吳亞斌
(長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南長沙 410012)
目前,礦山已廣泛應用數(shù)值模擬研究礦體開采順序和采場結構參數(shù),以及復雜的巖石力學問題,但由于礦山地質條件的復雜性,以及開采過程的多樣性,導致數(shù)值模擬軟件建立的模型很難接近實際情況[1];地質建模軟件提供了強大的礦山信息化,以及相應的礦山開采設計功能。應用地質建模軟件建立數(shù)值計算模型,可以減少礦山大范圍巖石力學數(shù)值模擬的復雜性,提高模型的準確性,以及具有快速建立計算模型的能力,可以模擬研究礦體在開采過程中遇到的巖石力學問題[2-3]。
因此,本文以建模軟件SURPAC和數(shù)值計算軟件FLAC3D為例,研究三維地質模型快速轉化為數(shù)值計算模型的原理和實現(xiàn)過程。
FLAC3D中計算模型的基礎單元主要有四面體和六面體,SURPAC中模型基礎單元為六面體,主要用于計算儲量,通過實體模型的約束區(qū)分巖層邊界和反應空區(qū)形態(tài)??梢詫γ總€單元塊賦值,其巖性和力學參數(shù)可以真實反應在每一個單元塊[4]。
SURPAC塊體模型是一個可包含地質品位和力學參數(shù)的數(shù)據(jù)庫,模型的基礎單元為規(guī)則六面體。塊體模型的建立過程如圖1所示。
塊體模型建立:為了方便模型在FLAC3D中施加邊界條件,取方位角、傾角、傾伏角都為零,基單元塊大小的選擇主要考慮模型范圍和總單元數(shù)量的控制,對于巖性邊界的描述盡可能采用小尺寸單元體,可以相對準確表達巖性邊界。
圖1 塊體模建立過程
模型轉換的過程是在FLAC3D中直接應用SUPAC塊體模型,因此,必須將SURPAC模型數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)格式的改變,形成FLAC3D可以接受的,能自動形成的模型數(shù)據(jù)。其中SURPAC軟件中基本單元輸出格式中X,Y,Z為基本單元體中心坐標;SIZE(X),SIZE(Y),SIZE(Z)分別為單元體的邊長。圖2為FLAC3D中轉換的基礎六面體單元,其中P0-P7為節(jié)點順序。
圖2 單元體
以六面體單元為基礎實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的轉換,轉換原理分析[5]:
(1)根據(jù)質心點坐標和六面體邊長計算出P0—P7節(jié)點的X,Y,Z坐標;
(2)節(jié)點和單元進行編號,定義單元間的位置關系;
(3)定義每個單元的屬性,對屬性相同的單元進行分組。
在SURPAC軟件中完成地質體的塊體模型建立,導出模型數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)用ACCESS數(shù)據(jù)庫導入,依據(jù)上述原理分析編寫了數(shù)據(jù)庫SQL查詢語言來實現(xiàn)轉換,執(zhí)行SQL查詢語言形成新的數(shù)據(jù)表,將數(shù)據(jù)導出,調入FLAC3D軟件中形成計算模型[6]。
應用SURPAC軟件建立了礦體地質模型和采空區(qū)模型(見圖3),根據(jù)本文前期所述對模型進行賦值,導出塊體模型,在ACCESS數(shù)據(jù)庫中采用SQL語言進行轉換,形成FLAC3D可以接受的模型(見圖4),其中巖性和采空區(qū)用不同的group區(qū)分[7-8]。
圖3 SURPAC塊體模型
應用地質建模軟件構建數(shù)值計算模型,可以減少礦山大范圍巖石力學數(shù)值模擬的復雜性,提高模型的準確性,以及具有快速建立計算模型的能力。適合對在厚大礦體回采順序和采場結構參數(shù)應用中遇到的巖石力學問題進行研究,該模型轉換對于類似的研究應用具有一定的參考價值。
圖4 FLAC3D地質模型
[1]侯恩科,吳立新,等.三維地學模擬與數(shù)值模擬的耦合方法研究[J].煤炭學報,2002,27(4):388-392.
[2]廖秋林,曾錢幫.基于ANSYS平臺復雜地質體FLAC3D模型的自動生成[J].巖石力學與工程學報,2005,24(6):1010-1013.
[3]胡 斌,張倬元,黃潤秋,等.FLAC3D前處理程序的開發(fā)及仿真效果檢驗[J].巖石力學與工程學報,2002,21(9).
[4]Itasca Consulting Group,Inc,F(xiàn)ast Language Analysis of continua in three dimensions.Itasca Consulting Group,Inc,1997.
[5]SURPAC Vision軟件用戶使用手冊(第四版)[M].SURPAC Software International國際軟件公司發(fā)行,2000.
[6]薩師煊.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論[M].北京:高等教育出版社,1984.
[7]李廷春,李術才,邱祥波.三維快速拉格朗日法在安全頂板厚度研究中的應用[J].巖土力學,2004,25(6):935-939.
[8]朱維申,李曉靜,郭彥雙,等.地下大型洞室群穩(wěn)定性的系統(tǒng)性研究[J].巖石力學與工程學報,2004,23(10):1689-1693.