數值模擬技術在礦山開采沉陷教學中的應用

查劍鋒, 趙 軍, 吳承紅, 張豪杰

(中國礦業大學 環境與測繪學院, 國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室, 江蘇 徐州 221116)

數值模擬技術在礦山開采沉陷教學中的應用

查劍鋒, 趙 軍, 吳承紅, 張豪杰

(中國礦業大學 環境與測繪學院, 國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室, 江蘇 徐州 221116)

為提高礦山開采沉陷學課程的教學質量,幫助學生更好地理解開采沉陷的基本理論,探討了數值模擬技術應用于礦山開采沉陷教學中的優勢,重點介紹了數值分析軟件FLAC在課程教學中的應用,將礦山開采沉陷的教學與FLAC數值模擬技術緊密結合在一起,從而使教學中一些模糊的、抽象的概念更加形象化和具體化,加深學生對相關理論知識和基本概念的理解和掌握程度,培養學生分析和解決相關的工程問題與計算機軟件應用的能力。

礦山開采沉陷； 數值模擬技術； FLAC； 課程教學

“礦山開采沉陷”作為一門獨立的邊緣性學科,是不少高校測繪工程和采礦工程等專業的一門重要的核心課程,礦山開采沉陷課程涉及的學科范圍很廣,包括測量、采礦、力學、計算機、地質、建筑等多個學科的知識[1-2],由于其所涵蓋的概念較多，并且一些概念較為抽象,空間想象力要求較高,導致學生普遍感到“礦山開采沉陷”課程理論枯燥、難懂。此外,該課程的教學內容中數學公式較多,并且許多公式理論性均較強,很多學生在學習該課程過程中感覺很費勁,這些現象產生的根源在于沒有掌握基本概念和理論。在這種情況下,打破常規的教學方式[3-7],使得在有限的課堂時間內達到事半功倍的教學效果,是當下必須要解決的問題。

近些年來,數值模擬技術在工程領域中得到越來越廣泛的重視,并且理論上已經較為成熟,數值模擬能克服常規物理實驗觀測困難和重復性差等缺陷,具有通用性強、方便靈活、具有可重復性等優勢。而且,還可以通過數值試驗得到許多在常規實驗中難以觀測到的重要信息,因此成為解決大型科學和工程難題的有效途徑之一。在巖土、礦山工程中常用的數值模擬軟件主要有ADINA、COMSOL、ANSYS、FLAC、ABAQUS等[8]。FLAC具有強大的計算功能,且非常擅長于求解非線性大變形問題,使其在眾多數值模擬軟件中獨樹一幟[9]。由于礦山開采引起的巖層移動屬于典型的大變形問題,因此采用FLAC進行開采沉陷的模擬研究工具有明顯的適用性。FLAC具有直觀形象的圖形顯示功能,可將抽象的位移、變形、應力、應變、塑性破壞等數據轉化為形象生動的圖形。因此,借助于FLAC數值模擬技術作為礦山開采沉陷課程教學的輔助手段,進行采動巖層移動過程的數值模擬研究,使覆巖的變形、位移及應力分布結果能用云圖及動畫清晰地表現出來,可將原本抽象的理論和枯燥乏味的概念可視化、形象化,可以使學生更加清楚地認識巖層移動破壞過程的發生機制及其規律,使學生的知識點掌握得更加深刻、牢固,培養學生如何用所學的知識去分析和解決實際工程問題的能力。

1 數值模擬對開采沉陷教學的輔助作用

1.1 清晰的闡明一些復雜的開采沉陷現象

礦山開采引起圍巖應力的重新分布,導致巖層和地表大范圍的連續移動和嚴重的破壞,這種現象稱為開采沉陷。礦山開采沉陷課程的主要任務是闡述開采引起的巖層移動規律及其控制的基本理論和概念,讓學生認識巖層移動并掌握其控制方法。然而，由于開采沉陷是典型的空間和力學問題,一些現象如圍巖應力與上覆巖層移動是看不見和接觸不到的,對于這些現象如果只靠純粹的理論講解,一些過程需要經過反復的構思和想象才能有所領悟,這樣對于基礎薄弱的學生來說會感到較為吃力。采用數值模擬技術能很好地解決這些問題,將數值模擬引入到開采沉陷教學中,可以模擬一些巖體復雜的結構和力學特征[10],把一些復雜的開采沉陷空間和力學問題直觀形象地展現在學生面前,通過彩色云圖、動畫等形式演示,重現開采沉陷中的巖層和地表的移動以及圍巖應力的變化過程,有利于增強學生對一些復雜的開采沉陷現象的理解和記憶。

