文摘

有限元软件的接口程序开发的基于曲面样条插值使用MATLAB软件。可控的三维表面建模实现基于CAD的轮廓。以矿山为例,建立三维数值计算模型的方法包括复杂地层边界进行了研究。地下开采对地表移动和变形复杂地层条件下使用应用FLAC3D软件进一步进行了讨论。研究结果表明,有限元软件的开发接口程序可以实现复杂地层的数值模拟,为后续的数值模拟提供帮助。沉降计算值与测量值在良好的协议。表面倾斜的值、表面曲率和地表水平变形小于有关规定。充填采矿方法的方法对表面结构没有明显影响。研究结果可以为类似的数值模拟提供参考。

1。介绍

随着经济的快速发展,人民对矿产的需求增加,这使得采矿业发展蓬勃。地表沉陷灾害给人们的安全带来隐患(1- - - - - -3]。地下开采会导致围岩变形和破坏,表面结构、铁路和水体。因此,地下采矿引起的地表移动和变形和表面损伤的建筑已经成为全球的一个人造环境灾难和矿业领域的一个热点问题4- - - - - -6]。

与矿业相关的理论和技术的持续改进,许多成就在地下采矿引起的地表沉陷的研究。目前,地表移动和变形的预测方法可分为三类。他们的理论分析方法,相似度模型,数值模拟方法。的理论分析方法和相似模型方法地下采矿引起的地表移动和变形,Sasaoka et al。7),Villegas et al。8法齐奥,et al。9),吴et al。10),他和康(11)进行了一次非常有意义的讨论和实践理论的地下采矿引起的地表移动和变形。理论分析方法可以分析和恢复地表移动和变形曲线通过引入相关变量。然而,复杂地层和地形的分析相关问题略有不足。Nikolaos et al。12),Guarino et al。13],斯哥图di Santolo [14),阴et al。15),和李et al。16]分析了地下采矿引起的地表移动,通过模拟实验方法。然而,基于相似理论建立了模型试验。因此,材料特性、压力因素和边界条件难以完全满足相似要求。此外,模型试验过程是复杂的。

目前,随着计算机硬件的发展和进步的相关数值模型软件,数值模拟地下开采地表移动和变形的方法取得了快速进展(17,18]。动载荷的影响,地下水和其他综合因素对地表移动和变形可以被认为是在数值模拟19]。因此,数值模拟已成为常见的分析方法(20.- - - - - -23]。哈迪et al。24)使用应用FLAC3D软件模拟地面沉降由于分段崩落法方法。然后,纵向和横向的沉降影响区进行了研究。左et al。25)使用一个新程序MDDA(矿业不连续变形分析)来模拟连续开发的采矿工程开挖过程基于现有的非连续变形分析(DDA)。实时应力分布和演化的岩层运动在采矿过程中可以有效地获得。尼克et al。26)使用不同的元素数值模型土坡建立大规模的雪崩地球的物质。一般拉伸和稀疏的雪崩。

然而,很难转换复杂地层和复杂地形的三维数值模型。建立三维地层边界的过程是复杂的。目前,简化的地层边界建模通常是通过使飞机沿单方向一致的发生,尽管有些软件可以直接使用复杂的三维地层边界构造模型。然而,很难控制在3 d模型元素大小地层边界,由于CAD等值线间距和节点的复杂性。产生的高密度网格通常是在该地区拥有大量高度差(密度等值线),这使得模型单元的总数大幅增加。高密度网的存在严重影响计算速度的3 d模型。

基于自主研发的计算机辅助设计和有限元软件接口程序,本文实现了控制网格的复杂地层。我以矿山为例,数值模型和复杂地质地层使用应用FLAC3D数值模拟方法建立了。相关的水平和垂直部分,地质边界等值线图、矿体分布地图,和其他数据在模型中使用。通过现场工程地质调查和岩石力学,建立了开采数值模型。获得实际的岩体力学参数的测试。然后,进行了数值计算和分析。通过这种方式,不仅复杂地层的影响被认为是联合飞机和其他结构的影响也反映在岩体力学参数的过程。地表沉陷在良好的协议与测量值。地表移动和变形的计算结果可以为开采提供可靠的指导。

2。网施工方法的三维复杂的表面

使用MATLAB程序实现计算机辅助设计和有限元软件之间的接口。三维复杂曲面模型可以直接从CAD数据,生成有限元软件可以使用。

接口的功能程序如下:(1)接口程序可以自动提取等值线的坐标点和相应的高程值和共存的文本文件。(2)接口程序可以自动设置的水平和垂直维度3 d表面网格。实际坐标附近的网格点的差异可以自动找到。最后,定期和统一的3 d表面。(3)接口程序可以实现等值线的自动扩展nonisoline数据区域。区域表面模型的自动构建不等值线数据可以实现。

如果密度等值线点提取的程序不符合需求的水平和垂直网格大小的三维表面,表面样条插值方法用于加密。点的坐标和对应的高程值之前加密 在哪里X我和Y我是X和Y高程点的坐标我分别为,H我点的高程值吗我。

