基于GIS-Excel快速FLAC3D數(shù)值模擬建模方法研究

馮艷順，王紅奪，謝玉磊

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測(cè)繪地理信息院，河南鄭州450006）

模擬研究法作為煤礦區(qū)巖層與地表移動(dòng)形變研究方法中的一部分，在開采沉陷研究中占有比較重要的位置[1]。開采沉陷的模擬研究方法可以分為傳統(tǒng)的模擬研究方法和數(shù)值力學(xué)分析方法[2]。傳統(tǒng)的模擬研究方法包括力學(xué)理論分析法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法和物理模擬法。力學(xué)理論分析法目前只能解決簡(jiǎn)單形狀礦體開采沉陷的模擬，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法時(shí)間長(zhǎng)，耗費(fèi)人力、物力，物理模擬法的結(jié)果直觀，由于受到模型大小及信息提取、處理技術(shù)和時(shí)間、成本等因素的制約，很難分析出各個(gè)因素對(duì)開采沉陷的影響，并且只能做出定性分析[3]。數(shù)值模擬方法的出現(xiàn)，很好地克服了以上方法的不足。FLAC3D數(shù)值模擬方法同傳統(tǒng)的沉陷預(yù)計(jì)研究方法相比，是一種方便靈活的方法，可以根據(jù)研究的問(wèn)題建立分析模型，模擬復(fù)雜地質(zhì)及其他復(fù)雜因素下礦體開采引起的地表沉陷及形變規(guī)律，加上該方法強(qiáng)大的后處理功能使得數(shù)據(jù)分析非常便捷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該方法在礦山方面進(jìn)行了深入探索[4-5]。

目前FLAC3D數(shù)值模擬方法已廣泛應(yīng)用于巖石滑坡、煤礦區(qū)開采沉陷數(shù)值模擬、水利及隧道圍巖穩(wěn)定性分析等研究領(lǐng)域中。

1 FLAC3D數(shù)值模擬建模技術(shù)流程

GIS-Excel快速FLAC3D數(shù)值模擬建模主要以AutoCAD、ArcGIS、Excel等常用軟件為技術(shù)平臺(tái)，建模主要流程如下：

（1）模擬范圍大小的確定[6]。根據(jù)礦區(qū)地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定數(shù)值模擬范圍；

（2）建立礦層工作面模型。收集礦區(qū)地質(zhì)、采礦資料，如采區(qū)地形圖、鉆孔柱狀圖、礦層底板等高線等。使用GIS 平臺(tái)，根據(jù)模型分塊“條帶狀”貫通原則及模型塊按照“條帶”劃分網(wǎng)格數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)礦層的建模；

（3）各地層厚度推算。根據(jù)鉆孔柱狀圖，計(jì)算各個(gè)地層厚度；

（4）快速代碼生成。按照FLAC3D基本單元節(jié)點(diǎn)的編號(hào)順序，利用Excel 快速代碼生成方法生成節(jié)點(diǎn)代碼；

（5）各地層模型的生成及可視化[7]。

2 FLAC3D數(shù)值模擬模型建模實(shí)例

2.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位置及地質(zhì)條件概況

本次試驗(yàn)地點(diǎn)位于某礦業(yè)集團(tuán)下轄煤礦，對(duì)正在開采工作面I020902進(jìn)行數(shù)值模擬模型建模，該工作面位于井田西北，工作面的西、北兩側(cè)均為井田邊界，附近無(wú)采掘歷史。工作面處的地面高度平均高度為1400m。該工作面走向長(zhǎng)約255m，傾向長(zhǎng)約1548m，工作面煤層標(biāo)高為797～917m，工作面煤層自然平均厚度3.58m，工作面煤層傾角2°～11°，平均傾角4.5°。工作面區(qū)域內(nèi)地層總體上為向西傾斜的單斜構(gòu)造，如圖1所示，區(qū)域內(nèi)小型波狀起伏較為多見，部分區(qū)段坡度達(dá)11°，無(wú)巖漿巖和巖溶陷落柱等構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造為I類的簡(jiǎn)單型。

2.2 資料準(zhǔn)備

圖1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)采區(qū)9號(hào)煤層可視化圖

本次數(shù)值模擬模型建立之前，需要搜集礦區(qū)的各種數(shù)據(jù)資料，該礦區(qū)現(xiàn)有資料如下：

（1）采區(qū)資料：井田區(qū)域地形圖、井上下對(duì)照?qǐng)D、采掘工程平面圖、采區(qū)勘探報(bào)告、采區(qū)設(shè)計(jì)說(shuō)明書等；

（2）水文地質(zhì)資料，如：采區(qū)地形地質(zhì)及綜合水文地質(zhì)圖、鉆孔綜合柱狀圖、礦層賦存條件、上覆巖層物理力學(xué)性質(zhì)等；

（3）開采工作面資料，如：工作面底板等高線圖、工作面地質(zhì)說(shuō)明書、回采工作面水文地質(zhì)情況分析報(bào)告、開采厚度、回采時(shí)間及周圍開采情況等；

