧重短锚索安装后的围岩变形和轴力响应，未充分考虑钻孔施工形成的损伤区域。该损伤区域可能沿原生裂隙扩展，并与既有爆破损伤区连通，进而削弱或切断巷道浅部围岩与深部稳定围岩之间的连续承载岩桥。

3、同时，短锚索在服役期间还将经历后续爆破、矿体崩落、出矿卸载及断层扰动，原有锚固围岩可能逐步失去持续承载能力，导致有效锚固长度缩短。现有方法难以同时评价钻孔施工对连续承载岩桥的影响以及后续回采过程对锚固段稳定性的影响，容易造成局部受力集中、参数反复调整或支护材料冗余。因此，有必要提出一种基于三维时序仿真，能够协同评价岩桥保留状态和短锚索全服役周期锚固状态的支护参数设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足之处，提供基于三维仿真的破碎围岩短锚索支护参数设计方法，解决上述背景技术中所提到的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、基于三维仿真的破碎围岩短锚索支护参数设计方法，包括如下步骤：

4、s1、获取待支护巷道空间结构、破碎围岩力学参数、原生裂隙、既有爆破损伤区、分段回采参数和短锚索施工参数，建立三维时序有限元仿真模型，生成候选短锚索参数组合集；

5、s2、按照候选短锚索参数组合的安装顺序模拟钻孔施工，构建钻孔损伤包络体，识别连续贯通通道，确定连接巷道浅部围岩与深部稳定围岩的连续承载岩桥，形成岩桥评价数据集；

6、s3、按照分段回采顺序模拟爆破加载、矿体崩落、出矿卸载和应力平衡，识别各阶段的阶段锚固失效区域，经时间关联和空间合并形成未来锚固禁入体；

7、s4、根据岩桥评价数据集计算岩桥保留度，根据锚固段与未来锚固禁入体的空间关系计算锚固生存度，筛选候选短锚索参数组合，得到可行短锚索参数组合集；

8、s5、对可行短锚索参数组合集执行全过程支护仿真，在满足巷道变形、塑性区、短锚索轴力及锚固段滑移安全约束的条件下，以岩桥保留度最大、锚固生存度最大和短锚索总用量最小为目标进行策略优化，确定并输出目标短锚索参数组合。

9、s1具体包括：获取待支护巷道空间结构、破碎围岩力学参数、原生裂隙、既有爆破损伤区、分段回采参数及短锚索施工参数，对数据进行坐标统一和配准，形成基础工程数据集；根据基础工程数据集建立三维时序有限元仿真模型，对巷道、围岩、裂隙、既有爆破损伤区及计划回采区域进行离散，并确定深部稳定围岩；根据三维时序有限元仿真模型确定孔口位置、倾角、方位角、短锚索长度、行间距、列间距、错列距离及安装顺序，进行离散组合并剔除不满足施工约束的组合，形成候选短锚索参数组合集。

10、s2具体包括：按照候选短锚索参数组合的安装顺序模拟钻孔施工，根据钻进能量密度、围岩岩性和原生裂隙方向确定损伤扩展范围，构建钻孔损伤包络体；将钻孔损伤包络体、原生裂隙和既有爆破损伤区映射至有限元网格，依据损伤单元连通关系识别连续贯通通道，确定连接巷道浅部围岩与深部稳定围岩的连续承载岩桥；分别计算钻孔施工前后的基准岩桥体积、剩余岩桥体积、基准最小承载面积和剩余最小承载面积，得到岩桥切割体积及临界承载截面损失率，并记录对应空间位置，形成岩桥评价数据集。

11、s3具体包括：在保留既有支护且不计入候选短锚索承载作用的条件下，按照分段回采顺序模拟爆破加载、矿体崩落、出矿卸载和应力平衡，提取爆破损伤扩展区域、崩落区域、卸荷松动区域及断层扰动区域；根据围岩单元的卸荷比例、残余锚固界面黏结强度和参考抗拔承载能力，识别锚固失效单元，并形成阶段锚固失效区域集；对阶段锚固失效区域集进行时间关联和空间合并，记录失效开始阶段、持续阶段数及失效类型，根据配准误差、钻孔定位偏差和网格尺寸扩展安全缓冲层，形成未来锚固禁入体。

