数值模拟

采矿工程数值模拟
分析报告
学院：资源与安全工程学院
班级：硕13-3班
姓名：孟浩
学号：TSZ130101026Q
中国矿业大学(北京)
2013年1月2日
1关键问题
1301工作面上、下平巷掘进过程中曾多次发生煤炮，工作面回采过程中，曾于2010年2月3日发生采场支架压死现象。

根据煤层、顶板冲击倾向性鉴定结果和曾发生的动力现象，并考虑到1301工作面复杂的开采条件(深部、特厚煤层、高地压、强承压水、高温、厚表土层、构造发育等)，认为1301工作面回采过程中面临潜在的冲击地压等动力灾害威胁。

本项数值模拟分析报告是根据龙固煤矿主采煤层为3（3上、3下）煤层1301工作面实际工程条件，以煤层赋存条件、采矿工程条件和水文地质条件为基础，应用FLAC3D数值分析软件进行数值分析计算，模拟并分析开采高度分别为9.0m 时，不同推进距离（8m、24m、48、80m）条件下，工作面前方支承压力分布、顶板来压步距、覆岩冒落高度、塑形破坏范围等,对提前预知、预防和减少灾害发生提供理论和实验依据。

2工程背景
地层区划属华北地层区鲁西地层分区，区内多为第四系覆盖。

矿井地质储量16.83亿吨，可采储量5.1亿吨，设计生产能力600万吨/年，设计服务年限82年。

3煤层平均厚度为8.82m，可采指数为1，为较稳定煤层，煤层倾角0～6°，平均3°；其单向抗压强度为32.13 MPa，基本顶为厚度为12.42m的粉砂岩互层，其单向抗压强度为100.17 MPa，由于煤层厚度较大，采空区冒落高度相对较高，煤层顶板又较为坚硬，因此可能存在顶板大面积悬顶。

随着工作面的继续推进顶板集聚足够的弹性能，突然断裂对工作面支架、煤壁造成冲击诱发采场、巷道冲击地压发生。

因此，3煤层顶板是否形成大面积悬顶是工作面顶板明显动压发生的必要条件。

3.软件介绍
FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是由美国ITASAC公司于20世纪80年代提出并程序化，是岩土连续介质的二维和三维专业分析软件。

二维计算程序V3.0以前的为DOS版本，V2.5版本仅仅能够使用计算机的基本内存（64K），所以，程序求解的最大结点数仅限于2000个以内。

1995年，FLAC2D 已升级为V3.3的版本，其程序能够使用护展内存。

因此，大大发护展了计算规模。

FLAC3D是一个三维有限差分程序，目前已发展到V2.1版本。

FLAC3D的输入和一般的数值分析程序不同，它可以用交互的方式，从键盘输入各种命令，也可以写成命令（集）文件，类似于批处理，由文件来驱动。

因此，采用FLAC程序进行计算，必须了解各种命令关键词的功能，然后，按照计算顺序，将命令按先后，依次排列，形成可以完成一定计算任务的命令文件。

FLAC3D是二维的有限差分程序FLAC2D的护展，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。

调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。

单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发变形和移动（大变形模式）。

FLAC3D 采用的显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术能够非常准确发模拟材料的塑性破坏和流动。

无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。

FLAC3D采用ANSI C++语言编写的。

4.模型建立
基于FLAC 3D 建模原理，参照新巨龙龙固矿井田1302N 工作面L-8号钻孔揭露的地层及岩性结构建立模型。

根据工程背景，建立400×90×117大小的模型，在节省单元、提高运算速度的同时，为保证计算精度，按照区域需要确定单元体的疏密如图4.1
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 6254 Model Perspective 15:10:30 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.95Ang.: 22.500
Block Group
15细粒砂岩14泥岩13_3上煤12粘土11_3上煤10粉砂岩9细粒砂岩8粗粒砂岩7中粒砂岩6泥岩5细粒砂岩4粗粒砂岩3细粒砂岩2粉砂岩1中粒砂岩
图4.1 模型
5参数确定
参数的确定见表5.1
表5.1 参数
煤岩名称
密度 Kg/m3 切变模量GPa 体积模量GPa 抗拉强
度 MPa
内摩擦角
（°） 粘聚力 MPa 粗粒砂岩 2000 1.22 2.85 1.20 33 4.20 中粒砂岩 2300 2.38 4.34 1.80 35 2.50 细粒砂岩 2400 2.60 6.67 2.00 38 3.00 泥岩 2400 1.00 2.00 0.80 30 1.00 粉砂岩 2400 3.65 1.20 1.00 33 2.00 煤层 1370 0.88 2.44 0.90 33 0.90 粘土 1800 0.019 0.0172 0.588
25 2.00
6计算过程
计算过程如下：数值模型如图4.1所示，开切眼左边预留宽100m 的边界煤柱，分步开挖，每次开挖8m ，共开挖10次，工作面推进80m ，每次开挖计算至平衡为止。

