数值模拟技术在矿山开采沉陷教学中的应用

查剑锋, 赵 军, 吴承红, 张豪杰

(中国矿业大学 环境与测绘学院, 国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室, 江苏 徐州 221116)

数值模拟技术在矿山开采沉陷教学中的应用

查剑锋, 赵 军, 吴承红, 张豪杰

(中国矿业大学 环境与测绘学院, 国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室, 江苏 徐州 221116)

为提高矿山开采沉陷学课程的教学质量,帮助学生更好地理解开采沉陷的基本理论,探讨了数值模拟技术应用于矿山开采沉陷教学中的优势,重点介绍了数值分析软件FLAC在课程教学中的应用,将矿山开采沉陷的教学与FLAC数值模拟技术紧密结合在一起,从而使教学中一些模糊的、抽象的概念更加形象化和具体化,加深学生对相关理论知识和基本概念的理解和掌握程度,培养学生分析和解决相关的工程问题与计算机软件应用的能力。

矿山开采沉陷； 数值模拟技术； FLAC； 课程教学

“矿山开采沉陷”作为一门独立的边缘性学科,是不少高校测绘工程和采矿工程等专业的一门重要的核心课程,矿山开采沉陷课程涉及的学科范围很广,包括测量、采矿、力学、计算机、地质、建筑等多个学科的知识[1-2],由于其所涵盖的概念较多，并且一些概念较为抽象,空间想象力要求较高,导致学生普遍感到“矿山开采沉陷”课程理论枯燥、难懂。此外,该课程的教学内容中数学公式较多,并且许多公式理论性均较强,很多学生在学习该课程过程中感觉很费劲,这些现象产生的根源在于没有掌握基本概念和理论。在这种情况下,打破常规的教学方式[3-7],使得在有限的课堂时间内达到事半功倍的教学效果,是当下必须要解决的问题。

近些年来,数值模拟技术在工程领域中得到越来越广泛的重视,并且理论上已经较为成熟,数值模拟能克服常规物理实验观测困难和重复性差等缺陷,具有通用性强、方便灵活、具有可重复性等优势。而且,还可以通过数值试验得到许多在常规实验中难以观测到的重要信息,因此成为解决大型科学和工程难题的有效途径之一。在岩土、矿山工程中常用的数值模拟软件主要有ADINA、COMSOL、ANSYS、FLAC、ABAQUS等[8]。FLAC具有强大的计算功能,且非常擅长于求解非线性大变形问题,使其在众多数值模拟软件中独树一帜[9]。由于矿山开采引起的岩层移动属于典型的大变形问题,因此采用FLAC进行开采沉陷的模拟研究工具有明显的适用性。FLAC具有直观形象的图形显示功能,可将抽象的位移、变形、应力、应变、塑性破坏等数据转化为形象生动的图形。因此,借助于FLAC数值模拟技术作为矿山开采沉陷课程教学的辅助手段,进行采动岩层移动过程的数值模拟研究,使覆岩的变形、位移及应力分布结果能用云图及动画清晰地表现出来,可将原本抽象的理论和枯燥乏味的概念可视化、形象化,可以使学生更加清楚地认识岩层移动破坏过程的发生机制及其规律,使学生的知识点掌握得更加深刻、牢固,培养学生如何用所学的知识去分析和解决实际工程问题的能力。

1 数值模拟对开采沉陷教学的辅助作用

1.1 清晰的阐明一些复杂的开采沉陷现象

矿山开采引起围岩应力的重新分布,导致岩层和地表大范围的连续移动和严重的破坏,这种现象称为开采沉陷。矿山开采沉陷课程的主要任务是阐述开采引起的岩层移动规律及其控制的基本理论和概念,让学生认识岩层移动并掌握其控制方法。然而，由于开采沉陷是典型的空间和力学问题,一些现象如围岩应力与上覆岩层移动是看不见和接触不到的,对于这些现象如果只靠纯粹的理论讲解,一些过程需要经过反复的构思和想象才能有所领悟,这样对于基础薄弱的学生来说会感到较为吃力。采用数值模拟技术能很好地解决这些问题,将数值模拟引入到开采沉陷教学中,可以模拟一些岩体复杂的结构和力学特征[10],把一些复杂的开采沉陷空间和力学问题直观形象地展现在学生面前,通过彩色云图、动画等形式演示,重现开采沉陷中的岩层和地表的移动以及围岩应力的变化过程,有利于增强学生对一些复杂的开采沉陷现象的理解和记忆。

1.2 提高学生对开采沉陷基本规律的理解

开采沉陷具有空间上尺度大、时间上跨度长的特点。长期以来,人们对开采沉陷一般规律的认识大多是建立在现场实测和经验的基础上,这必然会消耗大量的人力和物力,并且现场实测方法不能综合考虑各方面的因素,仅仅凭借实测研究很难得到某个具体的因素对开采沉陷的影响规律,因此无法使学生对开采沉陷规律形成一个全局的观念。传统的单一化和理论化的教学模式,导致大部分学生对开采沉陷基本规律不理解或理解不透彻。

