一种基于FLAC3D数值模拟矿产开采的地表下沉量预算方法与流程

本发明涉及煤层、金属矿产等领域矿层开采过程中地表下沉量预算方法，具体涉及一种基于flac3d数值模拟矿产开采地表下沉量的预算方法。

背景技术：

矿层采出后，采区围岩原始应力平衡遭到破坏，使得岩层产生移动和变形，当开采面积达到一定范围后，岩层移动便会扩展到地表，从而引起地表的下沉。针对矿层开采造成的地表下沉量一般是在实际开采过程中进行的实时监测，难以对其进行事前的预测，而室内相似试验模拟不仅费用大，且耗时耗力。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种省时省力、成本低，能在未进行矿产开采时即可预测矿层开采后对地表下沉的影响的一种基于flac3d数值模拟矿产开采的地表下沉量预算方法。

本发明的一种基于flac3d数值模拟矿产开采的地表下沉量预算方法，包括，

步骤1：分析揭露矿产的钻孔，确定实际开采时矿产的采厚、埋深、覆岩厚度、采掘工作面走向、倾向长度地质条件，根据所确定的上述地质条件，以采掘工作面走向、倾向长度及选取钻孔矿层顶底板岩层厚度为模型的x、y、z长度；

步骤2：根据矿产及其顶底板岩性力学测试获取各岩层的厚度、密度、内摩擦角、抗拉强度、泊松比、弹性模量基础参数，另外，岩层的体积模量和剪切模量根据泊松比和弹性模量进行计算得到，其计算公式如下：

其中：k—体积模量，g—剪切模量，e—弹性模量，υ—泊松比；

步骤3：根据摩尔-库伦物理模型准则，矿产开采后该岩层的物理模型定义为空模型，并定义如下的模型边界条件并进行模型平衡分析，

(1)位移边界

①将模型底部定义为全约束边界，即节点在x、y和z方向上的位移均为0；

②左右边界、前后边界为约束边界条件，即x和y方向均固定，水平位移为0)，z方向为自由边界，不予约束；

(2)应力边界

①模型顶部为地表，故上边界初始垂直应力条件为0；

②模拟开采过程中，为便于模型研究，将上覆岩层的重力假设为均匀荷载，在模型顶部按上覆岩层的重力，施加向下的应力，具体公式如下：

q＝σγh，

式中：q——模型上部边界的应力荷载，

γ——开采矿层上覆岩体的平均容重，

h——开采矿层上覆岩体的厚度，

另，模型x和y方向上的应力条件按侧压系数λ(一般取泊松比的倒数)与垂直应力的乘积施加水平应力，侧压系数的变化范围如下：

式中：h为采深，

根据上述边界条件、应力条件的设定，对模型进行运行处理；

步骤4，通过对矿产开采的模拟，利用节点编号输出地表下沉量数值，其输入语言为：printgpdisrangeidxxanyidxxany，必要时，可通过获取的下沉量数据，结合excel作地表下沉曲线，进行综合分析。

本发明的一种基于flac3d数值模拟矿产开采的地表下沉量预算方法，依据勘探钻孔实测资料，结合该地区地质条件，利用flac3d数值模拟软件建立地质模型，通过对模型调试、加载，满足矿产实际开采情况，模拟矿层开采后对地表沉陷的影响，以数表的形式更直观的显示地表的下沉量，整个模拟操作简单，经济合理，易于实际应用。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实例某矿矿层开采地表下沉量模拟地质模型；

图3为模拟开采后地表下沉量预算数据图(id为地表节点号，x-dis、y-dis为地表水平运移，z-dis为地表下沉量。

具体实施方式

一种基于flac3d数值模拟矿产开采的地表下沉量预算方法，具体步骤是：

1、依据实际地质条件，综合分析揭露矿产的钻孔，建立合适的模型，根据以往资料的收集，分析揭露矿层的钻孔，选取地表以下适当的深度，建立适合的地质模型；实例以zk1002孔实际揭露岩性为模拟对象，设计模拟尺寸为100m*100m*220m，模拟煤层为5-3^#、7^#、15-1^#、15-2^#，煤层厚分别为1.5m、2.5m、3.0m及2.0m，地质模型如图2所示。

2、根据矿产及其顶底板岩性力学测试获取相关参数，对钻孔揭露的矿层顶底板岩性进行采样，测试，获取模拟岩层的物理力学参数(包括：密度ρ、粘聚力c、内摩擦角φ、抗拉强度t、泊松比υ、弹性模量e)，体积模量和剪切模量可根据以下公式计算得到，

