基于FLAC3D和SURFER的矸石充填开采沉陷数值模拟
基于FLAC3D上向水平分层充填采矿法数值模拟
ｕｌａｔｉｏｎ ａｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ．
ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｉｎｇ；ｏｖｅｒｈａｎｄ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｃｕｔ—ａｎｄ ｆｉｌｌ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｔｏｐ ｈｅｉｇｈｔ；ｇａｐ
ｅｘｐｏｓｕｒｅ ａｒｅａ
确定合理的采场参数和选择合适的回采工艺是 矿山进行安全、高效生产的前提。确定采场参数有 不同的方法，如经验类比法、现场试验法及数值分 析方法等…。数值分析方法首先要建立矿岩岩石 力学数学模型，然后在特定的边界条件下求出该问 题的解。随着计算机技术的发展，数值分析技术在 矿山工程中得到了广泛的应用旧。４１。
Ｆｉｇ．６ Ｆｉｇｕｒｅ ａｒｅａ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｍｏｄｅｌ ｓｅｃｔｉｏｎ（Ｙ＝２５ｍ）
２００８年８月 第３７卷第４期（总第２１１期）
云南冶金 ＹＵＮＮＡＮ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ
Ａｕｇ．２００８ ＶｏＬ ３７．Ｎｏ．４（Ｓｕｍ ２１１）
基于ＦＬＡＣ３Ｄ上向水平分层充填采矿法数值模拟
郑友富，王洪武，曾 晟，贺桂成
（云南驰宏锌锗股份有限公司，云南 曲靖６５５０００）
摘要：为了安全高效地回收宁南骑骡沟铅锌矿区残矿，采用ＦＬＡＣ３Ｄ有限元法对上向水平分层充填采矿法 的结构参数和开采工艺过程进行了数值模拟，以便指导残矿的开采方案设计。数值模拟结果表明：上向水平分层 充填采矿法的最大控顶高度为１０ｍ，最大空区暴露面积控制在１５０—２５０ｍ２以内，采用３采１充或２采１充的回采 工艺能保证安全产生。生产结果表明：应用数值模拟结果指导采矿方法和开采工艺设计是合理的。
／‘＝（盯ｌ～盯３）一（盯１＋盯３）ｓｉｎｑｏ一２ｃｃｏｓｑｏ＝０（１） 最大拉应力准则屈服函数为：ｆ１＝０＂３一盯．（２） 式（１），（２）中Ｃ为材料的粘聚力；妒为内摩擦 角；０－为抗拉强度；们，０＂３为最大主直力和最小应力。 ２）计算参数根据骑骡沟铅锌矿区探采结合 工程可行性研究报告，数值分析力学参数见表Ｉ。
不同充填率下原生矸石充填矿压显现规律数值模拟
不同充填率下原生矸石充填矿压显现规律的数值模拟郑永，徐兵，郭鑫（山东省新汶矿业集团翟镇煤矿，山东新泰 271204）摘要：文章以翟镇煤矿 7402E充填工作面为例，运用 FLAC3D软件建立矸石充填数值计算模型，研究不同的充实率条件下原生矸石充填矿压显现规律，并结合现场的施工条件及配套设备，选取85%为最佳充填率。
关键词：充填率原生矸石矿压显现数值模拟1 工作面概况翟镇煤矿7402E面是以原生矸石为充填原料的综合机械化充填工作面，该工作面平均采深600m，煤层的平均倾角为4°，采高2.15m，煤层的走向长178m,倾向长123m，基本顶为细沙岩，直接顶是由砂岩互层、灰黑色粉砂岩及煤2上2分层构成的复合顶，煤层顶底板具体特征见表1所示。
表1 顶、底板岩性特征表名称岩石名称厚度/m 岩性特征基本顶细砂岩15.5 裂隙发育，较软，普式硬度系数f为3.0。
直接顶复合顶板 5.722上煤2分层与砂岩的互层。
煤 2.15 黑色块状，以暗煤为主，夹亮煤及镜煤条带。
直接底细砂岩7.85以石英为主，孔隙胶结，细2 不同充填率下原生矸石充填矿压显现规律的数值模拟2. 1不同充填率下原生矸石充填数值模拟的建立根据煤层顶、底板的岩性特征，可计算得出煤岩层的各项力学参数见表2所示。
表2煤岩层岩力学参数岩层厚度/m密度/(kg·m-3)体积模量/GPa剪切模量/GPa内聚力/MPa抗拉强度/MPa内摩擦角/°泥岩12.3 2200 2.3 1.6 3.3 2.26 32 细粒砂岩17.5 2400 3.0 1.7 3.8 2.20 28 泥岩岩12 2700 4.5 2.7 5.7 3.60 32 细砂岩15.5 2600 4.2 3.2 4.6 4.31 30 粉砂岩 5.72 2200 2.3 1.6 3.3 2.26 32 2煤 2.15 1400 1.2 0.6 0.8 1.10 19 细砂岩7.85 2600 4.2 3.2 4.6 4.31 30 中砂岩 6.0 2700 4.5 2.7 5.7 3.60 32 粉砂岩23.0 2400 3.0 1.7 3.8 2.20 281）采空区顶板垂直应力大小自下而上逐级递减，呈分层分布。
煤矿开采沉陷预测的数值模拟
本研究确立煤系岩体的本构关系为: 在工作面 开采前, 煤系岩体处于原岩应力状态; 采用近似理 想的弹塑性模型, 破坏准则选用M oh r- Cou lom b 准则。 采空区冒落矸石是一种松散介质, 随着间隔 时间的增加, 采空区冒落矸石逐步被压实, 强度逐 步提高, 可近似地用弹性支撑体表述。 模拟中采用 改变垮落带力学参数的办法。根据文献[ 3 ], 矸石的 密度 Θ、弹性模量 E 和泊松比 Λ 都随时间而增加,
3. 1 模型开采方案设计
走向模型设计应位于本采区走向方向最大下 沉剖面上。 根据矿井实测地表资料, 设计走向模型 剖面位置在 13 煤第一水平倾向中部略偏下山, 模 型长 1 200 m , 模型高度 380 m。由于该剖面的位置