公式(1)是一种二元单值函数列表,安装。二元样条函数的表达式如下: 在哪里 是要解决的系数,ε是调整系数,从0.01到1.00平地和10吗−6到10−5奇异的表面。的系数可以由以下公式计算: 在哪里 和 的加权系数 节点,可以为0。方程(3)表示为矩阵 在哪里Cm×1是一个对称矩阵组成的节点坐标值和加权系数。如果一个m×m不是一个奇异矩阵,然后可以解决方程的系数矩阵是什么

然后,方程(2)可以确定,如果模型分为区域k四边形网格,每个网格节点的相应的等值线高程表示为

海拔函数的偏导数的等值线在任何网格节点表示为

c3+我系数是解决。k是四边形网格的数量。我是特定的网格节点。ε是调整系数,从0.01到1.00平地和10吗−6到10−5奇异的表面。

通过公式(7)和网格节点坐标,对应的坐标网格节点的安装面。插值点的三维坐标。

CAD轮廓,如图1,作为一个例子,网格长度在水平和垂直方向上(25 m在水平方向和垂直方向20米)独立设置的接口程序。CAD的本地部分轮廓线(如CAD图的左下角)不能满足网格密度。程序进行自动生成三维表面模型插值计算。不同的灰度图2(一个)代表不同的海拔。模型和等值线在图是一致的1。


图1
原始CAD等值线图。
(一)
(一)
(b)
(b)
图2
三维表面模型。(a)顶视图灰度图像的三维表面。(b)表面三维立体图。

3所示。工程案例分析

3.1。矿区的概况

矿区的表面是温柔的,稍微倾向于东部,梯度约7‰。矿区的表面大约是水平的。矿区的地层是由第四纪松散的岩石中,上第三系碎屑岩Daqueshan形成的变质岩中元古代Zhujiashan集团和超基性岩石。主要有两个矿带在矿区K1和K2。K1矿石带出现在蚀变岩体的顶部。K2成矿带发生变更的最低点。K1和K2矿带的出现符合岩体的顶部和底部,分别。

大量的建筑物和构筑物分布在矿区的表面上。几个村庄和省道主要分布范围内的采矿权。如果表面是狼狈地变形,将会产生严重的后果。本文将重点分析地下开采的地表移动和变形。矿区的地质地层边界是复杂的。典型的岩石地层边界轮廓线如图3。由于理论分析方法有严格要求的层次,很难建立复杂地质边界相似模型试验。因此,它是非常实用使用数值模拟分析矿井复杂地层边界。


图3
矿体层地层边界轮廓线。
3.2。构建数学模型

根据我的实际情况,开发接口程序是用于实现多个复杂地层的三维表面模型,它提供了随后的地表移动和变形分析的基础。根据地质勘探资料,第四纪地层的三维网格边界和表面形貌,如图4。根据地层边界的等值线图,边界的三维网格K1矿体上部和更低的K2建立矿体,如图5。地层的最后3 d网格边界如图6。


图4
第四纪地层边界和表面网格地图(前视图)。

图5
网格图K1矿体边界线和K2矿体(前视图)。

图6
地层边界的网格图。

根据地层的三维网格边界,建立数值计算模型完成,单位是分裂的。根据矿体水平投影,高和低品位矿体划分。三维模型的矿体和围岩三维模型如图7。不同的颜色代表不同的等级的矿体。两层矿体是由四个三维曲面。的内部单位计算模型如图所示8。在图8、11组9是第四纪系统,是新第三纪岩体,集团10是K1煤层的顶板岩体,集团7是seam K1和K2煤层的顶板岩体,集团8是K2煤层的层岩体和组3、5和6组不同品位矿体。

(一)
(一)
(b)
(b)
图7
三维模型的矿体和围岩三维模型。(一)矿体K1和K2。(b)的三维模型。

图8
计算模型的单元图(注:组9是第四纪;集团11新第三纪;集团10是K1顶板岩石;集团7是K1层岩石和K2顶板岩石;组8是K2地板岩石;5组3组,组6矿体)。

在地下工程的数值分析,计算成功的关键不仅是准确计算模型也初始地应力现场(27,28]。这一次,负载应用根据岩体的自重应力。的z方向约束应用模型的底部,和X方向和Y应用方向约束模型。表面是一个免费的表面。

3.3。数值模拟方案和参数值

这数值模拟主要分析影响规律和表面采矿的范围。根据我的设计,模拟开采步骤确定。填充是每个挖掘步骤结束时进行。具体的数值模拟方案如图9。


图9
数值模拟计算方案。

根据岩石物理力学测试的结果和岩体质量评价、围岩的力学参数是根据Hoek-Brown标准计算。典型的Hoek-Brown计算曲线如图10。最后的岩体力学参数如表所示1。


