趙永曉
(國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán) 布爾臺(tái)煤礦,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)
隨著我國(guó)煤炭資源的持續(xù)開(kāi)采,開(kāi)采時(shí)所面臨的地質(zhì)環(huán)境日益復(fù)雜,常常會(huì)遇到斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造,而通過(guò)數(shù)值仿真建立計(jì)算模型往往能很好地描述并分析此類問(wèn)題。但針對(duì)含斷層破碎帶復(fù)雜地質(zhì)條件建立數(shù)值計(jì)算模型時(shí),存在斷層兩側(cè)模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)接困難、節(jié)點(diǎn)密度大且不易控制等問(wèn)題。對(duì)此國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者做出了較多研究,馮艷順等[1]提出了一種GIS-Excel新的快速建模方法,并利用該方法實(shí)現(xiàn)了快速建模。唐江濤等[2]提出借助surfer、ANSYS等軟件快速建立FLAC3D能夠識(shí)別的類型文件的方法,此方法能夠大大簡(jiǎn)化建模過(guò)程,提高建模精度。王大群等[3]提出一種復(fù)雜地質(zhì)體三維模型構(gòu)建新方法,采用Kriging插值方法,結(jié)合逆向工程技術(shù)的優(yōu)勢(shì),快速獲得地質(zhì)體曲面模型。部分專家[4-9]基于Faro-3DMine及Midas-FLAC3D耦合技術(shù)、Rhinoceros平臺(tái)、MIDAS GTS NX軟件、采用Midas/Gts軟件、3D Mine-ANSYS軟件應(yīng)用到FLAC3D中,實(shí)現(xiàn)了快速建模。本文針對(duì)FLAC3D軟件建立含斷層破碎帶煤層數(shù)值模型時(shí)精度低等問(wèn)題,提出借助CAD二維平面圖形導(dǎo)入FLAC3D軟件中實(shí)現(xiàn)快速斷層建模,以期為FLAC3D數(shù)值建模的初學(xué)者提供有益參考。
為了使 CAD二維平面圖形準(zhǔn)確地導(dǎo)入FLAC3D中,首先要了解CAD二維平面圖形坐標(biāo)點(diǎn)與FLAC3D基本單元坐標(biāo)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。CAD二維平面圖形文件基本默認(rèn)保存文件格式為DWG格式,二維平面圖形之間根據(jù)坐標(biāo)信息進(jìn)行區(qū)分。使 CAD二維平面圖形快速準(zhǔn)確地導(dǎo)入FLAC3D中的關(guān)鍵點(diǎn)為CAD二維平面圖形坐標(biāo)點(diǎn)與FLAC3D基本單元坐標(biāo)點(diǎn)要相互對(duì)應(yīng),如圖1所示[10]。
圖1 CAD二維平面圖形與FLAC3D基本單元坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)照
通過(guò)對(duì)表1分析可知:將二維平面圖形用CAD軟件表示出來(lái)后的坐標(biāo)點(diǎn),可對(duì)應(yīng)于FLAC3D三維網(wǎng)格單元一個(gè)平面坐標(biāo)點(diǎn),F(xiàn)LAC3D三維網(wǎng)格單元坐標(biāo)點(diǎn)按照“右手法則”進(jìn)行排序,且坐標(biāo)點(diǎn)的順序不能發(fā)生改變。若坐標(biāo)點(diǎn)的順序發(fā)生改變后,雖然也能建立三維模型,但在模型計(jì)算的過(guò)程中會(huì)發(fā)生報(bào)錯(cuò),且排查問(wèn)題困難。以brick網(wǎng)格單元為例:CAD二維平面圖形對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)順序?yàn)閄0、X1、X6、X3,通過(guò)縱向拉伸后將其轉(zhuǎn)換為FLAC3D三維坐標(biāo)點(diǎn)依次對(duì)應(yīng)為X2、X4、X7、X5共8個(gè)三維坐標(biāo)點(diǎn)。同時(shí)在實(shí)際工程中,根據(jù)所要研究的地質(zhì)體特征以及斷層建模,通常用到以下兩種網(wǎng)格單元:矩形網(wǎng)格(brick)、楔形網(wǎng)格(wedge),因此掌握坐標(biāo)點(diǎn)的順序是數(shù)值建模中的關(guān)鍵一步。