关系, 该模型主要模拟 13 煤开采后地表走向方向 的移动变形情况。 根据走向模型设计目的, 走向模 拟模型方案如表 2 所示。
11
安徽理工大学学报 (自然科学版) 2003 年第 23 卷
应力、变形破坏和地表移动变形等的发展变化过 程, 在开采过程中, 工作面每推进一定距离进行一 次运算, 总计河堤下开采工作面走向模型分解成五 个开采阶段, 分别为工作面距河堤±250 m、±200 m、±150 m、±100 m 和±50 m 五个阶段进行模 拟, 以体现岩层及地表移动的演化过程。
11
11# 煤
2 237 1. 3
0. 1
0. 4 0. 25
0. 8
0. 16
0. 8 20 1 420
12 砂泥岩互层 10 247 21
1. 74 1. 32 0. 27 2. 869 565 0. 519 685 2. 1 34 2 560
13 砂泥岩互层 10 260 21. 1 1. 78 1. 42 0. 26 2. 958 333 0. 563 492 2. 1 34 . 4 0. 12 0. 08 0. 3
基于FLAC数值模拟的膏体充填控制覆岩变形与地表沉陷分析
基于FLAC数值模拟的膏体充填控制覆岩变形与地表沉陷分析发表时间：2020-11-05T15:47:01.143Z 来源：《工程管理前沿》2020年第22期作者：周雨垚，谢小平，黄省，王菊，梁芳[导读] 煤矿膏体充填开采是一种有效的解决煤矿开采对水资源、土地资源、建周雨垚，谢小平，黄省，王菊，梁芳贵州六盘水师范学院矿业与土木工程学院，贵州，六盘水，553004摘要：煤矿膏体充填开采是一种有效的解决煤矿开采对水资源、土地资源、建筑物等造成破坏的开采方法，相对于其它垮落法开采、条带开采、离层区注浆、水砂充填等开采技术而言，具有安全性高、采出率高、环境友好等优点。
本论文从理论和实践上，着重研究了膏体充填开采岩层移动变形与地表沉陷控制的相关问题，采用数值计算的方法，分析了充填开采时顶板岩层的移动变形过程及支承压力分布特征，并对充填开采覆岩变形破坏进行了分类，明确了充填开采岩层控制的关键是控制直接顶及下位老顶的移动变形。
关键词：膏体充填；采空区；矿山压力；地表沉陷；数值模拟；中图分类号：TD 823 文献标识码：A1 工程概况膏体充填的试验地点矿井田北翼-300 m水平至-190 m水平之间的14259工作面，埋藏深度352～407 m，地面标高为+197 m，工作面标高为-155 ~ -210。
储量29.5万t。
原方案采用条带开采，开采条带宽45m，煤柱条带宽75m，两层煤垂直重叠布置，共布置8个工作面如图1-1所示。
其中，野青布置四个，分别是14457、14459、14461、14463条带工作面，大煤布置4个，分别是14257、14259、14261、14263条带工作面。
目前，野青的四个条带工作面（14457、14459、14461、14463）已经采完；大煤14257垮落法放顶煤条带工作面也已经采完。
14259工作面开采2#煤层，顶板为二级II类，工作面顶底板柱状图如图1-2所示。
其中，直接顶板为粉砂岩，厚度2~14 m，直接顶垮落步距6~8 m，老顶为细砂岩，平均厚度11.25 m。
基于FLAC3D的软基路段管廊路基施工期沉降数值模拟
福 建 建 筑Fueian Aechitectuee& Consteuction2021年第03期总第273期No 03 • 2021Vol - 273基于FLAC3D 的软基路段管廊路基施工期沉降数值模拟陈宗燕(福州新区交通建设有限责任公司 福建福州350000)摘要:为揭示不同施工阶段软基路段管廊路基的沉降特性，基于摩尔库伦屈服准则，采用FLAC3D 软件对施工期三个阶段的沉降进行模拟。
结果表明：支护开挖过程中，差异沉降率(位移量与距离基坑中心点之比)为0.17%左右，地 表沉降量与距离基坑边的距离呈“V ”型分布。
而坑底的隆起量呈拱形分布，且最大隆起量约为最小隆起量的10倍% 在管廊主体及基坑回填阶段，基坑的差异沉降率达0. 275%，由于地下水的浮力以及开挖引起的隆起，管廊对路基底面竖向位移的影响呈“钟”型分布%在路基回填阶段，差异沉降率分别为0.35%和0. 067%，路基底面和顶面的沉降曲线 呈“ W ”型％关键词：综合管廊;路基沉降;FLAC3D ；软基段中图分类号:U416. 1 文献标识码:A 文章编号：1004 -6135(2021)03 -0070 -07FLAC 3 D - baseC Numerical Simulation of Subgrade Settlement During ConstructionofPipe Gallery and RoadbeC on Soft GroundCHEN Zongyan,(Fuzhou New Area Transportation Construction Co. ,Ltd , Fuzhou 350000)Abstract : In order te reveal the settlement characteristics of the existing pipe gallery embankment in dilerent construction staaes ，based on the Mohr Coulomb criterion ，FLAC3D software was used te simulate the settlement of the three staaes of the construction period. The re sults show that during the excavation of the support ，the surface settlement and the distance from the edge of the foundation pit are distribu ted in a " V" shape ，and the diZerential settlement rate (the ratio of the displacement te the center of the foundation pit) is about 0. 