体积模量剪切模量

3、结合所建立的模型，选取合适的物理模型准则，定义恰当的模型边界条件并进行模型平衡分析，具体为：

①模型准则：对模型选取摩尔—库伦准则，矿层开挖后设为空模型；

②模型边界条件：底部边界采用全约束边界条件，即x、y和z方向位移均为零；左右边界、前后边界为约束边界条件，即x方向、y方向均固定(水平位移为零)，z方向为自由边界，不予约束。

4、根据实际地质条件，施加应力条件，运行处理，

模型上边界为地表，其初始垂直应力为0，煤层开挖过程中按模拟岩体总厚对模型上边界施加应力(即：σz＝γ^h，γ取模型底部上覆岩层的加权平均)，即5.5mpa，测压系数为0.33。

5、模拟矿产开采，利用节点编号输出地表下沉量数值，

模拟煤层为5-3^#、7^#、15-1^#、15-2^#，煤层厚分别为1.5m、2.5m、3.0m及2.0m，设计开挖100m，煤层两端均留有20m的保护煤柱，开挖步距设为20m。

技术特征：

1.一种基于flac3d数值模拟矿产开采的地表下沉量预算方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤1：分析揭露矿产的钻孔，确定实际开采时矿产的采厚、埋深、覆岩厚度、采掘工作面走向、倾向长度地质条件，根据所确定的上述地质条件，以采掘工作面走向、倾向长度及选取钻孔矿层顶底板岩层厚度为模型的x、y、z长度；

步骤2：根据矿产及其顶底板岩性力学测试获取各岩层的厚度、密度、内摩擦角、抗拉强度、泊松比、弹性模量基础参数，另外，岩层的体积模量和剪切模量根据泊松比和弹性模量进行计算得到，其计算公式如下：

其中：k—体积模量，g—剪切模量，e—弹性模量，υ—泊松比；

步骤3：根据摩尔-库伦物理模型准则，矿产开采后该岩层的物理模型定义为空模型，并定义如下的模型边界条件并进行模型平衡分析，

(1)位移边界

①将模型底部定义为全约束边界，即节点在x、y和z方向上的位移均为0；

②左右边界、前后边界为约束边界条件，即x和y方向均固定，水平位移为0)，z方向为自由边界，不予约束；

(2)应力边界

①模型顶部为地表，故上边界初始垂直应力条件为0；

②模拟开采过程中，为便于模型研究，将上覆岩层的重力假设为均匀荷载，在模型顶部按上覆岩层的重力，施加向下的应力，具体公式如下：

q＝σγh，

式中：q——模型上部边界的应力荷载，

γ——开采矿层上覆岩体的平均容重，

h——开采矿层上覆岩体的厚度，

根据上述边界条件、应力条件的设定，对模型进行运行处理；

步骤4：通过对矿产开采的模拟，利用节点编号输出地表下沉量数值。

2.根据权利要求1所述的一种基于flac3d数值模拟矿产开采的地表下沉量预算方法，其特征在于：步骤3中所述模型x和y方向上的应力条件按侧压系数λ与垂直应力的乘积施加水平应力，侧压系数λ取泊松比的倒数，侧压系数的变化范围如下：

式中：h为采深。

技术总结
本发明公开了一种基于FLAC3D数值模拟的地表下沉量计预算方法，对实际揭露矿产的钻孔进行分析，结合实际开采时矿产的地质条件，以采掘工作面走向、倾向长度及选取钻孔矿层顶底板岩层厚度为模型的X、Y、Z长度，建立数值模型，选取摩尔‑库伦物理模型准则，矿产开采后的模型定义为空模型，并将模型底部定义为全约束边界，左右边界、前后边界为约束边界条件，模拟开采过程中，在模型顶部按上覆岩层的重力施加向下的应力，利用节点号输出地表下沉量数值。本发明结合物理力学测试，利用FLAC3D数值模拟软件，建立分析、调试模型，执行矿产开采模拟求解，获取模型响应结果，量化矿产开采对地表沉陷的影响，操作简单且易于实际应用。

技术研发人员：张缓缓;叶永芳;吴晓辉;刘少华;詹华平;陈四宝
受保护的技术使用者：江西省煤田地质局二二四地质队
技术研发日：2018.12.14
技术公布日：2020.06.23