图10
计算曲线Hoek-Brown标准K1矿体顶板岩体。
表1
岩体力学参数的总结。
3.4。数值模拟结果的分析

在上面的高品位矿石280 K1矿体开采和填充,上部岩体的位移在充填体是最大的,这是0.15。矿区上面的表面位移最大,约为0.05米。高品位矿石开采和充填后低于K1矿体和−−280∼730−590 K2的矿体,岩层的最大位移出现高于K2矿体的充填体,约为0.3米。表面位移约为0.1米。上面的高品位矿石后−−以下730 m和590的K2矿体开采和填充,地层的最大位移是充填体上方的K2矿体,增加不明显,0.32米。表面位移达到0.2米。所有低品位矿体的开采对地层运动产生重大影响。地层内的最大位移达到0.37米,位于上部的K2矿体和相对接近水面。在这个时候,表面的最大位移达到0.3米。云图表地层运动在不同开采阶段如图11。FLAC3D软件的结果导入到冲浪软件,最后变形表面如图12。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图11
云图表地层运动在不同开采阶段。(一)步骤1。步骤2 (b)。步骤3 (c)。步骤4 (d)。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
图12
最后的地表移动和变形。(一)云地表沉陷的图表。(b)云表面横向运动的图像。(c)云图表表面倾斜。(d)表面曲率云图。(e)云的形象地表水平变形。
3.5。理论计算分析结果

目前,我已经安排地表沉降观测点沿1 - 1测线。较低的矿体的采矿Miaozhuang已经完成,和矿区离这里很远。测量结果表明,地表沉陷变得稳定。的最大沉降测量值附近村庄4 = 0.07米,可视为这个点的最终沉降值。没有明显的损坏表面结构的迹象。

FLAC3D软件可以直接导出表面沉降等值线图和表面水平运动等值线图。地面坡度等值线图和表面曲率等值线图转换为地表水平变形等值线图。它可以实现通过派生的地表沉陷和表面水平运动数据通过MATLAB,根据以下计算公式。

的公式计算地球表面的倾向x和y方向是 在哪里 是地表沉陷值。

的公式计算地球表面的曲率x和y方向是 在哪里我(x, y)表面倾角值吗x和y的方向。

水平方向的变形的公式x和y的表面 在哪里U (x, y)水平面运动吗x和y的方向。

地表沉降等值线图,表面水平运动等高线图,和相应的数值模拟获得的测线剖面图所示数据13和14。表面的斜率等值线图,表面曲率等值线图,地表水平变形等值线图,线剖面图和相应的调查获得的公式(8)- (10)所示的数据15- - - - - -17。最后获得的地表移动变形值如表所示2。


图13
地表下沉等值线图。

图14
水平运动的等值线图。

图15
表面倾斜的等值线图。

图16
表面曲率的等值线图。

图17
地表水平变形等值线图。
表2
地表移动和变形值。

建筑物的损伤程度受开采影响的大小取决于表面变形和建筑物抵抗变形的能力。由于没有规范这方面的noncoal矿山、地下开采的地表变形影响范围的划定根据水平变形ε> 2.0毫米/米或曲率k> 0.2×10−3或倾向我> 3.0毫米/米,参照规定保留煤柱的建筑物、水体、铁路及主要轴(29日]。

根据计算,地下开采矿山的表面几乎没有影响。计算沉降值村4是0.075米,这是接近0.07米的测量值。数值模拟结果与实际情况一致。区域地面的沉降和水平运动不会影响地表建筑物和构筑物。因此,在三个法规和其他规范,只有三个表面变形指标,如水平变形,弯曲,和倾向,是用来反映地表建筑物和构筑物的影响程度。水平表面变形会引起张力裂缝在建筑,表面曲率将导致建筑和结构的不均匀变形,和表面倾斜可能会导致施工建筑推翻,影响地表建筑物、构筑物的安全。根据计算结果,最大倾斜,最大曲率和水平变形的−0.5∼0.3毫米/米,−1.6∼4.0×10−6/ m和−0.38∼0.18毫米/米,不影响范围内指定的三个规定。充填采矿方法的方法没有明显的对表面结构的影响。

4所示。结论

在这篇文章中,计算机辅助设计和有限元软件之间的接口程序基于曲面样条插值由MATLAB软件用于实现复杂地层的控制网。基于矿井工程实例,我建立数值模型包括多个复杂地层界限。地下开采的地表移动和变形进行了分析。(1)基于自主研发的接口程序的计算机辅助设计和有限元软件,它能实现复杂的控制网格层和提供良好的基础建立数值计算模型。(2)根据数值模拟的结果,地下开采引起的地表沉陷是在良好的协议与测量值。水平变形、弯曲和倾斜的地面不达到临界值。充填采矿方法的方法对表面结构没有明显影响。充填开采能有效控制地表沉陷。挖掘步骤有一个对地表沉陷的影响。先前的结果矿业受到未来开采的影响。(3)开发接口程序克服的困难3 d复杂地层边界建模。程序具有可控单元大小和节点数量。程序可以实现区域没有轮廓数据的插值和自动扩展。程序有效地避免局部高密度的外观层边界上网格。这个项目可以提高模型的计算速度。研究结果可以为类似的数值模拟提供参考。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢石家庄Tiedao大学支持项目研究经费。