1.2 提高學生對開采沉陷基本規律的理解

開采沉陷具有空間上尺度大、時間上跨度長的特點。長期以來,人們對開采沉陷一般規律的認識大多是建立在現場實測和經驗的基礎上,這必然會消耗大量的人力和物力,并且現場實測方法不能綜合考慮各方面的因素,僅僅憑借實測研究很難得到某個具體的因素對開采沉陷的影響規律,因此無法使學生對開采沉陷規律形成一個全局的觀念。傳統的單一化和理論化的教學模式,導致大部分學生對開采沉陷基本規律不理解或理解不透徹。

FLAC的強大優勢為教學提供了有利手段,采用FLAC分析開采沉陷巖層與地表移動的基本規律,方便靈活、可重復性高,可進行反復、大量的試驗,并且不受試驗條件與時間的限制,可直觀地顯示圍巖應力分布圖與巖層移動矢量圖[11-12],學生從云圖上就能讀取巖層的位移分布規律和采場圍巖應力分布特征,不僅開拓了學生空間想象能力,還提高了學生對開采沉陷基本規律的感性認識,加深了對開采沉陷基本理論和概念的理解。

1.3 培養學生開采沉陷相關問題的研究能力

數值模擬的應用是建立在對專業知識把握、理解的基礎上,利用數值模擬能夠引導學生參與一些具有理論和實際意義的問題的分析和實驗。一方面,學生通過數值模擬練習,可對相關知識所存在的疑點和難點進行驗證和鞏固,亦可對新的方向展開深入的探究,在潛移默化中提高了學生對開采沉陷問題的鉆研和分析能力。另一方面,通過抽象的數值模擬的學習,使學生能夠掌握知識體系中的主要矛盾關系,并進一步反饋到理論分析中,兩者相互結合,互為驗證,培養了學生的分析能力,啟發了學生的創新性思維[13]。

結合數值模擬方法有利于學生充分了解和掌握課程基本理論的本質,加強其理論與實踐結合的能力。鑒于大量的科研和工程實例都需要借助于數值手段,數值模擬為解決相關開采沉陷問題提供強有力的途徑,引入數值模擬進行教學,能夠切實提高學生對開采沉陷相關問題的研究和解決實際工程問題的能力,為學生今后的學習研究奠定堅實的基礎。此外,通過結合一定的案例分析,加大學生對軟件操作運用的熟練程度,使其學會如何讓利用模擬成果為工程建設服務,改變學生傳統的學習方式,讓學生真正做到學以致用,進而達到課程教學的基本目標。

2 FLAC在開采沉陷教學中的應用案例

2.1 巖層及地表移動變形規律的演示

在講解開采沉陷巖層及地表移動規律時,若只按照教材中的曲線和文字性描述進行講解,學生往往覺得乏味、空洞,如果采用數值模擬技術,可以用圖片展示開采過程中對應的巖層和地表移動分布規律,也可以動畫演示開采沉陷的巖層移動過程,還可以借助第三方軟件如Surfer、Tecplot、Origin等輸出巖層移動的等值線分布情況[14],進而生成更加生動直觀的表沉陷的三維圖,有助于學生對開采沉陷中巖層移動變形規律知識的吸收和消化。參照數值計算結果并結合理論講解,可使課程的教學效果大大提升,這樣也能更好地培養學生的創新思維,加深學生對該部分內容的直觀印象和對該知識的理解,達到課程創新性教學的目的。圖1和圖2分別為模擬結果輸出的地表下沉和水平移動云圖,地表下沉三維圖如圖3所示。

圖1 地表下沉云圖

圖2 地表沿x方向水平移動云圖

從圖1和圖2中可以很直觀地看出煤層開采后地表的下沉和水平移動分布規律,地表下沉盆地沿工作面主斷面呈軸對稱分布,采空區正上方地表的下沉值最大,從盆地中心向采空區邊界地表的下沉逐漸減小直至為0；地表沿x方向的水平移動分布沿工作面走向或傾向主斷面呈軸對稱,并且水平移動的方向均指向采空區中心,模擬結果較為全面地反映了開采沉陷地表移動的基本規律。通過給出開采后的地表位移云圖,使學生從圖中就能讀取開采影響下的地表移動量與移動規律,同樣也可獲取模型中任一時刻、任意剖面的巖層移動情況,能讓學生更加清晰地認識采動過程中各個巖層的移動變形特征。

