断层影响下工作面纯代码建模及循环开挖模拟(FLAC3D)
断层在煤矿开采过程中十分常见，断层有倾角、倾向、落差等影响因素，导致其与工作面开挖也存在很多种对应关系，有的工作面是迎断层面开挖、有的工作面是平行断层面开挖，有的工作面是斜交断层面开挖。不管是哪一种，都涉及到如下几个核心问题：（1）含断层的数值模型如何用纯代码建模？（2）断层如何模拟？（3）如何实现工作面循环开挖？针对以上问题，本文对此简单聊一聊。以一个图 1所示的简单的案例，其中工作面推进方向与断层面的走向垂直，也就是所谓的迎断层面开挖，利用纯代码进行建模，主要难度就在于如何建立有一定倾角的模型（为了适应断层倾角），同时还能保证主体结构的网格是横平竖直的。这里需要注意的是，为什么要强调主体网格要横平竖直呢，就是在于后续进行工作面开挖的时候，工作面网格必然是横平竖直。有的模拟为了简单，直接利用zone create brick建立一个类似梯形的网格，这显然是不合理的。因此，不能简单用brick设置8个顶点（point）来建模，模型需要进一步优化。本案例优化了上述建模，如图1所示。可以清楚地看到，除了断层区域外，其他区域网格都是横平竖直的，这样不仅更符合实际，也便于模型边界荷载的传递， 从而计算起来更加快捷。其次，断层的模拟主要包括两部分，一个是断层面，一般采用interface来实现；另一个是断层软化带（破碎带），利用实体单元fault1和fault2来实现，其强度参数明显弱于常规煤岩层的强度参数；断层面的interface就位于fault1和fault2两个分组之间。之后进行工作面循环开挖模拟，为了模拟顶板下沉效果以及控制顶板下沉的最大位移量，需要开启大变形(model large-strain on)并在煤层底板设置interface接触面（目的是防止顶板嵌入底板）；此外，利用fish函数实现工作面循环开挖，利用循环语句，可以设置总开挖进尺、单次循环开挖进尺，这样的显著优点就是不用重复编写开挖代码了。本案例中总开挖进尺为100m，单次循环开挖进尺为20m，每次开挖后均采用model solve ratio 1e-5进行求解。图2所示为工作面循环开挖下采场的垂直位移云图和垂直应力云图。可以发现，随着开挖进尺的增大，工作面距离断层面越来越近，断层附近的应力集中程度也越来越高，当工作面开挖进尺为100m时，整个模型发生大规模垮塌，这与断层的存在是有直接关系的。图2 断层影响下工作面循环开挖垂直位移和垂直应力云图
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