基于CAD二维平面图形的FLAC3D断层模拟快速建模方法

赵永晓

(国家能源集团神东煤炭集团 布尔台煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

随着我国煤炭资源的持续开采，开采时所面临的地质环境日益复杂，常常会遇到断层、褶皱等地质构造，而通过数值仿真建立计算模型往往能很好地描述并分析此类问题。但针对含断层破碎带复杂地质条件建立数值计算模型时,存在断层两侧模型网格节点对接困难、节点密度大且不易控制等问题。对此国内外研究学者做出了较多研究，冯艳顺等[1]提出了一种GIS-Excel新的快速建模方法，并利用该方法实现了快速建模。唐江涛等[2]提出借助surfer、ANSYS等软件快速建立FLAC3D能够识别的类型文件的方法，此方法能够大大简化建模过程，提高建模精度。王大群等[3]提出一种复杂地质体三维模型构建新方法，采用Kriging插值方法，结合逆向工程技术的优势，快速获得地质体曲面模型。部分专家[4-9]基于Faro-3DMine及Midas-FLAC3D耦合技术、Rhinoceros平台、MIDAS GTS NX软件、采用Midas/Gts软件、3D Mine-ANSYS软件应用到FLAC3D中，实现了快速建模。本文针对FLAC3D软件建立含断层破碎带煤层数值模型时精度低等问题，提出借助CAD二维平面图形导入FLAC3D软件中实现快速断层建模，以期为FLAC3D数值建模的初学者提供有益参考。

1 CAD二维平面图形导入FLAC3D的原理

为了使 CAD二维平面图形准确地导入FLAC3D中，首先要了解CAD二维平面图形坐标点与FLAC3D基本单元坐标点的对应关系。CAD二维平面图形文件基本默认保存文件格式为DWG格式，二维平面图形之间根据坐标信息进行区分。使 CAD二维平面图形快速准确地导入FLAC3D中的关键点为CAD二维平面图形坐标点与FLAC3D基本单元坐标点要相互对应，如图1所示[10]。

图1 CAD二维平面图形与FLAC3D基本单元坐标点对照

通过对表1分析可知：将二维平面图形用CAD软件表示出来后的坐标点，可对应于FLAC3D三维网格单元一个平面坐标点，FLAC3D三维网格单元坐标点按照“右手法则”进行排序，且坐标点的顺序不能发生改变。若坐标点的顺序发生改变后，虽然也能建立三维模型，但在模型计算的过程中会发生报错，且排查问题困难。以brick网格单元为例：CAD二维平面图形对应的坐标点顺序为X0、X1、X6、X3，通过纵向拉伸后将其转换为FLAC3D三维坐标点依次对应为X2、X4、X7、X5共8个三维坐标点。同时在实际工程中，根据所要研究的地质体特征以及断层建模，通常用到以下两种网格单元：矩形网格(brick)、楔形网格(wedge)，因此掌握坐标点的顺序是数值建模中的关键一步。

2 快速建模步骤

首先将所需要研究的二维地质模型在CAD软件中表示出来，文件类型由DWG格式转化为DXF[11]格式。打开FLAC3D软件中Extrusion选项卡，将其导入，通过对点的捕捉、拉伸完成三维地质模型建模。

建模步骤：将二维地质模型在CAD软件中画出—导入FLAC3D—打开Extrusion选项卡—新建文档—捕捉点的坐标—纵向拉伸—设置group及size参数—FLAC3D建模完成。

3 工程实例

布尔台煤矿22208综采工作面位于22煤二盘区，工作面长301 m，当夹矸小于0.8 m时，设计采高3.8 m，当夹矸大于0.8 m时，设计采高2.7 m.推采长度4 544.7 m，可回采面积136.8万m2，地质储量为573.6万t.工作面沿走向布置，沿煤层倾向推进，采用长壁后退式一次采全高全部垮落法处理采空区的自动化采煤法进行回采作业，顶底板岩性特征如表1所示。在工作面回采过程中，受断层影响造成22煤层顶板破碎、煤层断失和变薄，使得煤层顶板及底板不完整，煤层顶底板呈现协调或不协调褶皱、脆性或弹塑性断裂等现象，煤、岩层产状变化较大。该矿地质环境复杂，若采用传统的命令流建模，费时费力，因此采用CAD二维平面图形导入FLAC3D软件的快速建模方法。

