基于CAD二維平面圖形的FLAC3D斷層模擬快速建模方法

趙永曉

(國家能源集團神東煤炭集團 布爾臺煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

隨著我國煤炭資源的持續開采，開采時所面臨的地質環境日益復雜，常常會遇到斷層、褶皺等地質構造，而通過數值仿真建立計算模型往往能很好地描述并分析此類問題。但針對含斷層破碎帶復雜地質條件建立數值計算模型時,存在斷層兩側模型網格節點對接困難、節點密度大且不易控制等問題。對此國內外研究學者做出了較多研究，馮艷順等[1]提出了一種GIS-Excel新的快速建模方法，并利用該方法實現了快速建模。唐江濤等[2]提出借助surfer、ANSYS等軟件快速建立FLAC3D能夠識別的類型文件的方法，此方法能夠大大簡化建模過程，提高建模精度。王大群等[3]提出一種復雜地質體三維模型構建新方法，采用Kriging插值方法，結合逆向工程技術的優勢，快速獲得地質體曲面模型。部分專家[4-9]基于Faro-3DMine及Midas-FLAC3D耦合技術、Rhinoceros平臺、MIDAS GTS NX軟件、采用Midas/Gts軟件、3D Mine-ANSYS軟件應用到FLAC3D中，實現了快速建模。本文針對FLAC3D軟件建立含斷層破碎帶煤層數值模型時精度低等問題，提出借助CAD二維平面圖形導入FLAC3D軟件中實現快速斷層建模，以期為FLAC3D數值建模的初學者提供有益參考。

1 CAD二維平面圖形導入FLAC3D的原理

為了使 CAD二維平面圖形準確地導入FLAC3D中，首先要了解CAD二維平面圖形坐標點與FLAC3D基本單元坐標點的對應關系。CAD二維平面圖形文件基本默認保存文件格式為DWG格式，二維平面圖形之間根據坐標信息進行區分。使 CAD二維平面圖形快速準確地導入FLAC3D中的關鍵點為CAD二維平面圖形坐標點與FLAC3D基本單元坐標點要相互對應，如圖1所示[10]。

圖1 CAD二維平面圖形與FLAC3D基本單元坐標點對照

通過對表1分析可知：將二維平面圖形用CAD軟件表示出來后的坐標點，可對應于FLAC3D三維網格單元一個平面坐標點，FLAC3D三維網格單元坐標點按照“右手法則”進行排序，且坐標點的順序不能發生改變。若坐標點的順序發生改變后，雖然也能建立三維模型，但在模型計算的過程中會發生報錯，且排查問題困難。以brick網格單元為例：CAD二維平面圖形對應的坐標點順序為X0、X1、X6、X3，通過縱向拉伸后將其轉換為FLAC3D三維坐標點依次對應為X2、X4、X7、X5共8個三維坐標點。同時在實際工程中，根據所要研究的地質體特征以及斷層建模，通常用到以下兩種網格單元：矩形網格(brick)、楔形網格(wedge)，因此掌握坐標點的順序是數值建模中的關鍵一步。

2 快速建模步驟

首先將所需要研究的二維地質模型在CAD軟件中表示出來，文件類型由DWG格式轉化為DXF[11]格式。打開FLAC3D軟件中Extrusion選項卡，將其導入，通過對點的捕捉、拉伸完成三維地質模型建模。

建模步驟：將二維地質模型在CAD軟件中畫出—導入FLAC3D—打開Extrusion選項卡—新建文檔—捕捉點的坐標—縱向拉伸—設置group及size參數—FLAC3D建模完成。

3 工程實例

布爾臺煤礦22208綜采工作面位于22煤二盤區，工作面長301 m，當夾矸小于0.8 m時，設計采高3.8 m，當夾矸大于0.8 m時，設計采高2.7 m.推采長度4 544.7 m，可回采面積136.8萬m2，地質儲量為573.6萬t.工作面沿走向布置，沿煤層傾向推進，采用長壁后退式一次采全高全部垮落法處理采空區的自動化采煤法進行回采作業，頂底板巖性特征如表1所示。在工作面回采過程中，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，煤層頂底板呈現協調或不協調褶皺、脆性或彈塑性斷裂等現象，煤、巖層產狀變化較大。該礦地質環境復雜，若采用傳統的命令流建模，費時費力，因此采用CAD二維平面圖形導入FLAC3D軟件的快速建模方法。

