徐莉娜 秦蕾 嚴(yán)昱欣

摘要：隨著三維可視化在煤礦領(lǐng)域的發(fā)展，將突水通道進(jìn)行三維可視化，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。文章通過(guò)研究突水通道形成過(guò)程的演化規(guī)律，結(jié)合Unity3D引擎特點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域下三帶模型進(jìn)行空間網(wǎng)格化。再根據(jù)巖體滲流特點(diǎn)判斷含水層水流滲流方向，從而得出突水通道形成的演化過(guò)程，并將其可視化。

關(guān)鍵詞：突水通道；Unity3D；三維可視化

煤礦水害一直威脅著礦山工人的生命安全。研究煤礦突水通道的演化過(guò)程，對(duì)煤礦安全、高效地生產(chǎn)具有極其重要的意義。本文對(duì)煤礦突水通道演化過(guò)程及可視化進(jìn)行研究[1]。

1 突水通道演化特征

突水過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)滲流過(guò)程。在沒(méi)有外部干擾下的正常底板突水，主要是承壓水在壓力的作用下，沿隔水層的薄弱處（裂隙）集中，經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)，時(shí)間推移等作用，孔隙水不斷對(duì)裂隙周圍進(jìn)行破壞，使裂隙不斷生長(zhǎng)發(fā)育，最終裂隙貫通整個(gè)隔水層，承壓水順著裂隙蔓延，最終造成突水[2]。

通常以滲透系數(shù)尤衡量巖體的滲透性，法國(guó)工程師H.P.G.達(dá)西在1856年通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)得出滲透系數(shù)尤計(jì)算式：

式中：v為滲透速度：Q為單位時(shí)間的水滲流量；A為巖體試樣的截面積；K為滲透系數(shù)；J=h1-h2/L為地下水水位坡度，即水力梯度；（hl-h2）為上下游水頭差；L為滲流路徑的長(zhǎng)度。

而當(dāng)巖體存在地質(zhì)缺陷或這裂隙式，達(dá)西定律不再適用，應(yīng)使用滲透張量來(lái)描繪巖體此時(shí)的滲透性[3]。其中Pomm滲透張量具有代表性。

先計(jì)算滲流速度：

第i組裂隙內(nèi)的流速為：

結(jié)合公式（2）和（3）得：

式中：v為滲流速度，由各裂隙方向的滲流速度之和得出，Si為第i組裂隙得隙間距；bi為第i組裂隙的隙寬[4]。

設(shè)裂隙面的法向單位向量為：

令ni的方向余弦為a1i，a2i，a3i，帶入公式（5）和（6）整理后得出滲透張量：

式中：β為連通系數(shù)；b為隙寬；δ為裂隙得間距。

在采動(dòng)作用下，加快了上述過(guò)程。承壓水主要通過(guò)裂隙蔓延至工作面，而在采掘過(guò)程中，采動(dòng)壓力對(duì)煤礦底板造成破壞，使隔水層應(yīng)力場(chǎng)重新分布。當(dāng)采動(dòng)壓力過(guò)大時(shí)，煤礦底板將發(fā)生塑性變性，從而萌生更多的裂隙，而裂隙滲透性遠(yuǎn)大于致密巖體，承壓水沿裂隙方向蔓延，滲流場(chǎng)發(fā)生變化，而孔隙水對(duì)周圍巖體的滲流作用，使裂隙更容易發(fā)育。這樣，裂隙發(fā)育使承壓水往裂隙集中，而承壓水又反過(guò)來(lái)作用于裂隙，這樣相互作用直到形成新的平衡。而采動(dòng)壓力又在不斷打破這種平衡，使承壓水不斷漫延，隔水層不斷向新?tīng)顟B(tài)漫延。最終，在采動(dòng)不斷加深的情況下，裂隙貫通整個(gè)隔水層，承壓水沿裂隙涌入工作面，最后造成突水。

2 突水通道演化過(guò)程模擬

2.1 底板“下三帶”區(qū)域空間網(wǎng)格化

由于突水演化過(guò)程是時(shí)空過(guò)程，滲透路徑隨著時(shí)間的變化而變化。為了更好地掌握實(shí)驗(yàn)區(qū)域突水通道的實(shí)時(shí)變化，現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行空間網(wǎng)格化，這樣能實(shí)時(shí)計(jì)算某空間中各格子當(dāng)時(shí)的受力情況、巖體特性和滲透系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出突水通道的蔓延方向。

本文的全部可視化過(guò)程都是從Unity3D中實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行的，它給我們提供了一個(gè)可視化輔助類（Gizmos類）用來(lái)畫輔助網(wǎng)格。而本文主要用Gizmos繪制正方體。每個(gè)正方體都用一個(gè)節(jié)點(diǎn)（Node）來(lái)表示。每個(gè)Node節(jié)點(diǎn)都主要存儲(chǔ)該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的巖體信息，包括是否已被滲透、巖體性質(zhì)、地層狀態(tài)、空間坐標(biāo)等。

有了 Node基本單位節(jié)點(diǎn)后，接下來(lái)就是繪制空間網(wǎng)格了。使用DrawGrids類進(jìn)行對(duì)方塊網(wǎng)格的繪制。在DrawGrids中，空間網(wǎng)格中正方體信息都存儲(chǔ)在Grid的三維數(shù)組中，Grid數(shù)組內(nèi)每個(gè)元素都代表相應(yīng)的Node。空間網(wǎng)格構(gòu)建結(jié)果如圖1所示。