首先將所需要研究的二維地質(zhì)模型在CAD軟件中表示出來(lái),文件類型由DWG格式轉(zhuǎn)化為DXF[11]格式。打開(kāi)FLAC3D軟件中Extrusion選項(xiàng)卡,將其導(dǎo)入,通過(guò)對(duì)點(diǎn)的捕捉、拉伸完成三維地質(zhì)模型建模。
建模步驟:將二維地質(zhì)模型在CAD軟件中畫(huà)出—導(dǎo)入FLAC3D—打開(kāi)Extrusion選項(xiàng)卡—新建文檔—捕捉點(diǎn)的坐標(biāo)—縱向拉伸—設(shè)置group及size參數(shù)—FLAC3D建模完成。
布爾臺(tái)煤礦22208綜采工作面位于22煤二盤(pán)區(qū),工作面長(zhǎng)301 m,當(dāng)夾矸小于0.8 m時(shí),設(shè)計(jì)采高3.8 m,當(dāng)夾矸大于0.8 m時(shí),設(shè)計(jì)采高2.7 m.推采長(zhǎng)度4 544.7 m,可回采面積136.8萬(wàn)m2,地質(zhì)儲(chǔ)量為573.6萬(wàn)t.工作面沿走向布置,沿煤層傾向推進(jìn),采用長(zhǎng)壁后退式一次采全高全部垮落法處理采空區(qū)的自動(dòng)化采煤法進(jìn)行回采作業(yè),頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。在工作面回采過(guò)程中,受斷層影響造成22煤層頂板破碎、煤層斷失和變薄,使得煤層頂板及底板不完整,煤層頂?shù)装宄尸F(xiàn)協(xié)調(diào)或不協(xié)調(diào)褶皺、脆性或彈塑性斷裂等現(xiàn)象,煤、巖層產(chǎn)狀變化較大。該礦地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,若采用傳統(tǒng)的命令流建模,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,因此采用CAD二維平面圖形導(dǎo)入FLAC3D軟件的快速建模方法。
表1 頂?shù)装鍘r性特征
在建立數(shù)值計(jì)算模型時(shí),通常會(huì)把主要的研究對(duì)象精細(xì)化,而將與主要研究對(duì)象無(wú)關(guān)或者影響不是很大的因素進(jìn)行簡(jiǎn)化,建立數(shù)值計(jì)算模型初步想法如下:
1) 建立數(shù)值計(jì)算模型的形狀基本確定為長(zhǎng)方形,且主要研究的對(duì)象為斷層破碎帶、22煤及22煤頂?shù)装濉?2煤層的走向、傾向、傾角、埋藏深度、層厚及斷層的傾角及厚度在建立數(shù)值計(jì)算模型過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。
2) 距離22煤頂板很遠(yuǎn)的上覆巖層重量及四周巖層產(chǎn)生的側(cè)壓力對(duì)22煤造成的影響,在建立數(shù)值計(jì)算模型時(shí),可以通過(guò)計(jì)算簡(jiǎn)化為應(yīng)力的方式施加在數(shù)值計(jì)算模型邊界上,既可以減小數(shù)值計(jì)算模型的體積,還可以提高數(shù)值模型的計(jì)算速度。
建立含有斷層破碎帶的數(shù)值計(jì)算模型時(shí),將地質(zhì)模型示意圖在CAD軟件中表示出來(lái),如圖2所示。FLAC3D自帶的程序通常能夠識(shí)別出兩種網(wǎng)格單元(矩形網(wǎng)格brick、楔形網(wǎng)格wedge),在CAD軟件中構(gòu)建二維地質(zhì)模型的過(guò)程中會(huì)遇到不規(guī)則的塊體,如圖2塊體Z所示,若直接將其導(dǎo)入FLAC3D中,則數(shù)值計(jì)算模型不會(huì)直接識(shí)別出來(lái),建模也將無(wú)法完成。解決的辦法如圖3所示,所建立的FLAC3D三維地質(zhì)模型如圖4所示。