17% . The uplift at the bottom of the pit is diswiduwd in an arch shape ，and the maximum uplift is about 10 times the minimum uplife During1hemain bodsoo1hepipega e esand 1heooundaion pibackoi i ngsage ，due o1hebuosancsoo1hegeoundwaeeand 1heupaiocaused bs the excavation ，the infuence of the pipe gallery on the vertical displacement of the road base surface is in a "bell" - shaped distribution ，and the settlement dlFerence rate of the foundation pit reaches 0. 275%. In the subgrade backfilling staae ，the settlement curve of the base and top ootheeoad is"W"-shaped ，and the se t aement di o e eence eate is 0. 35% and 0.067%.Keywords : Intearated pipe gallery ； Roadbed settlement ； FLAC3D ； Soft foundation sectiono 引言早在19世纪，国外部分发达国家就开始了城市 地下管廊建设研究，国内自2013年国务院提出开展 地下综合管廊工程试点起［1］，加上一系列相应的配套政策陆续出台，地下综合管廊在国内各地的建设也按下了快进键％仅2019年，新开地下综合管廊项目就 超过百个，总投资约1400亿元［2］ %作者简介:陈宗燕(1979.08 -)，男，高级工程师。
基于FLAC3D的矿山开采沉陷数值模拟研究
基于FLAC3D的矿山开采沉陷数值模拟研究中国经济的快速发展,对能源的需求量越来越大,特别是煤矿资源。
煤矿被开挖出之后,矿区岩体的原有应力会发生很大的变化,当应力的改变超出一定范围,则地表产生移动和变形,这将给社会和环境带来巨大的问题。
因此开展开采沉陷的研究显得尤为重要,掌握地表沉陷规律就可以采取适当的措施避免地下开采的有害影响。
本文阐述了顾北矿某首采工作面的基本情况和地质资料,并以工作面的地质资料为基础,利用编写的程序导入到FLAC3D模拟软件中进行数值模拟试验,模拟矿山不同推进进度、不同煤层采厚、不同煤层倾角情况下地表移动变形规律,为矿山开采沉陷工程实践提供依据和方法,得出的规律如下：1.推进进度的影响：随着工作面的不断推进,地表最大下沉值和水平移动值不断增大,采空区也不断扩大,采空区上覆岩体塌落的高度和范围也将增大。
走向方向的最大下沉值点位于采空区中央上方且以最大下沉值为中心曲线两边对称,倾向方向的最大下沉值关于采空区中央呈现对称状态。
2.煤层采厚的影响：随着煤层采厚的不断增加,垂直方向的最大下沉值不断增大,水平位移值也不断增大,其下沉对地表的影响范围基本保持不变。
3.煤层倾角的影响：当煤层开采倾角的增大时,倾向方向最大下沉值不断减小,且最大下沉值点不位于采空区正中央,而是往煤层上山方向移动,下山方向的水平位移值不断减小,上山方向的水平位移值不断增大。
下煤层充填开采充实率设计的数值模拟
下煤层充填开采充实率设计的数值模拟王冰;郭广礼;李怀展;郭庆彪【摘要】多煤层开采时,下煤层充填开采效果会直接影响地表移动变形值。
充实率越高,地表缓沉效果越明显,但其开采成本也越高。
基于此矛盾点,利用FLAC3D 数值模拟软件,系统地研究了某矿区下煤层不同充实率方案时地表移动变形值的变化规律。
实验结果表明：①随着充实率的提高,地表移动变形值是呈负指数函数减小的,直至趋于某值后不再变化；②在充实率为80%时,地表最大下沉值为750 mm、最大倾斜变形值为1．5 mm/m、最大水平移动值为1．4 mm/m,均满足规程要求。
不仅能保证地面建(构)筑物的安全,还能达到最优的经济效益。
研究成果对于指导下煤层充填开采具有十分重要的理论和现实意义。