FLAC的强大优势为教学提供了有利手段,采用FLAC分析开采沉陷岩层与地表移动的基本规律,方便灵活、可重复性高,可进行反复、大量的试验,并且不受试验条件与时间的限制,可直观地显示围岩应力分布图与岩层移动矢量图[11-12],学生从云图上就能读取岩层的位移分布规律和采场围岩应力分布特征,不仅开拓了学生空间想象能力,还提高了学生对开采沉陷基本规律的感性认识,加深了对开采沉陷基本理论和概念的理解。

1.3 培养学生开采沉陷相关问题的研究能力

数值模拟的应用是建立在对专业知识把握、理解的基础上,利用数值模拟能够引导学生参与一些具有理论和实际意义的问题的分析和实验。一方面,学生通过数值模拟练习,可对相关知识所存在的疑点和难点进行验证和巩固,亦可对新的方向展开深入的探究,在潜移默化中提高了学生对开采沉陷问题的钻研和分析能力。另一方面,通过抽象的数值模拟的学习,使学生能够掌握知识体系中的主要矛盾关系,并进一步反馈到理论分析中,两者相互结合,互为验证,培养了学生的分析能力,启发了学生的创新性思维[13]。

结合数值模拟方法有利于学生充分了解和掌握课程基本理论的本质,加强其理论与实践结合的能力。鉴于大量的科研和工程实例都需要借助于数值手段,数值模拟为解决相关开采沉陷问题提供强有力的途径,引入数值模拟进行教学,能够切实提高学生对开采沉陷相关问题的研究和解决实际工程问题的能力,为学生今后的学习研究奠定坚实的基础。此外,通过结合一定的案例分析,加大学生对软件操作运用的熟练程度,使其学会如何让利用模拟成果为工程建设服务,改变学生传统的学习方式,让学生真正做到学以致用,进而达到课程教学的基本目标。

2 FLAC在开采沉陷教学中的应用案例

2.1 岩层及地表移动变形规律的演示

在讲解开采沉陷岩层及地表移动规律时,若只按照教材中的曲线和文字性描述进行讲解,学生往往觉得乏味、空洞,如果采用数值模拟技术,可以用图片展示开采过程中对应的岩层和地表移动分布规律,也可以动画演示开采沉陷的岩层移动过程,还可以借助第三方软件如Surfer、Tecplot、Origin等输出岩层移动的等值线分布情况[14],进而生成更加生动直观的表沉陷的三维图,有助于学生对开采沉陷中岩层移动变形规律知识的吸收和消化。参照数值计算结果并结合理论讲解,可使课程的教学效果大大提升,这样也能更好地培养学生的创新思维,加深学生对该部分内容的直观印象和对该知识的理解,达到课程创新性教学的目的。图1和图2分别为模拟结果输出的地表下沉和水平移动云图,地表下沉三维图如图3所示。

图1 地表下沉云图

图2 地表沿x方向水平移动云图

从图1和图2中可以很直观地看出煤层开采后地表的下沉和水平移动分布规律,地表下沉盆地沿工作面主断面呈轴对称分布,采空区正上方地表的下沉值最大,从盆地中心向采空区边界地表的下沉逐渐减小直至为0；地表沿x方向的水平移动分布沿工作面走向或倾向主断面呈轴对称,并且水平移动的方向均指向采空区中心,模拟结果较为全面地反映了开采沉陷地表移动的基本规律。通过给出开采后的地表位移云图,使学生从图中就能读取开采影响下的地表移动量与移动规律,同样也可获取模型中任一时刻、任意剖面的岩层移动情况,能让学生更加清晰地认识采动过程中各个岩层的移动变形特征。

2.2 开采沉陷岩层移动动态过程研究

开采引起的沉陷是一个在时间和空间方面都非常复杂的过程,开采沉陷的形状、大小在不同的时间是不同的,随着工作面的不断推进,岩层的移动是一个动态变化的过程。岩层与地表动态移动过程和分布规律是开采沉陷的核心部分之一,也是课堂教学的重点和难点,学生往往只了解采动稳定后的覆岩破坏特征与地表下沉情况,而对开采过程中覆岩运动的动态过程缺乏认知。因此需要借助于FLAC演示走向主断面的岩层动态垂直位移示意图,通过将FLAC生成的彩色的图片展现给学生,为学生洞悉岩体内部移动和破坏机理提供强有力的可视化手段。在此基础上再通过结合理论讲解,使原本枯燥的概念变得更加生动,从而使学生能更好地理解和掌握课程的基本概念和知识框架。本文模拟某煤层工作面开采过程中的主断面岩层垂直位移及应力分布云图分别如图4和图5所示。

