FLAC3D在矿井防治水中的应用.pdf

文章编号0253 - 9993200406 - 0704 - 04 FLAC3D在矿井防治水中的应用 魏学勇1,武 强2,赵树贤1 1 1 中国地震局 地壳应力研究所,北京 100085; 21 中国矿业大学北京资源与安全工程学院,北京 100083 摘 要介绍了FLAC3D软件的基本特征、解析特点和本构模型,并以开滦东欢坨矿导水断裂带 发育高度模拟计算为例阐述了其在地学领域中的应用.在分析研究区地质条件的基础上,确立了 研究区的评价模型和模拟方案,模拟计算表明,研究区内煤8和煤9回采所形成的导水断裂带都 会不同程度触及顶板砂岩裂隙含水层,因此应把防治水重点放在顶板砂岩裂隙含水层上. 关键词 FLAC3D计算软件;防治水;三维可视化数值模拟 中图分类号 TD74512 文献标识码 A 收稿日期 2003-11-28 作者简介魏学勇1974 - ,男,河北衡水人,助理研究员. Tel 010 - 82410389 , E- mail xiaowei8566 sina1com1cn Application of FLAC3Din the water prevention and cure of mine WEI Xue2yong1, WU Qiang2, ZHAO Shu2xian1 11Institute of Crustal Dynamics , China Seismologicl Bureau , Beijing 100085,China;21School of Resource and Safety Engineering , China University of Mining and Technology Beijing , Beijing 100083,China Abstract Based on introducing the essential character , analysis peculiarity and uation model of soft FLAC 3D and taking Kailuan mine as example , its use was explained in the geologic engineering area1The uation model and simu2 lated project were set up based on analyzing the geological conditions , and finally the result indicated that the leading wa2 ter cranny strip induced by exploitation of coal 8 and coal 9 could reach the sandstone aquifer , so the importance of the water2hazard prevention and cure should be posed on the sandstone aquifer in coal roof1 Key words FLAC3Dsoftware ; water prevention and cure ; three2diemnsional visual numerical simulation 近年来,各种数值模拟技术在岩土力学中有了很大的发展和广泛的应用.然而,这些数值分析方法其 理论本身以及采用的算法都有各自的局限性.例如有限元和边界元都有小变形的假设,且需要大量的内 存.近年来发展起来的快速拉格朗日分析Fast Lagrangian Analysis of Continua ,简称FLAC ,则是在较好地 吸取上述方法的优点和克服其缺点的基础上形成的一种新型的数值分析方法.FLAC3D是美国Itasca Consult2 ing Group , Inc公司为地质工程应用而开发的三维显式有限差分计算机软件.该软件建立在FLAC二维计算 程序的基础之上,并对其功能和分析能力进行扩展.该软件主要适用于模拟计算岩土体的力学变形情况和 岩土体达到屈服极限以后所产生的塑性流动情况.其所采用的显式拉格朗日快速算法,特别适合模拟大变 形和扭曲,能使计算结果更趋于准确. FLAC3D为解决三维地质工程问题提供了强有力的理想工具. 1 FLAC3D基本特征和解析特点 1基本特征 ①先进性. FLAC3D采用ANSI C 编写,在计算速度方面是基于FORTRAN语言编写 的计算程序.