%The filling effect of lower coal seam directly affects the surface movement and deformation in the multi-coal seam mining. The higher ratio of backfilling is,the more obviously the effect of surface subsidence decreases,but the higher the mining cost becomes. In view of this contradiction,and based on the FLAC3D numerical simulation software,the change law of the surface movement and deformation were studied systematically for different size of ratio of backfilling. The experimental re-sults showed that:①With the increase of ratio of backfilling,The value of surface movement and deformation is decreasing in negative exponent function,and no longer changes until it reaches a certain valu e.②When the ratio of backfilling is 80%,the maximum surface subsidence value is 750 mm,the maximum slope deformation value is 1. 5 mm/m,the maximum horizontal displacement deformation value is 1. 4 mm/m,and all of them conform tothe requirements of the regulations. Then,the safety of ground buildings( structures) can be ensured,and also the optimal economic benefits is achieved. The research results have important theoretical and practical significance for guiding backfilling mining of lower coal seam.【期刊名称】《金属矿山》【年(卷),期】2016(000)009【总页数】4页(P69-72)【关键词】条带开采;充实率设计;FLAC3D;地表移动变形【作者】王冰;郭广礼;李怀展;郭庆彪【作者单位】中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221008; 国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏徐州221008; 江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏徐州221008;中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221008; 国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏徐州221008; 江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏徐州221008;中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221008; 国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏徐州221008; 江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏徐州221008;中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221008; 国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏徐州221008; 江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏徐州221008【正文语种】中文【中图分类】TD325目前常用的沉陷控制方式有部分开采、充填开采、离层注浆等[1]。
FLAC3D对基坑开挖数值模拟分析
平衡状态，此时得到的模拟计算结果见图 2 ～ 6，图 2 为
基坑 Z 方向应力云图，在模型中共分为 9 个区域，各区
域的应力值范围分别为： － 7． 3827e + 005 to － 7． 0000e
+ 005、－ 7． 0000e + 005 to － 6． 0000e + 005、－ 6． 0000e
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资源环境与工程
以下取 30 m。因 此 模 型 X 方 向 长 50 m，Y 方 向 长 40 m，Z 方向长 38 m。在初始条件中，不考虑构造应 力，仅考 虑 自 重 应 力 产 生 的 初 始 应 力 场。模 型 共 有 10 500个单元，12 012 个节点（ 图 1） 。
2013 年
移为 47. 35 cm，位移变形的影响范围沿基坑边缘向外约 6. 0 m。通过对位移变形矢量图及剪应变增量矢量
