基于FISH语言的开采沉陷模拟数据处理方法

邓伟男

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013）



基于FISH语言的开采沉陷模拟数据处理方法

邓伟男

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013）

针对数值模拟研究开采沉陷现象时结果数据处理过程复杂且繁琐的问题，根据下沉、倾斜、曲率、水平移动及水平变形的计算公式，利用FISH语言编程，实现了将FLAC3D数值模拟结果直接转化为开采沉陷研究中所需指标数据输出的目的。通过实例应用，验证了该数据处理方法的可靠性。研究成果适用于海量开采沉陷模拟数据的处理，为从力学本质上深入研究开采沉陷现象提供了便利，也为其他研究领域模拟数据的提取提供了参考。

FISH语言；开采沉陷；数值模拟；FLAC3D；数据处理

地下有用矿物采出后，采空区围岩内原始应力的平衡状态遭到破坏，进而导致了覆岩的一系列移动变形。随着开采区域范围的增加，覆岩的移动变形不断向上发展直至地表，造成矿山开采沉陷现象。掌握覆岩与地表的移动变形量值是研究开采沉陷相关问题的基础，但现实中往往缺乏相应的实测数据。国内外学者根据早期地表沉陷实测数据的积累，利用几何理论研究出了概率积分法、剖面函数法、典型曲线法［1］，以上方法考虑了地表沉陷盆地的几何近似，较少考虑覆岩的特点及力学性质，虽然在实践中得到了广泛的应用，但并不能揭示开采沉陷发育到地表的本质规律。为了克服几何理论预计法的不足，国内外学者利用弹性理论、塑性理论、黏弹塑性理论和损伤断裂理论等力学理论分析岩层内部结构和力学性质对采区覆岩与地表移动变形的影响［2-3］，尝试从力学本质的角度研究开采沉陷问题，但由于理论及技术手段的原因，在建立力学模型时对岩层结构及受力条件进行了简化，岩层的真实力学参数难以精确获取，研究成果只能在特定的地质采矿条件下适用，未能得到广泛的应用。随着力学理论的进步以及计算机技术的高速发展，岩土工程界研究出了基于有限单元、边界单元、离散单元、有限差分法的数值模拟方法，这些方法考虑了覆岩结构及力学性质，不仅能够预计地表沉陷变形，还可模拟覆岩内部应力变化及分布情况，且计算较为简便，结果数据丰富，越来越多的科研人员开始利用数值模拟法研究开采沉陷相关问题［4-5］。

FLAC3D是基于连续介质快速拉格朗日差分法编制而成的数值模拟计算软件，是目前岩土工程界应用最为广泛的数值模拟软件之一，特别适用于模拟大变形问题，能够真实地模拟煤矿开采沉陷现场［6］。FLAC3D作为普适性的软件，其计算结果虽包含各模型单元节点的位移数据，但并不能直接提供开采沉陷学研究中所惯用的移动与变形指标数据，以往的研究中通常将结果数据全部输出后，再根据需要人工挑选所需数据并进行计算处理，由于数据量较大，处理过程较为繁琐且极易出错。为了将FLAC3D数值模拟计算结果有针对性地转化为开采沉陷研究所需指标数据，本文利用FLAC3D内嵌的FISH语言编程，对数值模拟计算结果中提取的位移值进行相应的计算，输出结果可直接用来分析覆岩与地表的移动变形特征。

1　模型单元编号规则

FLAC3D数值计算模型有限差分网格覆盖了所要分析的整个物理区域，在开采沉陷研究中，一般选用矩形网格（Brick）作为基本模型单位，矩形网格单元如图1所示，图中数字代表模型单元节点编号顺序，是寻找单元节点的关键，X，Y，Z代表模型的全局坐标方向，所有的单元节点由（X，Y，Z）位置矢量定义。

图1　矩形网格单元

2　开采沉陷指标数据的编程处理

开采沉陷学研究中，描述覆岩与地表移动变形的指标主要有下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形等5种，为了便于叙述，文中以X方向某单元6号、8号节点所在剖面线的5种移动变形值的计算为例介绍基于FISH语言的开采沉陷覆岩与地表移动变形数据处理方法，程序代码同样适用于求取连续单元体的移动变形数据。FLAC3D中节点位移单位为m，在利用FISH语言编程的过程中，按照开采沉陷研究领域的惯例，将输出的5种移动变形指标单位直接转化为表1中单位［7］。

表1　各移动变形指标输出单位

2.1下沉

数值模型中任意节点下沉值的计算公式如下:

式中，wn为n点的下沉值；Hn0，Hnm分别表示n点初始时刻和计算结束时的垂直位移。

公式（1）计算出的下沉值符号的定义为:正值表示计算点下沉，负值表示计算点上升。

由于模型单元体初始时刻各节点位移值均为零，各节点在Z方向的位移值即为下沉值。由于剖面线上相邻两个单元共用一个节点，即一个单元的8号节点等同于下一个单元6号节点，程序设计取所有单元的6号节点下沉值及最后一个单元的8号节点下沉值为全部所需求得的下沉值（程序设计时也可以选取第一个单元6号节点的下沉值及所有单元的8号节点下沉值得到同样的数据）。提取下沉值相应的FISH语言代码如下:

上述代码中，a，b代表待求数据单元的id范围；h6，h8分别代表该单元6号及8号节点的垂直位移值；w代表根据公式（1）计算的下沉值。

2.2倾斜

倾斜是模型剖面线上相邻两节点在竖直方向的下沉差与其水平距离的比值，该比值是反映剖面线沿某一方向坡度的指标。其计算公式如下:

式中，im-n为m，n两点间的倾斜值；lm-n为m，n两点间的水平距离；wm，wn分别表示m，n点的下沉值。

公式（2）计算出的倾斜值符号的定义为:在煤层倾斜剖面线上，倾向煤层上山方向的倾斜为正值，反之为负值；在走向剖面线上，向右侧的倾斜为正值，反之为负值。本节中节点倾向沿X轴正方向为正值，沿X轴负方向为负值。提取倾斜值相应的FISH语言代码如下:

上述代码中，a，b，h6，h8与上文代码中的意义相同；l代表该单元6号及8号节点间的水平距离；i代表根据公式（2）计算出的倾斜值。

2.3曲率

曲率是两相邻线段的倾斜差与两线段中点间的水平距离的比值，该比值是反映剖面线弯曲程度的指标。其计算公式如下:

式中，km-n-p为m-n，n-p线段的曲率值；im-n，in-p分别表示m-n和n-p点间的倾斜值；lm-n，ln-p分别表示m-n和n-p点间的水平距离。

公式（3）计算出的曲率值符号的定义为:曲率为正值代表剖面线上凸，曲率为负值代表剖面线下凹。提取曲率值相应的FISH语言代码如下:

上述代码中，a，b，h6，h8与上文代码中的意义相同；l1，l2分别代表相邻两单元节点6与8的水平距离；k为公式（3）计算出的曲率值。

2.4水平移动

计算点的水平移动是该点沿某一水平方向的位移，计算公式如下:

式中，un为n点的水平移动值；Ln0，Lnm分别表示n点初始时刻和计算结束时的水平位移。

公式（4）计算出的水平移动值符号的定义为:在煤层倾斜剖面线上，指向煤层上山方向的移动为正值，反之为负值；在走向断面上，向右侧的移动为正值，反之为负值。本节中节点水平移动沿X轴正方向为正值，沿X轴负方向为负值。提取水平移动值相应的FISH语言代码与提取下沉值类似，只需将gp_zdisp改为gp_xdisp，下沉值计算公式改为水平移动值计算公式即可。

2.5水平变形

水平变形是相邻两点的水平移动差与两点间水平距离的比值，该比值是反映线段的拉伸和压缩的指标。其计算公式如下:

式中，εm-n为m，n两点间的水平变形值；um，un分别为m，n点的水平移动值；lm-n为m，n两点间的水平距离。

公式（5）计算出的水平变形值符号的定义为:正值表示拉伸变形，负值表示压缩变形。提取水平变形值相应的FISH语言代码与提取倾斜值类似，只需将gp_zdisp改为gp_xdisp，倾斜值的计算公式改为水平变形值的计算公式即可。

3　应用实例

山西某煤矿煤层水平，埋深202m，煤厚3m，上覆岩层结构稳定，现利用FLAC3D模拟地下煤层开采引起的开采沉陷现象，输出模型主断面上地表移动变形数据。

设计网格体中的所有区域为摩尔-库伦模型，模型左下角为原点，X，Y方向各1000m，坐标系采用FLAC3D中默认坐标系，除顶部为自由边界外，其余边界固定。开切眼距左边界380m，工作面沿X轴正方向推进，一次开挖推进10m。当工作面推进到150m，模型达到平衡后，利用第2节中相应的FISH语言代码，提取下沉、倾斜、曲率、水平移动及水平变形等模型主断面地表各节点的移动变形数据，通过对比，以上输出结果与人工提取的移动变形数据相一致。限于文章篇幅，仅将模型主断面地表下沉值及水平移动值绘制成曲线，如图2所示。

图2　模型主断面地表下沉及水平移动曲线

4　结束语

（1）利用数值模拟技术分析开采沉陷问题，考虑了地下岩层结构及其力学性质，较好地弥补了传统力学理论需要简化相关条件的不足，且能够从开采沉陷发展过程中获得海量的移动及应力数据，有助于从本质上解释开采沉陷现象。

（2）根据下沉、倾斜、曲率、水平移动及水平变形等指标的计算方法，基于 FLAC3D内嵌的FISH语言编制程序，能够准确高效地从数值模拟结果中提取煤矿开采沉陷研究所需的相关数据。

（3）基于通用的数值模拟软件平台，有针对性地开发便于建模及数据处理的独立程序模块，是将数值模拟计算有效地应用于开采沉陷学研究的关键前提。

［1］张华兴，郭惟嘉.“三下”采煤新技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2008.

［2］邹友峰，邓喀中，马伟民.矿山开采沉陷工程［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.

［3］蓝 航.节理岩体采动损伤本构模型及其在露井联采工程中的应用［D］.北京:煤炭科学研究总院，2007.

［4］彭林军，赵晓东，李术才.深部开采地表沉陷规律模拟研究［J］.岩土力学，2011（6）:1910-1914.

［5］南英华，徐能雄，武 雄，等.安家岭井工一矿开采沉陷数值模拟岩体力学参数反演［J］.煤炭技术，2015，34（1）: 109-112.

［6］谢和平，周宏伟，王金安，等.FLAC在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析［J］.岩石力学与工程学报，1999（4）: 397-401.

［7］中华人民共和国国家煤炭工业局制定.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］.北京:煤炭工业出版社，2000.

［8］邓伟男.高速公路受开采沉陷影响的破坏机理研究［D］.北京:煤炭科学研究总院，2013.

［9］黄成飞.厚湿陷性黄土层下综放开采地表移动规律研究［D］.焦作:河南理工大学，2011.

［责任编辑：邹正立］

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

国家科技重大专项资助项目（2011ZX05064）

邓伟男（1986-），男，河南滑县人，助理研究员，采矿工程博士，主要研究方向为“三下”采煤技术及其理论的研究与应用。

［引用格式］邓伟男.基于FISH语言的开采沉陷模拟数据处理方法［J］.煤矿开采，2016，21（4）：15-17，9.