在算法和单元剖分方面,采用显式拉格朗日快速算法,能快速、准确地处理塑性破坏和塑性 第29卷第6期煤 炭 学 报Vol.29 No.6 2004年12月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYDec. 2004 流动问题.②功能强大性. FLAC3D在解决力学特别是地质力学复杂问题方面提供了强大的功能.该软件 具有一个功能强大的3D网格生成器,有12种基本形状的单元体可供选择,利用这12种单元体可构成任 何形状的空间立体模型. FLAC3D自身还设计有9种材料本构模型,可用于处理不同的材料问题.除此之 外, FLAC3D还拥有可自行设计的FISH语言,用户可根据自身需要设计材料的本构模型、屈服准则、支护 方案以及复杂的开挖方式等工作.③应用广泛性.正是因为FLAC3D的功能强大性,才使它在各个领域特别 是地质、岩土工程领域得到了广泛的应用.该软件可广泛用于边坡稳定性、隧道开挖、采矿设计、水坝设 计等各个方面的研究.同时, FLAC3D还可进行动力学、水力学、热力学等问题的数值模拟.④ 界面友好 性. FLAC3D的操作提供了命令驱动和菜单驱动两种模式.菜单驱动模式是一种用户界面友好的人机交互方 式,用户可根据自己的需要,对输出到屏幕的模型以及不同图件进行移动、旋转、缩放以及颜色的定制等 操作,十分灵活方便. 2解析特点 FLAC3D主要适用模拟计算地质材料和岩土工程的力学行为,特别是材料达到屈服极限 后产生的塑性流动.材料通过单元和区域表示,根据计算对象的形状构成相应的网格.每个单元在外载和 边界约束条件下,按照约定的线性或非线性应力-应变关系产生力学响应.该程序的解析特点主要有① FLAC3D基本原理类同于离散单元法,但它能像有限元那样适用于多种材料模式与边界条件的非规则区域的 连续问题求解;②在求解过程中,该程序采用了离散元的动态松弛法,不需要求解大型联立方程组刚 度矩阵 , 便于在微机上实现;③该程序是在拉格朗日算法基础上,适合模拟大变形,且能模拟岩体沿某 一软弱面产生的滑动变形;④该程序还能针对不同材料特性,使用相应的本构方程来比较真实地反映实 际材料的动态行为. 3 FLAC3D网格生成器 FLAC 3D中用于计算的有限差分网格限定了待研究分析问题的实体域. 最小可 能的网格可以只有一个单元构成,但对于大多数问题,用于计算的网格需要由成千上万个单元组成. FLAC3D具有一个功能强大的网格生成器,内置有12种基本形状的单元体可供选择.利用这些基本单元体, 几乎可以构成任何形状的空间立体模型.在FLAC3D中,这12种内置的基本形状单元体的关键字为brick , wedge , tetra , pyramid , cylinder , dbrick , radbrick , radtunnel , radcylinder , cshell , cylint , tunint.以上基本单元体 是构成评价或预测模型的基础,它们可单独用于一个模型,也可联合用于一个更加复杂的模型. 4 FLAC3D内置本构模型 FLAC 3D主要是为地质工程应用而开发的岩土体力学数值评价计算程序 ,自 身设计有9种材料本构模型空模型,弹性各向同性材料模型,弹性各向异性材料模型,德拉克-普拉格 弹性材料模型,莫尔-库仑弹塑性材料模型等.本构模型反映了材料变形的变形特征和破坏机制,在计算 过程中,它对模拟计算的精度和准确性都有较大的影响.因此,在实际应用中应根据研究对象和实际材料 的变形特性选用相应的本构模型. 2 应用实例 1矿井概况 开滦东欢坨井田地处华北型煤盆地的开平煤田西北部的车轴山向斜内,根据东欢坨井 田充水含水层组划分,认为煤5顶- A层砂岩裂隙含水层是东欢坨矿主要可采煤层 8s煤层的主要 充水水源.①煤5顶- A砂岩裂隙含水层主要以中、粗砂岩为主,裂隙发育,以“天窗式” 、 “越流式” 两种方式接受第四系底部卵砾岩孔隙含水层的补给,含水性强;②由于车轴山向斜西北翼高,东南翼低, 这就决定了自然状态下西北翼是补给区,东南翼是排泄区;③车轴山向斜东南翼地层平缓,西北翼地层 陡立,显示了褶皱形成过程中不平衡的强烈挤压作用,在平行层面剪切力作用下,在煤5顶- A层刚性岩 层中引发垂向的“X型”剪切破裂,受力较小的东南翼垂向裂隙十分发育,形成垂向网状裂隙通道.如上 所述,可以认为煤5顶- A砂岩裂隙含水层已构成了煤层顶板发生涌突水事故的充分条件.如果当煤 8回采形成的导水断裂带沟通煤5顶- A充水含水层时必要条件形成 , 便有可能发生涌突水事 故[1].