鄧偉男

（天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013）

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基于FISH語言的開采沉陷模擬數(shù)據(jù)處理方法

鄧偉男

（天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013）

針對(duì)數(shù)值模擬研究開采沉陷現(xiàn)象時(shí)結(jié)果數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜且繁瑣的問題，根據(jù)下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)及水平變形的計(jì)算公式，利用FISH語言編程，實(shí)現(xiàn)了將FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果直接轉(zhuǎn)化為開采沉陷研究中所需指標(biāo)數(shù)據(jù)輸出的目的。通過實(shí)例應(yīng)用，驗(yàn)證了該數(shù)據(jù)處理方法的可靠性。研究成果適用于海量開采沉陷模擬數(shù)據(jù)的處理，為從力學(xué)本質(zhì)上深入研究開采沉陷現(xiàn)象提供了便利，也為其他研究領(lǐng)域模擬數(shù)據(jù)的提取提供了參考。

FISH語言；開采沉陷；數(shù)值模擬；FLAC3D；數(shù)據(jù)處理

地下有用礦物采出后，采空區(qū)圍巖內(nèi)原始應(yīng)力的平衡狀態(tài)遭到破壞，進(jìn)而導(dǎo)致了覆巖的一系列移動(dòng)變形。隨著開采區(qū)域范圍的增加，覆巖的移動(dòng)變形不斷向上發(fā)展直至地表，造成礦山開采沉陷現(xiàn)象。掌握覆巖與地表的移動(dòng)變形量值是研究開采沉陷相關(guān)問題的基礎(chǔ)，但現(xiàn)實(shí)中往往缺乏相應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)早期地表沉陷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的積累，利用幾何理論研究出了概率積分法、剖面函數(shù)法、典型曲線法［1］，以上方法考慮了地表沉陷盆地的幾何近似，較少考慮覆巖的特點(diǎn)及力學(xué)性質(zhì)，雖然在實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用，但并不能揭示開采沉陷發(fā)育到地表的本質(zhì)規(guī)律。為了克服幾何理論預(yù)計(jì)法的不足，國內(nèi)外學(xué)者利用彈性理論、塑性理論、黏彈塑性理論和損傷斷裂理論等力學(xué)理論分析巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)對(duì)采區(qū)覆巖與地表移動(dòng)變形的影響［2-3］，嘗試從力學(xué)本質(zhì)的角度研究開采沉陷問題，但由于理論及技術(shù)手段的原因，在建立力學(xué)模型時(shí)對(duì)巖層結(jié)構(gòu)及受力條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，巖層的真實(shí)力學(xué)參數(shù)難以精確獲取，研究成果只能在特定的地質(zhì)采礦條件下適用，未能得到廣泛的應(yīng)用。隨著力學(xué)理論的進(jìn)步以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，巖土工程界研究出了基于有限單元、邊界單元、離散單元、有限差分法的數(shù)值模擬方法，這些方法考慮了覆巖結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)，不僅能夠預(yù)計(jì)地表沉陷變形，還可模擬覆巖內(nèi)部應(yīng)力變化及分布情況，且計(jì)算較為簡(jiǎn)便，結(jié)果數(shù)據(jù)豐富，越來越多的科研人員開始利用數(shù)值模擬法研究開采沉陷相關(guān)問題［4-5］。

FLAC3D是基于連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分法編制而成的數(shù)值模擬計(jì)算軟件，是目前巖土工程界應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值模擬軟件之一，特別適用于模擬大變形問題，能夠真實(shí)地模擬煤礦開采沉陷現(xiàn)場(chǎng)［6］。FLAC3D作為普適性的軟件，其計(jì)算結(jié)果雖包含各模型單元節(jié)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，但并不能直接提供開采沉陷學(xué)研究中所慣用的移動(dòng)與變形指標(biāo)數(shù)據(jù)，以往的研究中通常將結(jié)果數(shù)據(jù)全部輸出后，再根據(jù)需要人工挑選所需數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算處理，由于數(shù)據(jù)量較大，處理過程較為繁瑣且極易出錯(cuò)。為了將FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果有針對(duì)性地轉(zhuǎn)化為開采沉陷研究所需指標(biāo)數(shù)據(jù)，本文利用FLAC3D內(nèi)嵌的FISH語言編程，對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果中提取的位移值進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，輸出結(jié)果可直接用來分析覆巖與地表的移動(dòng)變形特征。