图分析，可知基坑边墙可能产生滑动破坏的现象。
关键词： FLAC3D; 基坑; 应力; 位移
中图分类号： TV551． 4 + 2
文献标识码： B
文章编号： 1671 － 1211( 2013) 04 － 0535 － 03
GPa，土体的体积模量 K 和剪切模量 G 与弹性模量 E 及泊松比 μ 之间的转换关系为［4］：
K
=
3（
1
E － 2μ）
（ 1）
G
=
2（
E 1+
μ）
（ 2）
由式（ 1） 和式（ 2） 计算得： 体积模量 K = 202． 90 MPa，
剪切模量 G = 110． 24 MPa。将求得的物理力学参数，
+ 005 to － 5． 0000e + 005、－ 5． 0000e + 005 to －
基于GIS和FLAC_3D_矿山地表沉陷可视化
FLAC3D 在矿山及建筑工程领域的数值模拟中应 用广泛，它对原型合理简化建立计算模型，选择合理 参数，能模拟出矿体开采诱发的地表移动和变形［5］。 因此，利用 FLAC3D模拟对地表移动变形进行了计算， 并将与地表布设的监测点实测值进行对比分析。 1． 2． 1 几何模型
采用三维快速拉格朗日连续分析（ Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions） FLAC-3D 2． 10 做研究平台，模拟小岭硫铁矿采矿产生地表沉 陷的状态。基于 FLAC-3D 对单元几何特征参数的 要求以及稳定性分析对介质尺寸的考虑，建立研究 对象的几何模型。其过程是： ①对矿区坐标进行变 换，设置能 直 观 反 映 分 析 模 型 几 何 特 征 的 坐 标 轴。 坐标变换后坐标轴设置结果为： X 轴沿矿体走向布 置，正方向为勘探线 4 线 ～ 1 线方向； Y 轴垂直矿体 走向布置，正方向从矿体东部指向矿体西部； Z 轴与 高程增加方向相同； ②根据地质剖面图、分段采矿工 程设计图，构建矿体几何模型。在模型中，矿体及其 相邻围岩采用 10 m × 10 m × 10 m 正六面体单元进 行离散； ③对矿体模型进行打包，以此为基础向外发 散，形成研究对象的几何模型。几何模型的范围在 3 个坐标方向依次为： 垂直方向（ Z 轴） 为 － 1 000 ～
基于MATLAB和FLAC^(3D)的开采沉陷仿真教学实验系统研发
收稿日期2020-11-11基金项目国家自然科学基金项目（编号：52074010）；高等学校省级质量工程项目（编号：2017jyxm1246）。
作者简介王磊（1984—），男，副院长，副教授，博士（后），硕士研究生导师。
总第537期2021年第3期金属矿山METAL MINE基于MATLAB 和FLAC 3D 的开采沉陷仿真教学实验系统研发王磊滕超群江克贵（安徽理工大学空间信息与测绘工程学院，安徽淮南232001）摘要矿山开采岩层移动与地表沉陷机理及规律是《矿山开采沉陷学》的核心基础理论，其相关教学内容复杂且抽象，是课程教学的重点和难点。
针对常规教学方法课堂效果差，且现有开采沉陷计算机仿真教学存在诸多不足，综合矿山开采沉陷原理与方法、现有矿山开采沉陷研究热点问题以及前沿仿真教学设计方法，利用MATLAB 和FLAC 3D 平台研发了矿山开采沉陷仿真教学实验系统。
系统主要包括两个模块：①基于MATLAB 和FLAC 3D 耦合的岩层移动机理仿真模块。
该模块针对矿山开采岩层移动相关教学内容，通过对MATLAB 数值计算与表达功能和FLAC 3D 数值模拟功能的互补耦合，实现了对岩层移动机理和岩层移动规律的仿真。
②基于MATLAB GUI 的地表沉陷规律仿真模块。
该模块针对矿山开采地表沉陷相关教学内容，基于MATLAB GUI 开发了开采沉陷预计原理仿真、智能参数反演原理仿真和开采沉陷规律仿真3个地表沉陷规律仿真子模块，实现了对地表沉陷时空演化规律的仿真。
所开发的系统界面友好，操作简捷，通过人机交互界面与系统进行交流，可以让学生充分理解并掌握岩移机理和规律、开采沉陷原理，以及开展相关预计参数求解等创新性实验，从而有效提高教学质量和效果。
教学实践表明：所构建的教学实验系统可以极大地提高学生的理解能力，培养学生的创新精神和学习兴趣，可有效解决《矿山开采沉陷学》教学的瓶颈问题。
关键词开采沉陷模拟技术MTLABFLAC 3D仿真教学中图分类号TD325文献标志码A文章编号1001-1250（2021）-03-176-08DOI 10.19614/ki.jsks.202103025Study and Development of a Simulation Teaching Experiment System for Mining Subsidence Basedon MATLAB and FLAC 3DWANG Lei TENG Chaoqun JIANG Kegui （School of Spatial Informatics and Geomatics Engineering ，Anhui University of Science and Technology ，Huainan 232001，China ）AbstractThe mechanism and laws of rock formation movement and surface subsidence in mining operation are thecore basic theories of Mining Subsidence Science .The