从图4很容易看出：随着工作面向前推进,顶板位移呈拱形显现,采空区上覆岩层的下沉量不断增大,受采动影响的岩层的范围也在逐渐扩大,并且同一层位的竖直位移从工作面中间向两端减小；从顶板向地表方向的各岩层的下沉量逐步减小,但是自下往上各岩层的下沉影响范围却逐步增加,均大于工作面尺寸大小,至地表处的下沉范围达到最大。

图4 不同工作面推进距离覆岩移动情况

图5 不同工作面推进距离覆岩垂直应力变化情况

从图5可以看出,随着工作面推进,边界煤柱一侧的垂直应力出现集中和增大的现象,边界煤柱及其上下方的岩层形成支承压力区,并随着距离采空区距离的增加,垂直应力逐步趋于平衡。此外,从下往上,覆岩垂直应力的集中程度逐渐降低,即岩层垂直应力的变化程度随覆岩埋深的减小而降低。通过给出采动过程中主断面的覆岩移动及垂直应力的变化情况,使学生对开采沉陷岩层内部移动及其应力变化规律有了更深入的理解。

2.3 开采沉陷的岩层控制分析

我国“三下”(建筑物、水体、铁路下)压煤严重,在保护地表的建构筑物和地面环境的重要前提下,为解放当前的“三下”压煤资源,通常采用条带开采、充填开采以及协调开采等方法来代替传统的垮落法开采,以有效控制岩层及地表的移动与变形。采用条带开采后覆岩的移动规律及围岩应力分布特征与长壁垮落法开采相比存在较大差异,而这些也是矿山开采沉陷中的重点和难点。为加强学生对不同开采方式下岩层移动及应力变化规律的理解,需要展示采动后岩层覆岩移动和应力分布云图。

例如对一煤层工作面进行条带开采模拟(采100 m留100 m),根据模拟计算结果分别得到主断面垂直应力分布及下沉的云图分别见图6和图7，图6中的SZZ为垂直应力，图7中的ZDISP为垂直位移。从图中可以看出:

图6 条带开采主断面垂直应力分布云图

图7 条带开采岩层主断面下沉云图

(1) 条带开采后留设煤柱中心处的垂直应力值增大,采动后煤柱对上覆岩层的支撑力增加,形成增压区,煤柱被压缩,其上方的应力近似呈“拱形”分布,自下往上垂直应力值逐渐减小,可见中间煤柱对限制岩层移动起着重要作用,此外,两侧边界煤柱的应力分布规律和长壁开采类似。

(2) 条带开采由于留设煤柱体对上部岩层的支撑作用,控制着上覆岩层的移动,减少整体覆岩的下沉空间,因此由岩体发展到地表的下沉量减小,由此表明条带开采能起到有效的控制地表下沉的作用。将条带开采断面的岩层位移与采场应力分布特征由FLAC云图形式传递给学生,加深学生对条带开采岩层控制机理及规律的理解和掌握。

3 结束语

“矿山开采沉陷”是一门综合性很强的课程,涉及多领域的知识点,在课程中采用案例分析,并结合数值模拟方法进行讲解和演示,能激发学生学习的兴趣。数值模拟在工程计算上得到了广泛的应用,但是在高校的应用范围较为狭窄,大多局限于科学研究,很少将其运用到辅助教学中。采用数值软件和直观的图形显示功能,将其应用于矿山开采沉陷课程的教学,使得学生更好地理解和掌握这门课程的基本概念和基本理论,在一定程度上弥补了纯理论教学的不足,开拓了学生的思路,扩宽了学生的视野,有效地解决了教学中的一些疑难问题。采用数值模拟技术改变了常规化的教学模式,丰富了教学内容,提高了教学质量和效率,同时也提高了学生的学习积极性和对实际工程的分析应用能力,有益于创新型人才的培养。

References)

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Application of numerical simulation technology in teaching of mining subsidence

Zha Jianfeng, Zhao Jun, Wu Chenghong, Zhang Haojie

(NASG Key Lab for Land Environment and Disaster Monitoring, School of Environment Science and Spatial Informatics,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

In order to improve the teaching quality of “Mining Subsidence” course to help students understand the basic theory of mining subsidence better, this paper mainly discusses the strength of the numerical simulation technique used in Mining Subsidence teaching, and introduces the application of numerical analysis software FLAC in the teaching course,by combing the teaching of Mining Subsidence and the numerical simulation technique of FLAC closely together, so that the vague and abstract concepts in teaching can be more figurative and concrete, which can not only deepen students’ understanding and mastery of the relevant theoretical knowledge and basic concepts, but also foster students’ ability to analyze and solve engineering problems associated with computer software application.

mining subsidence; numerical simulation technology; FLAC;course teaching

2015- 05- 12 修改日期：2015- 06- 25

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAB13B03);江苏省高校优势学科建设工程资助项目(PAPDSA1102);矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室开放基金资助项目(KLM201101)

查剑锋(1982—),男,安徽安庆,博士,副教授，研究方向为变形监测与开采沉陷及岩层控制.

E-mail：zha_jf@163.com

TD327;TP391.9

A

1002-4956(2015)12- 0044- 05