开切眼
7.结果分析
考虑到不同推进距离条件下分析方法的一致性，在此仅分析，推进距离为8m 、24m 、54m 、90m 时的图像和数据，其他条件下的数值分析可参考以上分析结果。

（1）垂直位移分布图
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA Step 9254 Model Perspective 21:50:58 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.56Ang.: 22.500
Contour of Z-Displacement
Magfac = 1.000e+000
-5.9372e-002 to -4.0000e-002-4.0000e-002 to -2.0000e-002-2.0000e-002 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 2.0000e-002 2.0000e-002 to 4.0000e-002 4.0000e-002 to 6.0000e-002 6.0000e-002 to 6.5177e-002 Interval = 2.0e-002
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 7254 Model Perspective 21:43:30 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.56Ang.: 22.500
Contour of Z-Displacement
Magfac = 1.000e+000
-3.8379e-002 to -3.0000e-002-3.0000e-002 to -2.0000e-002-2.0000e-002 to -1.0000e-002-1.0000e-002 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 1.0000e-002 1.0000e-002 to 2.0000e-002 2.0000e-002 to 3.0000e-002 3.0000e-002 to 4.0000e-002 4.0000e-002 to 5.0000e-002 5.0000e-002 to 5.7162e-002 Interval = 1.0e-002
推进8m 推进24m
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA Step 12254 Model Perspective 21:54:28 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.56Ang.: 22.500
Contour of Z-Displacement
Magfac = 1.000e+000
-8.9131e-002 to -8.0000e-002-8.0000e-002 to -6.0000e-002-6.0000e-002 to -4.0000e-002-4.0000e-002 to -2.0000e-002-2.0000e-002 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 2.0000e-002 2.0000e-002 to 4.0000e-002 4.0000e-002 to 6.0000e-002 6.0000e-002 to 7.3891e-002 Interval = 2.0e-002
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 16254 Model Perspective 22:26:35 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.56Ang.: 22.500
Contour of Z-Displacement
Magfac = 1.000e+000
-1.6177e-001 to -1.5000e-001-1.5000e-001 to -1.2500e-001-1.2500e-001 to -1.0000e-001-1.0000e-001 to -7.5000e-002-7.5000e-002 to -5.0000e-002-5.0000e-002 to -2.5000e-002-2.5000e-002 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 2.5000e-002 2.5000e-002 to 5.0000e-002 5.0000e-002 to 7.3749e-002 Interval = 2.5e-002
推进48m 推进80m
当工作面推进8m 时，顶板最大下沉量为3.8cm ；当工作面推进24m 时，顶板最大下沉量为5.94cm;当工作面推进48m 时，顶板最大下沉量为8.91cm ；（4）当工作面推进80m 时，顶板最大下沉量为16.27cm 。

综上所述，随着工作面推进，最大下沉量与最大底鼓量随着工作面推进而增大。

（2)垂直应力分布图
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA Step 7254 Model Perspective 20:21:04 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.95Ang.: 22.500
Contour of SZZ
Magfac = 1.000e+000 Gradient Calculation
-2.0465e+007 to -2.0000e+007-2.0000e+007 to -1.8000e+007-1.8000e+007 to -1.6000e+007-1.6000e+007 to -1.4000e+007-1.4000e+007 to -1.2000e+007-1.2000e+007 to -1.0000e+007-1.0000e+007 to -8.0000e+006-8.0000e+006 to -6.0000e+006-6.0000e+006 to -4.0000e+006-4.0000e+006 to -3.9664e+006 Interval = 2.0e+006
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 9254 Model Perspective 21:37:08 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.56Ang.: 22.500
Contour of SZZ
Magfac = 1.000e+000 Gradient Calculation
-2.2637e+007 to -2.2500e+007-2.2500e+007 to -2.0000e+007-2.0000e+007 to -1.7500e+007-1.7500e+007 to -1.5000e+007-1.5000e+007 to -1.2500e+007-1.2500e+007 to -1.0000e+007-1.0000e+007 to -7.5000e+006-7.5000e+006 to -5.0000e+006-5.0000e+006 to -2.5000e+006-2.5000e+006 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 2.0269e+005 Interval = 2.5e+006
推进8m 推进24
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA Step 16254 Model Perspective 21:36:00 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.95Ang.: 22.500
Contour of SZZ
Magfac = 1.000e+000 Gradient Calculation
-3.0966e+007 to -3.0000e+007-3.0000e+007 to -2.5000e+007-2.5000e+007 to -2.0000e+007-2.0000e+007 to -1.5000e+007-1.5000e+007 to -1.0000e+007-1.0000e+007 to -5.0000e+006-5.0000e+006 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 3.7334e+005 Interval = 5.0e+006
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 12254 Model Perspective 21:38:50 Thu Jan 02 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003
Mag.: 1.56Ang.: 22.500
Contour of SZZ
Magfac = 1.000e+000 Gradient Calculation
-2.6945e+007 to -2.5000e+007-2.5000e+007 to -2.0000e+007-2.0000e+007 to -1.5000e+007-1.5000e+007 to -1.0000e+007-1.0000e+007 to -5.0000e+006-5.0000e+006 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 2.1936e+005 Interval = 5.0e+006
推进48m 推进80m 如图所示，（1）当推进8m 时，工作面所受垂直应力最大值为20.4Mpa ，原始应力为17.6Mpa ，最大应力集中系数为1.16。

