(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210785516.6 (22)申请日 2022.07.04 (71)申请人 东北大学 地址 110819 辽宁省沈阳市和平区文化路 三巷11号 (72)发明人 关凯　张权云　朱万成　刘洪磊　 刘溪鸽　罗文俊　张鹏海　牛雷雷　 侯晨　 (74)专利代理 机构 大连理工大 学专利中心 21200 专利代理师 梅洪玉 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/13(2020.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种快速估算大变形围岩特征曲线和巷道 纵向变形曲线的方法 (57)摘要 本发明属于矿山井巷工程设计技术领域， 提 出一种快速估算大变形围岩特征曲线和巷道纵 向变形曲线的方法； 1)获得岩体力学参数、 初始 应力条件和巷道初始半径； 2)计算不同支护压力 时基于小变形理论的沿巷道纵向的洞壁标准化 最大径向位移与围岩标准化最大塑性区半径； 3) 基于小变形计算结果转化得到大变形理论下的 围岩特征曲线与巷道纵向变形曲线； 4)计算得到 大变形理论下不同纵向位置处的巷道洞壁径向 位移和巷道当前半径。 本发明能够快速地将基于 传统小变形理论的巷道围岩变形计算结果转化 为大变形理论下的围岩特征曲线和纵向变形曲 线， 降低巷道开挖过程中大变形预测的复杂性， 为矿山软弱围岩巷道大变形提供方便快捷的估 算方法。 权利要求书2页 说明书11页 附图3页 CN 115099047 A 2022.09.23 CN 115099047 A 1.一种快速估算大变形围岩特征曲线和巷道纵向变形曲线的方法， 其特征在于， 包括 如下步骤： 步骤1： 通过对岩体进行测试和试验， 获得岩体力学参数、 初始应力条件和巷道初始半 径； 步骤2： 计算不同支护压力时， 基于小变形理论的沿巷道纵向的洞壁标准化最大径向位 移与围岩标准 化最大塑性区半径； 步骤3： 根据步骤2的小变形理论计算结果转化得到大变形理论下的围岩特征曲线与 巷 道纵向变形曲线； 步骤4： 根据步骤3的计算结果得到大变形理论下不同纵向位置处的巷道洞壁径向位移 和巷道当前半径。 2.根据权利要求1所述的快速估算大变形围岩特征曲线和巷道纵向变形曲线的方法， 其特征在于， 所述岩体力学参数包括弹性模量、 泊松比、 残余与峰值内聚力、 残余与峰值内 摩擦角、 残余与峰值 膨胀角、 临界塑性内变量。 3.根据权利要求1或2所述的快速估算大变形围岩特征曲线和巷道纵向变形曲线的方 法， 其特征在于， 所述 步骤2具体包括： 步骤2.1： 基于巷道开挖理论模型， 采用小变形理论应变软化数值算法， 求解不同支护 压力下沿巷道纵向的洞壁 最大径向位移u∞,ss与围岩最大塑性区半径Rpmax,ss； 步骤2.2： 根据步骤2.1的求解结果， 计算不同支护压力时基于小变形理论的沿巷道纵 向的洞壁标准化最大径向位移U∞,ss与围岩标准化最大塑性区半径R∞,ss， 以及在支护压力等 于0时的小变形理论下沿巷道纵向的洞壁标准 化最大径向位移U∞,ss0； 小变形理论下沿巷道纵向的洞壁标准化最大径向位移U∞,ss与围岩标准化最大塑性区 半径R∞,ss的计算公式如下： U∞,ss＝u∞,ss/a0   (1) R∞,ss＝Rpmax,ss/a0   (2) 式中： U∞,ss为小变形理论下沿巷道纵向的洞壁标准化最大径 向位移， 单位为1； u∞,ss为 小变形理论下沿巷道纵向的洞壁最大径向位移， 单位为m； R∞,ss为小变形 理论下沿巷道纵向 的围岩标准化最大塑性区半径， 单位为1； Rpmax,ss为小变形理论下沿巷道纵向的围岩最大塑 性区半径， 单位 为m； a0为巷道初始半径， 单位 为m。 4.根据权利要求1或2所述的快速估算大变形巷道围岩特征曲线和巷道纵向变形曲线 的方法， 其特 征在于， 所述 步骤3具体包括： 步骤3.1： 根据步骤2的小变形理论计算结果， 转化得到不同支护压力时大变形理论下 沿巷道纵向的洞壁标准化最大径向位移U∞,ls与围岩标准化最大塑性区半径R∞,ls， 以及当支 护压力等于0时的大变形理论下沿巷道纵向的洞壁标准化最大径向位移U∞,ls0与围岩标准 化最大塑性区半径R∞,ls0； 步骤3.2： 根据步骤3.1中基于小变形理论计算结果转化得到的不同支护压力时大变形 理论下沿巷道纵向的洞壁标准化最大径向位移U∞,ls， 确定以洞壁最大径向位移为纵坐标， 以支护压力为横坐标表示的大变形理论下的围岩特 征曲线； 大变形理论下沿巷道纵向的洞壁 最大径向位移u∞,ls的计算公式如下： u∞,ls＝a0U∞,ss   (3)权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115099047 A 2式中： u∞,ls为大变形理论下沿巷道纵向的洞壁 最大径向位移， 单位 为m； 步骤3.3： 根据步骤3.1中基于小变形计算结果转化得到的支护压力等于0时的大变形 理论下沿巷道纵向的洞壁标准化最大径向位移U∞,ls0与围岩标准化最大塑性区半径R∞,ls0， 计算大变形理论下的巷道纵向变形曲线。 5.根据权利要求4所述的快速估算大变形巷道围岩特征曲线和巷道纵向变形曲线的方 法， 其特征在于， 所述步骤3.1中， 转化得到不同支护压力时大变形理论下沿巷道纵向的洞 壁标准化最大径向位移U∞,ls与围岩标准 化最大塑性区半径R∞,ls的计算公式如下： R∞,ls＝R∞,ss(1‑U∞,ls)   (4) 式中： U∞,ls为大变形理论下沿巷道纵向的洞壁标准化最大径 向位移， 单位为1； R∞,ls为 大变形理论下沿巷道纵向的围岩标准化最大塑性区半径， 单位为1； βr为残余膨胀角系数， 单位为1； ψr为残余膨胀角， 单位 为度。 6.根据权利要求4或5所述的快速估算大变形巷道围岩特征曲线和巷道纵向变形曲线 的方法， 其特 征在于， 所述大变形理论下的巷道纵向变形曲线计算公式如下： 式中： X为沿巷道纵向不同位置距巷道掌子面的标准化距离， X<0指的是掌子面前方尚 未开挖部分， X >0指的是开挖面后方已开挖部分， 单位 为1； Ua,ls、 Ua,ss分别为大变形理论与 小变形理论下距掌子面标准化距离为X时的巷道洞壁标 准化径向位移， 单位 为1； 距巷道掌子面的标准 化距离X的计算公式如下： X＝x/a0    (8) 式中： x为沿巷道纵向不同位置距巷道掌子面的距离， 单位 为m。 7.根据权利要求1中的一种快速估算大变形巷道围岩特征曲线和巷道纵向变形曲线的 方法， 其特征在于， 所述步骤4中， 根据步骤3的计算结果， 大变形理论下不同纵向位置处的 巷道洞壁径向位移ua,ls和巷道当前半径als的计算公式如下： ua,ls＝Ua,ls·a0   (9) als＝a0‑ua,ls   (10) 式中： ua,ls为大变形理论下的巷道洞壁径 向位移， 单位为m； als为巷道开挖后的当前半 径， 单位为m。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115099047 A 3