基于GIS-Excel快速FLAC3D數值模擬建模方法研究

馮艷順，王紅奪，謝玉磊

（河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院，河南鄭州450006）

模擬研究法作為煤礦區巖層與地表移動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的模擬研究方法和數值力學分析方法[2]。傳統的模擬研究方法包括力學理論分析法、現場實測法和物理模擬法。力學理論分析法目前只能解決簡單形狀礦體開采沉陷的模擬，現場實測的方法時間長，耗費人力、物力，物理模擬法的結果直觀，由于受到模型大小及信息提取、處理技術和時間、成本等因素的制約，很難分析出各個因素對開采沉陷的影響，并且只能做出定性分析[3]。數值模擬方法的出現，很好地克服了以上方法的不足。FLAC3D數值模擬方法同傳統的沉陷預計研究方法相比，是一種方便靈活的方法，可以根據研究的問題建立分析模型，模擬復雜地質及其他復雜因素下礦體開采引起的地表沉陷及形變規律，加上該方法強大的后處理功能使得數據分析非常便捷，國內外學者對該方法在礦山方面進行了深入探索[4-5]。

目前FLAC3D數值模擬方法已廣泛應用于巖石滑坡、煤礦區開采沉陷數值模擬、水利及隧道圍巖穩定性分析等研究領域中。

1 FLAC3D數值模擬建模技術流程

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

（1）模擬范圍大小的確定[6]。根據礦區地面實測數據確定數值模擬范圍；

（2）建立礦層工作面模型。收集礦區地質、采礦資料，如采區地形圖、鉆孔柱狀圖、礦層底板等高線等。使用GIS 平臺，根據模型分塊“條帶狀”貫通原則及模型塊按照“條帶”劃分網格數的方法，實現礦層的建模；

（3）各地層厚度推算。根據鉆孔柱狀圖，計算各個地層厚度；

（4）快速代碼生成。按照FLAC3D基本單元節點的編號順序，利用Excel 快速代碼生成方法生成節點代碼；

（5）各地層模型的生成及可視化[7]。

2 FLAC3D數值模擬模型建模實例

2.1 實驗地點位置及地質條件概況

本次試驗地點位于某礦業集團下轄煤礦，對正在開采工作面I020902進行數值模擬模型建模，該工作面位于井田西北，工作面的西、北兩側均為井田邊界，附近無采掘歷史。工作面處的地面高度平均高度為1400m。該工作面走向長約255m，傾向長約1548m，工作面煤層標高為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°。工作面區域內地層總體上為向西傾斜的單斜構造，如圖1所示，區域內小型波狀起伏較為多見，部分區段坡度達11°，無巖漿巖和巖溶陷落柱等構造，地質構造為I類的簡單型。

2.2 資料準備

圖1 實驗地點采區9號煤層可視化圖

本次數值模擬模型建立之前，需要搜集礦區的各種數據資料，該礦區現有資料如下：

（1）采區資料：井田區域地形圖、井上下對照圖、采掘工程平面圖、采區勘探報告、采區設計說明書等；

（2）水文地質資料，如：采區地形地質及綜合水文地質圖、鉆孔綜合柱狀圖、礦層賦存條件、上覆巖層物理力學性質等；

（3）開采工作面資料，如：工作面底板等高線圖、工作面地質說明書、回采工作面水文地質情況分析報告、開采厚度、回采時間及周圍開采情況等；

（4）測區井上下測量資料，如：控制點、導線點和水準點的坐標。

2.3 煤層模型的分塊與編號

根據已建立的地表移動觀測站資料確定所需要建立煤層模型的范圍。在煤層及各個巖層的實際建模過程中，根據FLAC3D節點編號規律，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，對煤層及各巖層進行分塊[8]。在數值模擬模型范圍的左下角添加相對坐標系中的x、y軸，如圖2所示。

圖2 煤層模型的最終分塊與編號

2.4 煤層模型分塊節點坐標計算

（1）煤層模型分塊節點的高程z計算。首先，提取采區采掘工程平面圖中的煤層底板等高線，結合GIS分析軟件，建立采區煤層底板的TIN格式數據。然后，根據TIN格式數據獲取模擬范圍內煤層分塊底面各個節點的高程值z坐標，最后，根據煤層平均開采厚度計算煤層分塊頂面各個節點的高程z值。具體方法如下：

假設地表某一個鉆孔點為A，該鉆孔點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，B處相應的i巖層厚度為待求值dx，若B點從地表至煤層的深度為H，如圖3所示。

圖3 巖層厚度計算示意圖

由圖3可得公式（1）如下：

由上式，可得dx為：

上式中dx即為每層巖層在數值模擬計算時的厚度。

根據各巖層的厚度利用Excel 計算各模型分塊頂面各節點高程z,即將煤層分塊底面各個節點的高程z值加上煤層平均開采厚度即可。如圖4所示。

（2）煤層模型分塊節點的平面坐標（x，y）計算。在煤層的數值模擬計算建模過程中，煤層模型分塊的節點平面坐標（x，y）從礦區采掘工程平面圖的CAD格式數據中直接讀取。

2.5 煤層模型的可視化

根據GIS-Excel 構模方法和快速計算優勢在Excel中建立數值模擬范圍內煤層模型的FLAC3D命令代碼，進而生成FLAC3D格式的txt 煤層模型文件。在FLAC3D中導入“煤層.txt”文件，即可生成實驗地點的煤層模型。

圖4 批量計算頂面網格點的z坐標值

2.6 數值模擬模型各地層建模

根據煤礦區的鉆孔數據，經過綜合取舍得到采區鉆孔的綜合柱狀圖[9]。根據鉆孔綜合柱狀圖并結合礦區實際地質情況，將采區內的地層按照巖石性質進行綜合歸類分層。參照煤層模型建立過程建立各地層的數值模擬模型。

2.7 整體數值模型可視化

根據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中導入“模型.txt”文件，即可生成所構建的模型，最終整體模型的可視化效果如圖5所示。

圖5 實驗地點最終FLAC3D模型

3 結束語

本文研究了基于GIS-Excel 快速FLAC3D數值模擬模型建模方法，描述了建模流程，并利用該方法，結合某礦區已有地表移動觀測站測量數據及地質資料，詳細敘述了該礦區數值模擬模型的建立過程。體現了該方法建模速度快、不易出錯、人工計算量小、三維模型逼近的特點。

本文僅僅是研究了數值模擬模型建立的一種方法，并沒有根據建立的數值模型模擬出的形變信息反演形變信息參數，對模型形變信息參數進行反演以更深入研究地下開采對地表和巖層的移動形變規律[10-11]。