峰值点距离工作面8~10m 。

（2）当工作面推进24m 时，工作面所受垂直应力最大值为22.6Mpa ，最大应力集中系数为1.29，此时距工作面9~28m 。

当推进48m 时，工作面所承受垂直应力最大值为27Mpa,最大应力集中系数为1.53，距离工作面11~29m 。

（4）当工作面推进80m 时，工作面所承受垂直应力最大值为30.9Mpz ，最大应力集中系数为1.76，此时距离工作面13~21m 。

综上所述：随着工作面的推进，工作面所受垂直应力最大值增大，即最大应力集中系数增大，且随着工作面推进峰值点距离工作面距离增大。

（3）塑性区破坏
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA Step 7254 Model Perspective 23:23:19 Thu Jan 02 2014Center:
X: 1.164e+002 Y: 4.500e+001 Z: 1.918e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003Mag.: 5.96Ang.: 22.500Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 4.500e+001 Z: 0.000e+000
Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 0.000e+000
Block State
Plane: on None
shear-n shear-p shear-p
shear-p tension-p
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 9254 Model Perspective 09:24:30 Fri Jan 03 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003Mag.: 2.44Ang.: 22.500Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 4.500e+001 Z: 0.000e+000
Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 0.000e+000
Block State
Plane: on None
shear-n shear-p
shear-n tension-n shear-p tension-p shear-p
shear-p tension-p
tension-n shear-p tension-p tension-n tension-p tension-p
（a ）推进8m (b)推进24m
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA Step 11254 Model Perspective 10:13:45 Fri Jan 03 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003Mag.: 1.95Ang.: 22.500Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 4.500e+001 Z: 0.000e+000
Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 0.000e+000
Block State
Plane: on None
shear-n shear-p
shear-n shear-p tension-p
shear-n tension-n shear-p tension-p shear-p
shear-p tension-p
tension-n shear-p tension-p tension-n tension-p tension-p
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 10254 Model Perspective 10:11:25 Fri Jan 03 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003Mag.: 2.44Ang.: 22.500Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 4.500e+001 Z: 0.000e+000
Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 0.000e+000
Block State
Plane: on None
shear-n shear-p
shear-n shear-p tension-p shear-p
shear-p tension-p
tension-n shear-p tension-p tension-n tension-p tension-p
（c ）推进32m (d)推进40m
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA Step 13254 Model Perspective 10:17:28 Fri Jan 03 2014Center:
X: 2.000e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003Mag.: 1.95Ang.: 22.500Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 4.500e+001 Z: 0.000e+000
Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 0.000e+000
Block State
Plane: on None shear-n
shear-n shear-p
shear-n shear-p tension-p
shear-n tension-n shear-p tension-p shear-p
shear-p tension-p
tension-n shear-p tension-p tension-p
FLAC3D 3.00
Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USA
Step 12254 Model Perspective 23:21:36 Thu Jan 02 2014Center:
X: 1.766e+002 Y: 4.500e+001 Z: 5.855e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.151e+003Mag.: 1.95Ang.: 22.500Plane Origin: X: 0.000e+000 Y: 4.500e+001 Z: 0.000e+000
Plane Normal: X: 0.000e+000 Y: 1.000e+000 Z: 0.000e+000
Block State
Plane: on None shear-n
shear-n shear-p
shear-n shear-p tension-p
shear-n tension-n shear-p tension-p shear-p
shear-p tension-p
tension-n shear-p tension-p tension-p
(e)推进48m （f ）推进56m
随着工作面的推进，顶板破坏深度加大，老顶塑性破坏范围也逐渐增大，当推进达到24m 之后时，直接顶初次发生破断，当工作面推进到32m 时，老顶发生破断，工作面发生初次来压，当工作面继续推进8~10m 时，老顶发生规律性破断，形成周期来压。