1　模型單元編號(hào)規(guī)則

FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型有限差分網(wǎng)格覆蓋了所要分析的整個(gè)物理區(qū)域，在開采沉陷研究中，一般選用矩形網(wǎng)格（Brick）作為基本模型單位，矩形網(wǎng)格單元如圖1所示，圖中數(shù)字代表模型單元節(jié)點(diǎn)編號(hào)順序，是尋找單元節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵，X，Y，Z代表模型的全局坐標(biāo)方向，所有的單元節(jié)點(diǎn)由（X，Y，Z）位置矢量定義。

圖1　矩形網(wǎng)格單元

2　開采沉陷指標(biāo)數(shù)據(jù)的編程處理

開采沉陷學(xué)研究中，描述覆巖與地表移動(dòng)變形的指標(biāo)主要有下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)、水平變形等5種，為了便于敘述，文中以X方向某單元6號(hào)、8號(hào)節(jié)點(diǎn)所在剖面線的5種移動(dòng)變形值的計(jì)算為例介紹基于FISH語言的開采沉陷覆巖與地表移動(dòng)變形數(shù)據(jù)處理方法，程序代碼同樣適用于求取連續(xù)單元體的移動(dòng)變形數(shù)據(jù)。FLAC3D中節(jié)點(diǎn)位移單位為m，在利用FISH語言編程的過程中，按照開采沉陷研究領(lǐng)域的慣例，將輸出的5種移動(dòng)變形指標(biāo)單位直接轉(zhuǎn)化為表1中單位［7］。

表1　各移動(dòng)變形指標(biāo)輸出單位

2.1下沉

數(shù)值模型中任意節(jié)點(diǎn)下沉值的計(jì)算公式如下:

式中，wn為n點(diǎn)的下沉值；Hn0，Hnm分別表示n點(diǎn)初始時(shí)刻和計(jì)算結(jié)束時(shí)的垂直位移。

公式（1）計(jì)算出的下沉值符號(hào)的定義為:正值表示計(jì)算點(diǎn)下沉，負(fù)值表示計(jì)算點(diǎn)上升。

由于模型單元體初始時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)位移值均為零，各節(jié)點(diǎn)在Z方向的位移值即為下沉值。由于剖面線上相鄰兩個(gè)單元共用一個(gè)節(jié)點(diǎn)，即一個(gè)單元的8號(hào)節(jié)點(diǎn)等同于下一個(gè)單元6號(hào)節(jié)點(diǎn)，程序設(shè)計(jì)取所有單元的6號(hào)節(jié)點(diǎn)下沉值及最后一個(gè)單元的8號(hào)節(jié)點(diǎn)下沉值為全部所需求得的下沉值（程序設(shè)計(jì)時(shí)也可以選取第一個(gè)單元6號(hào)節(jié)點(diǎn)的下沉值及所有單元的8號(hào)節(jié)點(diǎn)下沉值得到同樣的數(shù)據(jù)）。提取下沉值相應(yīng)的FISH語言代碼如下:

上述代碼中，a，b代表待求數(shù)據(jù)單元的id范圍；h6，h8分別代表該單元6號(hào)及8號(hào)節(jié)點(diǎn)的垂直位移值；w代表根據(jù)公式（1）計(jì)算的下沉值。

2.2傾斜

傾斜是模型剖面線上相鄰兩節(jié)點(diǎn)在豎直方向的下沉差與其水平距離的比值，該比值是反映剖面線沿某一方向坡度的指標(biāo)。其計(jì)算公式如下:

式中，im-n為m，n兩點(diǎn)間的傾斜值；lm-n為m，n兩點(diǎn)間的水平距離；wm，wn分別表示m，n點(diǎn)的下沉值。

公式（2）計(jì)算出的傾斜值符號(hào)的定義為:在煤層傾斜剖面線上，傾向煤層上山方向的傾斜為正值，反之為負(fù)值；在走向剖面線上，向右側(cè)的傾斜為正值，反之為負(fù)值。本節(jié)中節(jié)點(diǎn)傾向沿X軸正方向?yàn)檎?，沿X軸負(fù)方向?yàn)樨?fù)值。提取傾斜值相應(yīng)的FISH語言代碼如下:

上述代碼中，a，b，h6，h8與上文代碼中的意義相同；l代表該單元6號(hào)及8號(hào)節(jié)點(diǎn)間的水平距離；i代表根據(jù)公式（2）計(jì)算出的傾斜值。

2.3曲率

曲率是兩相鄰線段的傾斜差與兩線段中點(diǎn)間的水平距離的比值，該比值是反映剖面線彎曲程度的指標(biāo)。其計(jì)算公式如下:

式中，km-n-p為m-n，n-p線段的曲率值；im-n，in-p分別表示m-n和n-p點(diǎn)間的傾斜值；lm-n，ln-p分別表示m-n和n-p點(diǎn)間的水平距離。

公式（3）計(jì)算出的曲率值符號(hào)的定義為:曲率為正值代表剖面線上凸，曲率為負(fù)值代表剖面線下凹。提取曲率值相應(yīng)的FISH語言代碼如下:

上述代碼中，a，b，h6，h8與上文代碼中的意義相同；l1，l2分別代表相鄰兩單元節(jié)點(diǎn)6與8的水平距離；k為公式（3）計(jì)算出的曲率值。

2.4水平移動(dòng)

計(jì)算點(diǎn)的水平移動(dòng)是該點(diǎn)沿某一水平方向的位移，計(jì)算公式如下:

式中，un為n點(diǎn)的水平移動(dòng)值；Ln0，Lnm分別表示n點(diǎn)初始時(shí)刻和計(jì)算結(jié)束時(shí)的水平位移。

公式（4）計(jì)算出的水平移動(dòng)值符號(hào)的定義為:在煤層傾斜剖面線上，指向煤層上山方向的移動(dòng)為正值，反之為負(fù)值；在走向斷面上，向右側(cè)的移動(dòng)為正值，反之為負(fù)值。本節(jié)中節(jié)點(diǎn)水平移動(dòng)沿X軸正方向?yàn)檎?，沿X軸負(fù)方向?yàn)樨?fù)值。提取水平移動(dòng)值相應(yīng)的FISH語言代碼與提取下沉值類似，只需將gp_zdisp改為gp_xdisp，下沉值計(jì)算公式改為水平移動(dòng)值計(jì)算公式即可。

2.5水平變形

水平變形是相鄰兩點(diǎn)的水平移動(dòng)差與兩點(diǎn)間水平距離的比值，該比值是反映線段的拉伸和壓縮的指標(biāo)。其計(jì)算公式如下:

式中，εm-n為m，n兩點(diǎn)間的水平變形值；um，un分別為m，n點(diǎn)的水平移動(dòng)值；lm-n為m，n兩點(diǎn)間的水平距離。

公式（5）計(jì)算出的水平變形值符號(hào)的定義為:正值表示拉伸變形，負(fù)值表示壓縮變形。提取水平變形值相應(yīng)的FISH語言代碼與提取傾斜值類似，只需將gp_zdisp改為gp_xdisp，傾斜值的計(jì)算公式改為水平變形值的計(jì)算公式即可。

3　應(yīng)用實(shí)例

山西某煤礦煤層水平，埋深202m，煤厚3m，上覆巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，現(xiàn)利用FLAC3D模擬地下煤層開采引起的開采沉陷現(xiàn)象，輸出模型主斷面上地表移動(dòng)變形數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)網(wǎng)格體中的所有區(qū)域?yàn)槟?庫倫模型，模型左下角為原點(diǎn)，X，Y方向各1000m，坐標(biāo)系采用FLAC3D中默認(rèn)坐標(biāo)系，除頂部為自由邊界外，其余邊界固定。開切眼距左邊界380m，工作面沿X軸正方向推進(jìn)，一次開挖推進(jìn)10m。當(dāng)工作面推進(jìn)到150m，模型達(dá)到平衡后，利用第2節(jié)中相應(yīng)的FISH語言代碼，提取下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)及水平變形等模型主斷面地表各節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)變形數(shù)據(jù)，通過對(duì)比，以上輸出結(jié)果與人工提取的移動(dòng)變形數(shù)據(jù)相一致。限于文章篇幅，僅將模型主斷面地表下沉值及水平移動(dòng)值繪制成曲線，如圖2所示。