（4）測(cè)區(qū)井上下測(cè)量資料，如：控制點(diǎn)、導(dǎo)線點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)。

2.3 煤層模型的分塊與編號(hào)

根據(jù)已建立的地表移動(dòng)觀測(cè)站資料確定所需要建立煤層模型的范圍。在煤層及各個(gè)巖層的實(shí)際建模過(guò)程中，根據(jù)FLAC3D節(jié)點(diǎn)編號(hào)規(guī)律，按照模型塊在橫向、縱向條帶能夠左右、上下“條帶狀”貫通的原則，對(duì)煤層及各巖層進(jìn)行分塊[8]。在數(shù)值模擬模型范圍的左下角添加相對(duì)坐標(biāo)系中的x、y軸，如圖2所示。

圖2 煤層模型的最終分塊與編號(hào)

2.4 煤層模型分塊節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算

（1）煤層模型分塊節(jié)點(diǎn)的高程z計(jì)算。首先，提取采區(qū)采掘工程平面圖中的煤層底板等高線，結(jié)合GIS分析軟件，建立采區(qū)煤層底板的TIN格式數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)TIN格式數(shù)據(jù)獲取模擬范圍內(nèi)煤層分塊底面各個(gè)節(jié)點(diǎn)的高程值z(mì)坐標(biāo)，最后，根據(jù)煤層平均開采厚度計(jì)算煤層分塊頂面各個(gè)節(jié)點(diǎn)的高程z值。具體方法如下：

假設(shè)地表某一個(gè)鉆孔點(diǎn)為A，該鉆孔點(diǎn)從地表至煤層的深度為H0，記鉆孔A處某巖層i的厚度為d0，B為待求點(diǎn)，B處相應(yīng)的i巖層厚度為待求值dx，若B點(diǎn)從地表至煤層的深度為H，如圖3所示。

圖3 巖層厚度計(jì)算示意圖

由圖3可得公式（1）如下：

由上式，可得dx為：

上式中dx即為每層巖層在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)的厚度。

根據(jù)各巖層的厚度利用Excel 計(jì)算各模型分塊頂面各節(jié)點(diǎn)高程z,即將煤層分塊底面各個(gè)節(jié)點(diǎn)的高程z值加上煤層平均開采厚度即可。如圖4所示。

（2）煤層模型分塊節(jié)點(diǎn)的平面坐標(biāo)（x，y）計(jì)算。在煤層的數(shù)值模擬計(jì)算建模過(guò)程中，煤層模型分塊的節(jié)點(diǎn)平面坐標(biāo)（x，y）從礦區(qū)采掘工程平面圖的CAD格式數(shù)據(jù)中直接讀取。

2.5 煤層模型的可視化

根據(jù)GIS-Excel 構(gòu)模方法和快速計(jì)算優(yōu)勢(shì)在Excel中建立數(shù)值模擬范圍內(nèi)煤層模型的FLAC3D命令代碼，進(jìn)而生成FLAC3D格式的txt 煤層模型文件。在FLAC3D中導(dǎo)入“煤層.txt”文件，即可生成實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的煤層模型。

圖4 批量計(jì)算頂面網(wǎng)格點(diǎn)的z坐標(biāo)值

2.6 數(shù)值模擬模型各地層建模

根據(jù)煤礦區(qū)的鉆孔數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)綜合取舍得到采區(qū)鉆孔的綜合柱狀圖[9]。根據(jù)鉆孔綜合柱狀圖并結(jié)合礦區(qū)實(shí)際地質(zhì)情況，將采區(qū)內(nèi)的地層按照巖石性質(zhì)進(jìn)行綜合歸類分層。參照煤層模型建立過(guò)程建立各地層的數(shù)值模擬模型。

2.7 整體數(shù)值模型可視化

根據(jù)煤層和其他各地層模型的FLAC3D命令代碼，按照地層從上到下的順序，依次復(fù)制各地層模型的FLAC3D代碼到文本編輯器中，生成FLAC3D格式的模型文件。在FLAC3D中導(dǎo)入“模型.txt”文件，即可生成所構(gòu)建的模型，最終整體模型的可視化效果如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)最終FLAC3D模型

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于GIS-Excel 快速FLAC3D數(shù)值模擬模型建模方法，描述了建模流程，并利用該方法，結(jié)合某礦區(qū)已有地表移動(dòng)觀測(cè)站測(cè)量數(shù)據(jù)及地質(zhì)資料，詳細(xì)敘述了該礦區(qū)數(shù)值模擬模型的建立過(guò)程。體現(xiàn)了該方法建模速度快、不易出錯(cuò)、人工計(jì)算量小、三維模型逼近的特點(diǎn)。

本文僅僅是研究了數(shù)值模擬模型建立的一種方法，并沒有根據(jù)建立的數(shù)值模型模擬出的形變信息反演形變信息參數(shù)，對(duì)模型形變信息參數(shù)進(jìn)行反演以更深入研究地下開采對(duì)地表和巖層的移動(dòng)形變規(guī)律[10-11]。