12、s4具体包括：基于岩桥评价数据集，按照安装顺序叠加钻孔损伤包络体，根据岩桥切割体积和临界承载截面损失率计算各候选组合的岩桥保留度；将各短锚索锚固段逐回采阶段映射至未来锚固禁入体，确定与深部稳定围岩连通的有效连续稳定锚固长度，并据此计算锚固生存度；根据岩桥保留度和锚固生存度筛选候选短锚索参数组合，对处于允许调整范围内的未通过组合调整孔口位置、倾角、方位角、总长度、错列距离或安装顺序，重新执行，形成可行短锚索参数组合集。

13、s5具体包括：对可行短锚索参数组合集执行全过程支护仿真，提取巷道变形、塑性区、岩桥、短锚索轴力及锚固段滑移响应，形成全过程支护响应数据集；根据全过程支护响应数据集设置安全约束，以岩桥保留度最大、锚固生存度最大、短锚索总用量最小及轴力差异系数最小为目标，对满足安全约束的组合进行非支配分层和安全余量排序，得到综合优先级；按照综合优先级确定目标短锚索参数组合，输出孔口位置、倾角、方位角、短锚索长度、行间距、列间距、错列距离及安装顺序，并依据试验区段实测响应验证。

14、本发明的有益效果在于：

15、本发明通过构建钻孔损伤包络体并识别连续承载岩桥，能够量化短锚索钻孔对围岩承载结构的切割影响，避免仅依据经验布孔造成关键岩桥削弱或贯通。通过同时评价岩桥体积损失和临界承载截面损失，可识别总体损伤较小但局部承载截面严重缩窄的风险，提高破碎围岩稳定性判断的准确性。

16、本发明通过模拟后续爆破、矿体崩落、出矿卸载及断层扰动，构建未来锚固禁入体，能够反映短锚索在预定服役周期内的锚固条件变化。通过计算有效连续稳定锚固长度和锚固生存度，可避免将彼此分离的稳定锚固段简单累加，降低锚固段后期失效及抗拔能力不足的风险。

17、本发明通过对孔口位置、倾角、方位角、长度、间距、错列距离和安装顺序进行联合筛选与修正，减少人工反复调整，提高支护参数设计效率和可实施性。通过全过程支护仿真和策略优化，在满足巷道变形、塑性区、短锚索轴力及锚固段滑移安全约束的同时，兼顾岩桥保留、锚固可靠、受力均匀及材料用量，提升支护安全性和经济性。

1.基于三维仿真的破碎围岩短锚索支护参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于三维仿真的破碎围岩短锚索支护参数设计方法，其特征在于，还包括：s5、对可行短锚索参数组合集执行全过程支护仿真，在满足巷道变形、塑性区、短锚索轴力及锚固段滑移安全约束的条件下，以岩桥保留度最大、锚固生存度最大和短锚索总用量最小为目标进行策略优化，确定并输出目标短锚索参数组合。

3.根据权利要求1所述的基于三维仿真的破碎围岩短锚索支护参数设计方法，其特征在于，s1具体包括：

4.根据权利要求3所述的基于三维仿真的破碎围岩短锚索支护参数设计方法，其特征在于，还包括：根据三维时序有限元仿真模型确定孔口位置、倾角、方位角、短锚索长度、行间距、列间距、错列距离及安装顺序，进行离散组合并剔除不满足施工约束的组合，形成候选短锚索参数组合集。

5.根据权利要求1所述的基于三维仿真的破碎围岩短锚索支护参数设计方法，其特征在于，s2具体包括：

6.根据权利要求1所述的基于三维仿真的破碎围岩短锚索支护参数设计方法，其特征在于，s3具体包括：

7.根据权利要求6所述的基于三维仿真的破碎围岩短锚索支护参数设计方法，其特征在于，还包括：对阶段锚固失效区域集进行时间关联和空间合并，记录失效开始阶段、持续阶段数及失效类型，根据配准误差、钻孔定位偏差和网格尺寸扩展安全缓冲层，形成未来锚固禁入体。

8.根据权利要求1所述的基于三维仿真的破碎围岩短锚索支护参数设计方法，其特征在于，s4具体包括：

9.根据权利要求2所述的基于三维仿真的破碎围岩短锚索支护参数设计方法，其特征在于，s5具体包括：

10.根据权利要求9所述的基于三维仿真的破碎围岩短锚索支护参数设计方法，其特征在于，还包括：按照综合优先级确定目标短锚索参数组合，输出孔口位置、倾角、方位角、短锚索长度、行间距、列间距、错列距离及安装顺序，并依据试验区段实测响应验证。