圖2　模型主斷面地表下沉及水平移動(dòng)曲線

4　結(jié)束語

（1）利用數(shù)值模擬技術(shù)分析開采沉陷問題，考慮了地下巖層結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性質(zhì)，較好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)力學(xué)理論需要簡(jiǎn)化相關(guān)條件的不足，且能夠從開采沉陷發(fā)展過程中獲得海量的移動(dòng)及應(yīng)力數(shù)據(jù)，有助于從本質(zhì)上解釋開采沉陷現(xiàn)象。

（2）根據(jù)下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)及水平變形等指標(biāo)的計(jì)算方法，基于 FLAC3D內(nèi)嵌的FISH語言編制程序，能夠準(zhǔn)確高效地從數(shù)值模擬結(jié)果中提取煤礦開采沉陷研究所需的相關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）基于通用的數(shù)值模擬軟件平臺(tái)，有針對(duì)性地開發(fā)便于建模及數(shù)據(jù)處理的獨(dú)立程序模塊，是將數(shù)值模擬計(jì)算有效地應(yīng)用于開采沉陷學(xué)研究的關(guān)鍵前提。

［1］張華興，郭惟嘉.“三下”采煤新技術(shù)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

［2］鄒友峰，鄧喀中，馬偉民.礦山開采沉陷工程［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［3］藍(lán) 航.節(jié)理巖體采動(dòng)損傷本構(gòu)模型及其在露井聯(lián)采工程中的應(yīng)用［D］.北京:煤炭科學(xué)研究總院，2007.

［4］彭林軍，趙曉東，李術(shù)才.深部開采地表沉陷規(guī)律模擬研究［J］.巖土力學(xué)，2011（6）:1910-1914.

［5］南英華，徐能雄，武 雄，等.安家?guī)X井工一礦開采沉陷數(shù)值模擬巖體力學(xué)參數(shù)反演［J］.煤炭技術(shù)，2015，34（1）: 109-112.

［6］謝和平，周宏偉，王金安，等.FLAC在煤礦開采沉陷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用及對(duì)比分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999（4）: 397-401.

［7］中華人民共和國國家煤炭工業(yè)局制定.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

［8］鄧偉男.高速公路受開采沉陷影響的破壞機(jī)理研究［D］.北京:煤炭科學(xué)研究總院，2013.

［9］黃成飛.厚濕陷性黃土層下綜放開采地表移動(dòng)規(guī)律研究［D］.焦作:河南理工大學(xué)，2011.

［責(zé)任編輯：鄒正立］

Data Processing Method of Mining Subsidence Simulation Based on FISH Language

DENG Wei-nan
（Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Beijing 00013，China）

In order to solve the problem of complex and fussy data processing of mining subsidence phenomenon numerical simulation，according design formulas of subsidence，incline，curvature，horizontal movement and deformation，based on programme with FISH language，the aim that the results of numerical simulation with FLAC3Dcould be translated into the target data of mining subsidence directly was realized.then the reliability of data processing method was verified by example application.The method suit for large amount mining subsidence data processed，it provided new method for research on mining subsidence from mechanics，the it references for other research filed in simulated data processing.

FISH language；mining subsidence；numerical simulation；FLAC3D；data processing

TD327

A

1006-6225（2016）04-0015-03

2016-02-19

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.004

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2011ZX05064）

鄧偉男（1986-），男，河南滑縣人，助理研究員，采礦工程博士，主要研究方向?yàn)椤叭隆辈擅杭夹g(shù)及其理論的研究與應(yīng)用。

［引用格式］鄧偉男.基于FISH語言的開采沉陷模擬數(shù)據(jù)處理方法［J］.煤礦開采，2016，21（4）：15-17，9.