圖2 CAD二維平面圖
圖3 輔助線的添加及煤巖層塊體切割示意
圖4 數(shù)值計(jì)算模型示意
首先將圖2右上角塊體Z分割成兩個(gè)不同形狀的塊體,在分割的過(guò)程中,要考慮以下兩種情況:
1) 塊體分割后要能被FLAC3D自帶程序識(shí)別出來(lái),要分割成兩種網(wǎng)格單元:矩形網(wǎng)格(brick)、楔形網(wǎng)格(wedge)。
2) 兩個(gè)塊體面積盡量相等,因?yàn)閷?dǎo)入FLAC3D中雖然能夠識(shí)別出來(lái),但是在后期劃分塊體單元格網(wǎng)格時(shí),若面積相差太大,會(huì)造成網(wǎng)格劃分不均勻,數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性得不到保證。
通過(guò)對(duì)圖2分析可知:添加輔助線a,將塊體Z分割成兩個(gè)塊體A、B;添加輔助線b、f,將塊體分割成D、E塊體。應(yīng)注意:輔助線(圖3中的虛線)a、b、f要與22煤層實(shí)線連接起來(lái),塊體A、B、C、D、E、H能被FLAC3D自帶程序識(shí)別出來(lái),(在實(shí)際建模過(guò)程中,添加輔助線是在CAD軟件中添加,但不能添加為虛線,同時(shí)要清楚不同塊體分組之間的關(guān)系)后期只需設(shè)置group及size參數(shù)即可,此方法大大提高了建模效率和精確度。
根據(jù)研究目的和預(yù)期結(jié)果,建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型如圖4所示,在建立模型的過(guò)程中,考慮到模型邊界效應(yīng)及計(jì)算速度,最終確定數(shù)值計(jì)算模型xyz=800 m×300 m×400 m.模型中模擬煤巖體采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型,模型四周及底面全部施加位移約束。22煤層及斷層是重點(diǎn)研究對(duì)象,將其設(shè)置為不同分組且對(duì)該分組處的網(wǎng)格進(jìn)行重點(diǎn)加密,以便更好地獲得22煤開(kāi)采時(shí)受斷層的影響情況。設(shè)置數(shù)值計(jì)算模型中煤層及煤層頂、底板巖層物理參數(shù),編寫(xiě)為txt文本格式,在FLAC3D數(shù)值模擬軟件中調(diào)用圖3 數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算即可,斷層初始應(yīng)力平衡云圖如圖5所示,22煤初始應(yīng)力平衡云圖如圖6所示。
圖5 斷層初始應(yīng)力平衡云圖
圖6 22煤初始應(yīng)力平衡云圖
通過(guò)圖5、圖6分析可知:斷層初始應(yīng)力平衡云圖最小垂直應(yīng)力達(dá)到0.074 6 MPa,最大垂直應(yīng)力達(dá)到10.61 MPa;22煤層初始應(yīng)力平衡云圖最小垂直應(yīng)力達(dá)到0.106 MPa,最大垂直應(yīng)力達(dá)到7.029 MPa,且初始應(yīng)力平衡云圖分層明顯,不因網(wǎng)格線未對(duì)齊而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,待數(shù)值模型計(jì)算完畢后可進(jìn)行下一步操作。
基于CAD二維平面圖形導(dǎo)入FLAC3D中實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)建模,充分結(jié)合了CAD軟件作圖精準(zhǔn)及FLAC3D數(shù)值模擬軟件網(wǎng)格自動(dòng)劃分等優(yōu)點(diǎn),不僅提高了數(shù)值模擬效率, 縮短了數(shù)值計(jì)算周期,而且克服了網(wǎng)格劃分不均勻等問(wèn)題,后期只需設(shè)置group及size參數(shù)即可,真正實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜地質(zhì)條件下含有斷層破碎帶的煤層快速建模。