relevant teaching content is complex and abstract ，which is the focus and difficulty of course teaching.In view of the poor classroom effect of conventional teaching methods ，and many shortcom⁃ings of existing computer simulation teaching of mining subsidence ，this paper comprehensively integrates the principles and methods of mining subsidence ，the current hot issues of mining subsidence studies and the advanced simulation teaching de⁃sign methods ，a simulation teaching experiment system for mining subsidence based on the MATLAB and FLAC 3D is con⁃strusted.The system mainly includes two modules:①The simulation module of rock formation movement mechanism based on the coupling of MATLAB and FLAC 3D .This module aims at the teaching content related to rock formation movement in mining ，and realizes the simulation of the rock formation movement mechanism and the law of formation movement throughthe complementary function coupling of MATLAB numerical calculation and expression and FLAC 3D numerical simulation.②The simulation module of surface subsidence law based on MATLAB GUI.This module is aimed at the related teaching content of surface subsidence in mining ，and based on MATLAB GUI ，developed three surface subsidence law simulation sub -modules ，namely ，mining subsidence prediction principle simulation ，intelligent parameter inversion principle simula⁃Series No.537March 2021176tion and mining subsidence law simulation，and realized the temporal and spatial law of surface subsidence simulation.The system developed in this paper has a friendly interface and simple operation，and students can fully understand the mecha⁃nism and law of rock movement，the principle of mining subsidence，and carry out innovative experiments of solving related prediction parameters by using the human-computer interface，so as to effectively improve the quality and effect of teaching. Teaching practice shows that students'comprehension can be greatly improved，and the innovative spirit and learning inter⁃est can be cultivated by using the constructed teaching experiment system.The research results of this paper is help for ef⁃fectively solving the bottleneck problem in the teaching of Mining Subsidence Science.Keywords mining subsidence，simulation technology，MTLAB，FLAC3D，simulation teaching《矿山开采沉陷学》是煤炭行业特色高校测绘工程专业的必修课程，也是数字矿山与沉陷控制学科的专业基础课程，课程包括变形监测、开采沉陷规律、开采沉陷灾害预测和防控以及矿山环境修复和治理等内容，涉及地质、采矿、测量、环境、力学、建筑、计算机等多个学科，属于典型的交叉学科课程。