表1 顶底板岩性特征

在建立数值计算模型时，通常会把主要的研究对象精细化，而将与主要研究对象无关或者影响不是很大的因素进行简化，建立数值计算模型初步想法如下：

1) 建立数值计算模型的形状基本确定为长方形，且主要研究的对象为断层破碎带、22煤及22煤顶底板。22煤层的走向、倾向、倾角、埋藏深度、层厚及断层的倾角及厚度在建立数值计算模型过程中应重点关注。

2) 距离22煤顶板很远的上覆岩层重量及四周岩层产生的侧压力对22煤造成的影响，在建立数值计算模型时，可以通过计算简化为应力的方式施加在数值计算模型边界上，既可以减小数值计算模型的体积，还可以提高数值模型的计算速度。

3.1 辅助线的添加及煤岩层块体的分割

建立含有断层破碎带的数值计算模型时，将地质模型示意图在CAD软件中表示出来，如图2所示。FLAC3D自带的程序通常能够识别出两种网格单元(矩形网格brick、楔形网格wedge)，在CAD软件中构建二维地质模型的过程中会遇到不规则的块体，如图2块体Z所示，若直接将其导入FLAC3D中，则数值计算模型不会直接识别出来，建模也将无法完成。解决的办法如图3所示，所建立的FLAC3D三维地质模型如图4所示。

图2 CAD二维平面图

图3 辅助线的添加及煤岩层块体切割示意

图4 数值计算模型示意

首先将图2右上角块体Z分割成两个不同形状的块体，在分割的过程中，要考虑以下两种情况：

1) 块体分割后要能被FLAC3D自带程序识别出来，要分割成两种网格单元：矩形网格(brick)、楔形网格(wedge)。

2) 两个块体面积尽量相等，因为导入FLAC3D中虽然能够识别出来，但是在后期划分块体单元格网格时，若面积相差太大，会造成网格划分不均匀，数值模型计算结果准确性得不到保证。

通过对图2分析可知：添加辅助线a，将块体Z分割成两个块体A、B；添加辅助线b、f，将块体分割成D、E块体。应注意：辅助线(图3中的虚线)a、b、f要与22煤层实线连接起来，块体A、B、C、D、E、H能被FLAC3D自带程序识别出来,(在实际建模过程中，添加辅助线是在CAD软件中添加，但不能添加为虚线，同时要清楚不同块体分组之间的关系)后期只需设置group及size参数即可，此方法大大提高了建模效率和精确度。

3.2 数值模拟结果

根据研究目的和预期结果，建立FLAC3D数值计算模型如图4所示，在建立模型的过程中，考虑到模型边界效应及计算速度，最终确定数值计算模型xyz=800 m×300 m×400 m.模型中模拟煤岩体采用摩尔-库仑本构模型，模型四周及底面全部施加位移约束。22煤层及断层是重点研究对象，将其设置为不同分组且对该分组处的网格进行重点加密，以便更好地获得22煤开采时受断层的影响情况。设置数值计算模型中煤层及煤层顶、底板岩层物理参数，编写为txt文本格式，在FLAC3D数值模拟软件中调用图3 数值计算模型进行计算即可，断层初始应力平衡云图如图5所示，22煤初始应力平衡云图如图6所示。

图5 断层初始应力平衡云图

图6 22煤初始应力平衡云图

通过图5、图6分析可知：断层初始应力平衡云图最小垂直应力达到0.074 6 MPa，最大垂直应力达到10.61 MPa；22煤层初始应力平衡云图最小垂直应力达到0.106 MPa，最大垂直应力达到7.029 MPa，且初始应力平衡云图分层明显，不因网格线未对齐而产生应力集中现象，待数值模型计算完毕后可进行下一步操作。

4 结 语

基于CAD二维平面图形导入FLAC3D中实现快速精准建模，充分结合了CAD软件作图精准及FLAC3D数值模拟软件网格自动划分等优点，不仅提高了数值模拟效率, 缩短了数值计算周期，而且克服了网格划分不均匀等问题，后期只需设置group及size参数即可，真正实现了在复杂地质条件下含有断层破碎带的煤层快速建模。