表1 頂底板巖性特征

在建立數值計算模型時，通常會把主要的研究對象精細化，而將與主要研究對象無關或者影響不是很大的因素進行簡化，建立數值計算模型初步想法如下：

1) 建立數值計算模型的形狀基本確定為長方形，且主要研究的對象為斷層破碎帶、22煤及22煤頂底板。22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值計算模型過程中應重點關注。

2) 距離22煤頂板很遠的上覆巖層重量及四周巖層產生的側壓力對22煤造成的影響，在建立數值計算模型時，可以通過計算簡化為應力的方式施加在數值計算模型邊界上，既可以減小數值計算模型的體積，還可以提高數值模型的計算速度。

3.1 輔助線的添加及煤巖層塊體的分割

建立含有斷層破碎帶的數值計算模型時，將地質模型示意圖在CAD軟件中表示出來，如圖2所示。FLAC3D自帶的程序通常能夠識別出兩種網格單元(矩形網格brick、楔形網格wedge)，在CAD軟件中構建二維地質模型的過程中會遇到不規則的塊體，如圖2塊體Z所示，若直接將其導入FLAC3D中，則數值計算模型不會直接識別出來，建模也將無法完成。解決的辦法如圖3所示，所建立的FLAC3D三維地質模型如圖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 數值計算模型示意

首先將圖2右上角塊體Z分割成兩個不同形狀的塊體，在分割的過程中，要考慮以下兩種情況：

1) 塊體分割后要能被FLAC3D自帶程序識別出來，要分割成兩種網格單元：矩形網格(brick)、楔形網格(wedge)。

2) 兩個塊體面積盡量相等，因為導入FLAC3D中雖然能夠識別出來，但是在后期劃分塊體單元格網格時，若面積相差太大，會造成網格劃分不均勻，數值模型計算結果準確性得不到保證。

通過對圖2分析可知：添加輔助線a，將塊體Z分割成兩個塊體A、B；添加輔助線b、f，將塊體分割成D、E塊體。應注意：輔助線(圖3中的虛線)a、b、f要與22煤層實線連接起來，塊體A、B、C、D、E、H能被FLAC3D自帶程序識別出來,(在實際建模過程中，添加輔助線是在CAD軟件中添加，但不能添加為虛線，同時要清楚不同塊體分組之間的關系)后期只需設置group及size參數即可，此方法大大提高了建模效率和精確度。

3.2 數值模擬結果

根據研究目的和預期結果，建立FLAC3D數值計算模型如圖4所示，在建立模型的過程中，考慮到模型邊界效應及計算速度，最終確定數值計算模型xyz=800 m×300 m×400 m.模型中模擬煤巖體采用摩爾-庫侖本構模型，模型四周及底面全部施加位移約束。22煤層及斷層是重點研究對象，將其設置為不同分組且對該分組處的網格進行重點加密，以便更好地獲得22煤開采時受斷層的影響情況。設置數值計算模型中煤層及煤層頂、底板巖層物理參數，編寫為txt文本格式，在FLAC3D數值模擬軟件中調用圖3 數值計算模型進行計算即可，斷層初始應力平衡云圖如圖5所示，22煤初始應力平衡云圖如圖6所示。

圖5 斷層初始應力平衡云圖

圖6 22煤初始應力平衡云圖

通過圖5、圖6分析可知：斷層初始應力平衡云圖最小垂直應力達到0.074 6 MPa，最大垂直應力達到10.61 MPa；22煤層初始應力平衡云圖最小垂直應力達到0.106 MPa，最大垂直應力達到7.029 MPa，且初始應力平衡云圖分層明顯，不因網格線未對齊而產生應力集中現象，待數值模型計算完畢后可進行下一步操作。

4 結 語

基于CAD二維平面圖形導入FLAC3D中實現快速精準建模，充分結合了CAD軟件作圖精準及FLAC3D數值模擬軟件網格自動劃分等優點，不僅提高了數值模擬效率, 縮短了數值計算周期，而且克服了網格劃分不均勻等問題，后期只需設置group及size參數即可，真正實現了在復雜地質條件下含有斷層破碎帶的煤層快速建模。