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Exp loration of N um erical S i m u lation on th eM in ing Sub sidence of the Gangue Back fill Based on FLAC3D and SURFER L i Shua i
1, 2 1, 2 1, 2 1, 2
主采煤层 充填矸石 直接顶 老顶 中粒、 砂岩互层 泥岩、 泥岩互层 表土层
煤层走向方向, 充分采动时地表最大水平移动系 b 为 0. 20 ~ 0 . 40 , 本次模拟煤层为近水平煤层, b 取 0 . 30 ; 现场实测表明, 最大下沉角 与覆岩岩性和矿 层倾角有关, 参考文献 [ 4] 给出对于近水平且覆岩 中硬的煤层 , 为 90 ; 中硬覆岩的拐点偏移距 S 为 (0 . 8~ 0 . 30)H 0, H 0 为平均采深 169 m, 故 S 取 32 . 1 m; 主 要影响角 为 61 , 主要影响 角正切 tan 为 1 . 80 , 回采速度按每天 5 m 计算。据此 , 对图 1 充填 开采沉陷进行了预计, 其地表下沉及水平移动等值 线如图 3 和图 4所示。
2 计算结果及对比分析
2 . 1 使用概率积分法计算预测结果 概率积分法的基础是随机介质理论 , 使用概率 积分法进行地表移动变形预计时 , 其参数的选择是 至关重要的, 一般需要经过现场观测, 将若干观测资 料进行综合分析再加以修正才能确定。根据所要模 拟的开采区域的 地质资料分析, 参考文献 [ 1] 通过 对我国 30 多个地表移动观测站资料的研究, 给出采 用矸石充填时 ( 充填率为 100% ), 地表的下沉系数 q为 0 . 05 ~ 0 . 20 , 由于本次模拟近水平煤层充填开 采, 考虑到煤层覆岩多为中硬岩层 , 故 q 取 0 . 17 ;沿
概率积分法预计时需要进行参数确定的问题。
以后的地表移动和变形 , 如图 1 。建立尺寸为 1 000 m 500 m 209 m 的三维 模型, 该计算 模型 共有 42 300 个单元, 50 865 个单元节点, 模型的示意如图 2 。设计开采设计开采中部区域, 每开采和充填 25 m 模拟计算 1 次, 开采完成时共进行 200 / 25= 8 步 模拟开采。
20
图 1 开采区域数值模拟模型 俯视
图 2 建立的 FLAC3D 模型
1 . 3 模拟计算参数选取 根据所模拟的地质条件 , 从地表到 209 m 深度 共有 7 层岩层, 连 同充填矸石共 为 8 种岩土类 型。 由于煤层开采深度小且厚度不是很大的情况下, 摩 尔库伦模型更贴近于实际, 所以岩层和表土层的模 型都定为摩尔库伦模型 ; 对于充填矸石 , 这里暂不考 虑其由于覆岩压实作用 , 材料密度 , 弹性模量 E 和 泊松比 随时间而增加 , 所以充填矸石采用摩尔库 伦模型; 根据材料力学特征, 分别采用以下不同的力 学模型。表 1 给出了试验测试的岩石 ( 包括矸石 ) 和煤的物理力学参数。
体积模量 /M Pa 6. 94 2. 08 2. 21 1. 33 7. 44 8. 26 8. 83 1. 67 108 108 108 108 108 108 108 108
剪切模量 /M Pa 5. 21 3. 52 2. 31 4. 44 5. 12 4. 72 1. 89 3. 60 108 107 107 107 107 107 108 105
栗
帅等 : 基于 FLAC3D 和 SURFER 的矸石充填开采沉陷数值模拟
表 1 各岩层力学参数
2010年第 7 期
岩层名称 底 板
密 度 / ( kg /m 3 ) 2 600 1 400 1 700 2 400 2 500 2 640 2 600 1 800
厚
度 /m 40 3 3 6 40 40 50 30
栗
矸石充填开采也会造成一定的地面沉陷, 因此 为了不给煤体上方建筑物等造成破坏 , 有必要对矸 石充填开采引起的地表沉陷规律做出预测和判断。 目前对于矸石充填开采沉 陷预计主要有概 率积分 法、 积分网格法、 剖面函数法等, 其中概率积分法以 其预计精度相对较高而得到普遍认可。但是采用概 率积分法需要对主要影响角、 下沉系数等许多参数 进行修正 , 使开采地表移动的预计工作变得异常复 杂困难。本研究尝试使用 FLAC3D, SURFER8 对浅 部矸石充填开采后的地表移动情况进行预计, 采用 实际的煤岩物理力学参数为计算依据 , 避免了使用
结果进行对比 , 发现使用 FLAC3D 进行模拟与概率积分法结果比较接近。但是前 者是以实际 钻取煤岩 物理力学参 数为计算依据 , 避免了使用概率积分法预计时需要进行确定繁杂的参数 ( 如等价采厚、 主要影响角等 ) 的问题 , 为矸 石充填开采沉陷预计及 工程决策探求了一种高效简捷的方法。 关键词 FLAC3D 矸石充填开采 开采沉陷 概率积分法 预计
1 计算模型及计算参数