2.2 突水通道演化模擬

在輔助網(wǎng)格建立好后，從含水層頂部，計(jì)算每個(gè)格子周邊是否存在裂隙、滲透系數(shù)等形成通道的因素，如果符合，水就往附近格子蔓延，每個(gè)格子以自身中心圍3×3X×3的九宮格，由于礦道底板下的含水層一般只往上滲透，不會(huì)往下滲透，所以只用管3×3×2周圍的格子。所以每個(gè)格子的水滲方向有前、后、左、右和上部5個(gè)部分，分別計(jì)算5個(gè)部分的滲水因素，符合條件就往該方向滲透，且方向不唯一。如圖2所示。

從含水層頂部方塊開(kāi)始計(jì)算，每個(gè)方塊計(jì)算步驟如下。

（1）計(jì)算底板破壞區(qū)：計(jì)算因采動(dòng)作用下底板破壞區(qū)的高度h1，以礦道為圓心，h1為半徑中的方塊都標(biāo)記為裂隙狀態(tài)。

（2）計(jì)算方塊狀態(tài)：含水層所在方塊記為含水狀態(tài)，從含水層頂端方塊那一層開(kāi)始算起，根據(jù)孔隙率經(jīng)驗(yàn)值，按概率判斷該方塊所處地質(zhì)是否為空隙處，如果是，則狀態(tài)記為裂隙狀態(tài)，不過(guò)不是，則狀態(tài)記為默認(rèn)狀態(tài)，即普通巖體。一層一層計(jì)算，直到礦道所在層。

（3）計(jì)算滲透值：在計(jì)算方塊的同時(shí)計(jì)算滲透值。根據(jù)每個(gè)方塊的狀態(tài)，計(jì)算每個(gè)方塊計(jì)算相鄰5格方塊的滲透值。如果是默認(rèn)狀態(tài)則按照式（1）計(jì)算一般巖體計(jì)算滲透值；如果式裂隙狀態(tài)，按照式（2）—（6）計(jì)算裂隙狀態(tài)下的滲透值。如果滲透值小于該方塊對(duì)應(yīng)巖體性質(zhì)的滲透系數(shù)，則不作改動(dòng)。否則，將該方塊狀態(tài)調(diào)為含水狀態(tài)。

（4）計(jì)算突水通道孔隙水壓力對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響：對(duì)含水狀態(tài)的方塊，重新計(jì)算對(duì)周圍非含水狀態(tài)方塊（5個(gè)方塊）的應(yīng)力影響，如果打到壓剪斷裂的應(yīng)力強(qiáng)度，則將設(shè)為裂隙狀態(tài)，重新計(jì)算滲透值。

（5）將含水狀態(tài)下的方塊材質(zhì)設(shè)置成藍(lán)色，形成模擬突水通道。

3 模擬結(jié)果分析

由于采動(dòng)作用，煤礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)實(shí)時(shí)出現(xiàn)變化，工作面從左往右推進(jìn)，分別開(kāi)挖10 m、20 m以及到極限采掘面，觀察不同情況下突水通道形成的狀況。如圖3所示。為了方便時(shí)空觀察，把隔水層側(cè)面材質(zhì)設(shè)置成半透明狀態(tài)。采掘工作開(kāi)始后，煤壁正下當(dāng)巖體所受采動(dòng)壓力最大，當(dāng)采動(dòng)壓力高于巖體所能承受的荷載時(shí)，底板巖體會(huì)發(fā)生塑性變性，從而造成底板破壞區(qū)。從模擬結(jié)果可知，在工作面開(kāi)始不久后，煤礦底板破壞并不明顯，隔水層底部應(yīng)力平衡遭受破壞，承壓水初期向裂隙處集中并沿裂隙方向蔓延，直到應(yīng)力場(chǎng)重新得到平衡，如圖3（a）（b）所示，此階段煤礦底板塑性變化并不明顯，主要以承壓水壓力發(fā)展突水通道。隨著工作面的推進(jìn)一直到極限采掘面，由于底板破壞深度加大，裂隙周圍巖石的強(qiáng)度也發(fā)生變化，裂隙在孔隙水壓力、礦壓和外界擾動(dòng)等多種作用下不斷發(fā)育擴(kuò)大，承壓水重新向裂隙空隙處集中，但工作面與隔水層中含水裂隙沒(méi)有發(fā)生溝通，所以不會(huì)有突水危險(xiǎn)，如圖3（c）（d）所示。

如果從極限采掘面開(kāi)始繼續(xù)把工作面推進(jìn)，底板破壞程度加大，此時(shí)底板裂隙發(fā)育已達(dá)到危險(xiǎn)階段，隔水層裂隙越過(guò)底板完整隔水帶與底板破壞區(qū)接觸，此時(shí)底板破壞區(qū)的阻抗水能力已經(jīng)越來(lái)越弱，加上空隙水壓力對(duì)圍巖的壓力作用，裂隙不斷發(fā)育延伸，最終裂隙與工作面溝通，承壓水沿裂隙發(fā)育方向涌入工作面，造成突水事故，如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文先分析了突水通道形成過(guò)程的演化規(guī)律，利用Unity3D中的Gizmos進(jìn)行輔助網(wǎng)格的繪制，把區(qū)域進(jìn)行空間網(wǎng)格化，加上隔水層滲透特性、孔隙水對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響等諸多規(guī)律，再結(jié)合采動(dòng)作用對(duì)底板隔水層的破壞度計(jì)算，判斷網(wǎng)格方塊是否出現(xiàn)滲透現(xiàn)象，如果出現(xiàn)滲透現(xiàn)象，生成突水方塊且把著色器中的MainColor調(diào)節(jié)成為藍(lán)色，從而模擬突水通道的形成過(guò)程。

[參考文獻(xiàn)]

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