冯艳顺，王红夺，谢玉磊

（河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，河南郑州450006）

模拟研究法作为煤矿区岩层与地表移动形变研究方法中的一部分，在开采沉陷研究中占有比较重要的位置[1]。开采沉陷的模拟研究方法可以分为传统的模拟研究方法和数值力学分析方法[2]。传统的模拟研究方法包括力学理论分析法、现场实测法和物理模拟法。力学理论分析法目前只能解决简单形状矿体开采沉陷的模拟，现场实测的方法时间长，耗费人力、物力，物理模拟法的结果直观，由于受到模型大小及信息提取、处理技术和时间、成本等因素的制约，很难分析出各个因素对开采沉陷的影响，并且只能做出定性分析[3]。数值模拟方法的出现，很好地克服了以上方法的不足。FLAC3D数值模拟方法同传统的沉陷预计研究方法相比，是一种方便灵活的方法，可以根据研究的问题建立分析模型，模拟复杂地质及其他复杂因素下矿体开采引起的地表沉陷及形变规律，加上该方法强大的后处理功能使得数据分析非常便捷，国内外学者对该方法在矿山方面进行了深入探索[4-5]。

目前FLAC3D数值模拟方法已广泛应用于岩石滑坡、煤矿区开采沉陷数值模拟、水利及隧道围岩稳定性分析等研究领域中。

1 FLAC3D数值模拟建模技术流程

GIS-Excel快速FLAC3D数值模拟建模主要以AutoCAD、ArcGIS、Excel等常用软件为技术平台，建模主要流程如下：

（1）模拟范围大小的确定[6]。根据矿区地面实测数据确定数值模拟范围；

（2）建立矿层工作面模型。收集矿区地质、采矿资料，如采区地形图、钻孔柱状图、矿层底板等高线等。使用GIS 平台，根据模型分块“条带状”贯通原则及模型块按照“条带”划分网格数的方法，实现矿层的建模；

（3）各地层厚度推算。根据钻孔柱状图，计算各个地层厚度；

（4）快速代码生成。按照FLAC3D基本单元节点的编号顺序，利用Excel 快速代码生成方法生成节点代码；

（5）各地层模型的生成及可视化[7]。

2 FLAC3D数值模拟模型建模实例

2.1 实验地点位置及地质条件概况

本次试验地点位于某矿业集团下辖煤矿，对正在开采工作面I020902进行数值模拟模型建模，该工作面位于井田西北，工作面的西、北两侧均为井田边界，附近无采掘历史。工作面处的地面高度平均高度为1400m。该工作面走向长约255m，倾向长约1548m，工作面煤层标高为797～917m，工作面煤层自然平均厚度3.58m，工作面煤层倾角2°～11°，平均倾角4.5°。工作面区域内地层总体上为向西倾斜的单斜构造，如图1所示，区域内小型波状起伏较为多见，部分区段坡度达11°，无岩浆岩和岩溶陷落柱等构造，地质构造为I类的简单型。

2.2 资料准备

图1 实验地点采区9号煤层可视化图

本次数值模拟模型建立之前，需要搜集矿区的各种数据资料，该矿区现有资料如下：

（1）采区资料：井田区域地形图、井上下对照图、采掘工程平面图、采区勘探报告、采区设计说明书等；

（2）水文地质资料，如：采区地形地质及综合水文地质图、钻孔综合柱状图、矿层赋存条件、上覆岩层物理力学性质等；

（3）开采工作面资料，如：工作面底板等高线图、工作面地质说明书、回采工作面水文地质情况分析报告、开采厚度、回采时间及周围开采情况等；

（4）测区井上下测量资料，如：控制点、导线点和水准点的坐标。

2.3 煤层模型的分块与编号

根据已建立的地表移动观测站资料确定所需要建立煤层模型的范围。在煤层及各个岩层的实际建模过程中，根据FLAC3D节点编号规律，按照模型块在横向、纵向条带能够左右、上下“条带状”贯通的原则，对煤层及各岩层进行分块[8]。在数值模拟模型范围的左下角添加相对坐标系中的x、y轴，如图2所示。

图2 煤层模型的最终分块与编号

2.4 煤层模型分块节点坐标计算

（1）煤层模型分块节点的高程z计算。首先，提取采区采掘工程平面图中的煤层底板等高线，结合GIS分析软件，建立采区煤层底板的TIN格式数据。然后，根据TIN格式数据获取模拟范围内煤层分块底面各个节点的高程值z坐标，最后，根据煤层平均开采厚度计算煤层分块顶面各个节点的高程z值。具体方法如下：

假设地表某一个钻孔点为A，该钻孔点从地表至煤层的深度为H0，记钻孔A处某岩层i的厚度为d0，B为待求点，B处相应的i岩层厚度为待求值dx，若B点从地表至煤层的深度为H，如图3所示。

图3 岩层厚度计算示意图

由图3可得公式（1）如下：

由上式，可得dx为：

上式中dx即为每层岩层在数值模拟计算时的厚度。

根据各岩层的厚度利用Excel 计算各模型分块顶面各节点高程z,即将煤层分块底面各个节点的高程z值加上煤层平均开采厚度即可。如图4所示。

（2）煤层模型分块节点的平面坐标（x，y）计算。在煤层的数值模拟计算建模过程中，煤层模型分块的节点平面坐标（x，y）从矿区采掘工程平面图的CAD格式数据中直接读取。

2.5 煤层模型的可视化

根据GIS-Excel 构模方法和快速计算优势在Excel中建立数值模拟范围内煤层模型的FLAC3D命令代码，进而生成FLAC3D格式的txt 煤层模型文件。在FLAC3D中导入“煤层.txt”文件，即可生成实验地点的煤层模型。

图4 批量计算顶面网格点的z坐标值

2.6 数值模拟模型各地层建模

根据煤矿区的钻孔数据，经过综合取舍得到采区钻孔的综合柱状图[9]。根据钻孔综合柱状图并结合矿区实际地质情况，将采区内的地层按照岩石性质进行综合归类分层。参照煤层模型建立过程建立各地层的数值模拟模型。

2.7 整体数值模型可视化

根据煤层和其他各地层模型的FLAC3D命令代码，按照地层从上到下的顺序，依次复制各地层模型的FLAC3D代码到文本编辑器中，生成FLAC3D格式的模型文件。在FLAC3D中导入“模型.txt”文件，即可生成所构建的模型，最终整体模型的可视化效果如图5所示。

图5 实验地点最终FLAC3D模型

3 结束语

本文研究了基于GIS-Excel 快速FLAC3D数值模拟模型建模方法，描述了建模流程，并利用该方法，结合某矿区已有地表移动观测站测量数据及地质资料，详细叙述了该矿区数值模拟模型的建立过程。体现了该方法建模速度快、不易出错、人工计算量小、三维模型逼近的特点。

本文仅仅是研究了数值模拟模型建立的一种方法，并没有根据建立的数值模型模拟出的形变信息反演形变信息参数，对模型形变信息参数进行反演以更深入研究地下开采对地表和岩层的移动形变规律[10-11]。