1 . 1 FLAC3D 和 SURFER8 简介 FLAC3D ( fast lagrang ian ana ly sis of contin ua) 是 由美国 I TASCA 公司开发的三维快速拉格朗日分析 程序。该程序能够较好地模拟地质材达到强度极限 或屈服极限时的破坏和塑性流动的力学特性 , 特别 适用于分析渐进破坏失稳以及模拟大变形。程序用 显式算法来获得模型全部运动方程的时间步长解 , 从而可以追踪材料的渐进破坏和垮落。此外 , 程序 允许输入多种材料类型 , 亦可在计算过程中改变某 个局部的材料参数, 增强了程序使用的灵活性 , 用来 提供采动区域的岩体运动过程和开 采中的充填过 程。 FLAC3D 具有强大的后处 理功能, 用户可以直 接在屏幕上绘制或以文件形式创建和输出打印多种 形式的图形 , 还可根据需要 , 将若干个变量合并在同 一幅图形中进行研究分析 , 可以表示网格、 结构以及 有关变量的等值线图、 矢量图和曲线图等 , 可以给出 计算域的任意界面上的变量图和矢 量图或等值线 图 , 可以输出各个单元节点信息以实现与其他程序 对接。 SURFER8 是美国 Go ld en 公司自主研究开发的 制作等高线和三维地形立体图的软件。其主要功能 是将数字化或者人工读取、 实际测绘获得的三维空 间数据转换成为格网数据 (或称数字高程模型 ) , 并 根据格网数据生成等高线图和地形立体图。除此之 外 , 可以利用此软 件绘制高 分辨率的 等高 ( 值 ) 线 图 , 以屏幕显示、 打印机、 绘图仪 3 种方式输出图像 , 而且使用灵活, 精确度高。 1 . 2 地质背景及数值计算模型 模拟采动区域位于某村庄下, 地面平均标高为 + 9 m, 煤层开采平均厚度为 3 . 0 m, 由于受到褶曲 的影响 , 接近于近水平煤层的浅埋煤层, 平均采深为 169 m。该层位于山西组中部, 顶板为砂岩、 粉砂岩、 砂质泥岩、 泥岩、 细砂岩等互层 , 底板多为中细粒砂 岩 , 少数为泥岩。上覆基岩以砂岩和砂质泥岩为主 , 属中等坚硬岩层 , 新生界覆盖层厚度 30 m, 由粘土、 砂层与砂质粘土组成。由于该村地表地势平坦、 建 筑物密集且抗变形等级较小 , 容易受采动影响而发 生破坏 , 基本上不具备抗变形能力, 故进行矸石充填 开采前需进行开采沉陷预计。 模拟开采该区域中部的煤层, 以开采工作面尺 寸为 200 m 100 m 的模拟为例分析矸石充填开采
据不完全统计 , 我国现有煤矿的 三下 ( 建筑 物下、 铁路下、 水体下 ) 压滞煤量超过了 130 亿 , t不 能采用常规方法开采。对于有 三下 压煤的矿区 而言, 沉陷和环境污染一直是制约其发展的两大难 题 ( 特别是华东地区 )。普通开采方法引起较大的 开采沉陷, 矸石露天堆放引起严重的环境污染。由 此引发的环境、 地质灾害和安全隐患尤为严重 , 使得 矿区建筑物、 基础设施、 农田、 建筑物等受损, 生态环 境恶化 , 居民财产和生命安全受到威胁, 是影响矿区 经济发展和社会安定的重要因素和关键问题。而矸 石充填开采就是将地面矸石充填到采空区 , 将煤炭 置换 出来 , 既能减轻矿区开采沉陷程度, 又能减 少地面矸石堆积。这是一种行之有效的集 减沉 与 减排 为一体的新型环境相容开采技术措施 , 也 是绿色采矿技术体系的核心内容之一。
Guo Guang li
Xu Doudou
Zha Jianfeng
( 1. K ey Laboratory for Land Env ironm ent and D isas ter M onitoring of SBSM; 2. J iangsu K ey Laboratory of R esources and E nvironm ental Information Eng ineering ) Abstrac t FLAC3D & SURFER 8 w ere applied to forecast the surface movem ent after gangue backfillm ining . Co m pa ring w ith the results of probab ility integration me thod , it is found out that the results of FLA C3D are so c lo ser to the resu lts o f the probab ility in teg ra tion m ethod. H o w ever , the fo r m er is based on the phys ica l and m echanica l para m ete rs ca lculated by actua l drilling o f coal and rock, w hich can avo id the proble m s in comp lex pa rame ters de ter m ination w ith the probab ility integ ra tion m ethod ( such as the equ iv alent m ining th ickness, m a in influenc ing ang le). It brings a si m ple and e fficient w ay o f gangue backfillm in ing subsidence forecast and eng ineer ing dec ision-m ak ing. K eywords FLAC3D, G angue backfillm ining , M ining subsidence , M e thod o f probab ility integ ra tion , F orecast