因此,为了安全开采,有必要对煤8回采后顶板垮落带发育高度进行评价. 507第6期 魏学勇等 FLAC3D在矿井防治水中的应用 2评价模型的建立 用于三维数值模拟计算的地质模型位于东欢坨井田北2采区,工作面可采煤层 为8煤和9煤,煤层平均倾角20,且煤层厚度大,煤8、煤9合厚约10 m.为了消除应力边界和位移边界 效应,三维计算模型的长、宽、高分别设置为1 200 , 500 , 500 m.其中煤层厚10 m ,采煤工作面倾斜方 图1 评价模型网格剖分 Fig11 The sketch of simulation model 向中心上覆岩层厚410 m ,下伏岩层厚80 m.为了便于建模和剖分,同时 充分体现各岩层组合特征,将研究区内力学性质相近的岩层归并为一 组,因此,研究区内岩层共划分为9个层组.评价模型网格剖分如图1 所示.计算实施初始和边界条件时,在垂向上,施加自重应力;水平方 向上由于单靠泊松效应,自重应力产生的侧向应力达不到实测水平应力 大小,因此,研究区内存在一定的构造应力.为此在模拟时,水平方向 除施加自重产生的侧压以外,还施加了具有一定梯度的水平应力,以符 合实际.模拟时,计算模型边界条件确定如下①模型前、后和左、右 边界施加水平方向约束,即边界水平位移为零;②模型底部边界固定, 即底部边界水平、垂直位移为零;③模型顶部也即地表为自由边 界. 3力学模型和力学参数的确定 岩石是一种脆性材料,当荷载达到屈服强度后将发生破坏、弱化, 应属于弹塑性体[2].在FLAC3D中,对于弹塑性材料,其破坏判据准则有德拉克-普拉格准则和莫尔-库 仑准则.本项研究选择莫尔-库仑准则.计算模型中采用的各岩层力学参数由试验确定,包括弹性模量、 泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度和密度等参数. 4模拟方案的设计 为符合开采实际,模拟计算从形成初始应力场开始,并沿采煤工作面走向分步 进行.在模拟过程中,在模拟开挖将开挖空间的实单元变成空单元.随着采煤工作面不断向前推进,采空 区间不断扩大,采空区垮落岩块不断堆积并逐渐压实,因此,模拟过程中要用一定强度材料的力学参数为 采空区的材料赋值[3].根据东欢坨井田北2采区初步开采规划,需对煤8、煤9分层开采和一次采全高 煤8、煤9同时开采,综采两种情况下顶板垮落带发育高度进行评价.采煤工作面设计规格为走向 1 000 m ,倾向100 m.基于上述采煤工作面规格和开采方法,利用前面建立的评价模型进行模拟计算,结 果如图2所示. 图2 沿工作面走向a和垂向b的垂直剖面上Z向位移分布 Fig12 Z2displacement along worksite and across worksite on vertical profile 607 煤 炭 学 报 2004年第29卷 5模拟结果分析 在采动过程中,采空区周围岩体发生了较为复杂的移动和变形.由图2可知, 随着工作面向前推进,受采动影响的岩层范围不断扩大,一般达到采空区中央,岩体下沉值达到最大值. 此后,继续开采,顶板岩体移动范围仍不断扩大,但最大值不再增加,表现为采空区中央下沉值最大,向 两侧逐渐减小,呈盆状分布.当开采范围足够大时,岩层变形向上发展到地表,便有可能在地表形成开采 下沉盆地. 计算表明,在分层开采条件下,按前面设计的采煤工作面进行回采所形成的垮裂带高度Z向位移大 于4 cm ,可从图上的数据看出为73 m.在综采条件下,所形成的垮落高度为100 m.可以看出,不同开 采方法和采煤工作面大小对导水断裂带发育高度的影响是不同的.对于本项研究,回采北2采区煤8 , 9 所形成的顶板导水断裂带都不同程度地触及或接近煤5顶- A砂岩裂隙含水层.故从矿井生产效率和防治 水角度综合考虑,应把防治水的重点放在煤5顶- A砂岩裂隙含水层上.只有从根本上解决问题,才能做 到防患于未然. 3 结 语 1 FLAC3D所采用的算法、解析特点以及多种内置剖分网格单元和内置本构模型充分显示了它在地学 领域应用的广泛性、先进性和功能强大性. 2在应用FLAC3D解决三维地质工程问题时,应在充分认清水文地质、工程地质条件、地质构造和 边界条件的基础上,建立评价模型并赋予准确的本构模型和力学参数,才能使计算结果趋于准确. 参考文献 [1] 武 强,金玉洁.华北型煤田矿井防治水决策系统[M].北京煤炭工业出版社, 1995. 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