2.2 開采沉陷巖層移動動態過程研究

開采引起的沉陷是一個在時間和空間方面都非常復雜的過程,開采沉陷的形狀、大小在不同的時間是不同的,隨著工作面的不斷推進,巖層的移動是一個動態變化的過程。巖層與地表動態移動過程和分布規律是開采沉陷的核心部分之一,也是課堂教學的重點和難點,學生往往只了解采動穩定后的覆巖破壞特征與地表下沉情況,而對開采過程中覆巖運動的動態過程缺乏認知。因此需要借助于FLAC演示走向主斷面的巖層動態垂直位移示意圖,通過將FLAC生成的彩色的圖片展現給學生,為學生洞悉巖體內部移動和破壞機理提供強有力的可視化手段。在此基礎上再通過結合理論講解,使原本枯燥的概念變得更加生動,從而使學生能更好地理解和掌握課程的基本概念和知識框架。本文模擬某煤層工作面開采過程中的主斷面巖層垂直位移及應力分布云圖分別如圖4和圖5所示。

從圖4很容易看出：隨著工作面向前推進,頂板位移呈拱形顯現,采空區上覆巖層的下沉量不斷增大,受采動影響的巖層的范圍也在逐漸擴大,并且同一層位的豎直位移從工作面中間向兩端減小；從頂板向地表方向的各巖層的下沉量逐步減小,但是自下往上各巖層的下沉影響范圍卻逐步增加,均大于工作面尺寸大小,至地表處的下沉范圍達到最大。

圖4 不同工作面推進距離覆巖移動情況

圖5 不同工作面推進距離覆巖垂直應力變化情況

從圖5可以看出,隨著工作面推進,邊界煤柱一側的垂直應力出現集中和增大的現象,邊界煤柱及其上下方的巖層形成支承壓力區,并隨著距離采空區距離的增加,垂直應力逐步趨于平衡。此外,從下往上,覆巖垂直應力的集中程度逐漸降低,即巖層垂直應力的變化程度隨覆巖埋深的減小而降低。通過給出采動過程中主斷面的覆巖移動及垂直應力的變化情況,使學生對開采沉陷巖層內部移動及其應力變化規律有了更深入的理解。

2.3 開采沉陷的巖層控制分析

我國“三下”(建筑物、水體、鐵路下)壓煤嚴重,在保護地表的建構筑物和地面環境的重要前提下,為解放當前的“三下”壓煤資源,通常采用條帶開采、充填開采以及協調開采等方法來代替傳統的垮落法開采,以有效控制巖層及地表的移動與變形。采用條帶開采后覆巖的移動規律及圍巖應力分布特征與長壁垮落法開采相比存在較大差異,而這些也是礦山開采沉陷中的重點和難點。為加強學生對不同開采方式下巖層移動及應力變化規律的理解,需要展示采動后巖層覆巖移動和應力分布云圖。

例如對一煤層工作面進行條帶開采模擬(采100 m留100 m),根據模擬計算結果分別得到主斷面垂直應力分布及下沉的云圖分別見圖6和圖7，圖6中的SZZ為垂直應力，圖7中的ZDISP為垂直位移。從圖中可以看出:

圖6 條帶開采主斷面垂直應力分布云圖

圖7 條帶開采巖層主斷面下沉云圖

(1) 條帶開采后留設煤柱中心處的垂直應力值增大,采動后煤柱對上覆巖層的支撐力增加,形成增壓區,煤柱被壓縮,其上方的應力近似呈“拱形”分布,自下往上垂直應力值逐漸減小,可見中間煤柱對限制巖層移動起著重要作用,此外,兩側邊界煤柱的應力分布規律和長壁開采類似。

(2) 條帶開采由于留設煤柱體對上部巖層的支撐作用,控制著上覆巖層的移動,減少整體覆巖的下沉空間,因此由巖體發展到地表的下沉量減小,由此表明條帶開采能起到有效的控制地表下沉的作用。將條帶開采斷面的巖層位移與采場應力分布特征由FLAC云圖形式傳遞給學生,加深學生對條帶開采巖層控制機理及規律的理解和掌握。

3 結束語

“礦山開采沉陷”是一門綜合性很強的課程,涉及多領域的知識點,在課程中采用案例分析,并結合數值模擬方法進行講解和演示,能激發學生學習的興趣。數值模擬在工程計算上得到了廣泛的應用,但是在高校的應用范圍較為狹窄,大多局限于科學研究,很少將其運用到輔助教學中。采用數值軟件和直觀的圖形顯示功能,將其應用于礦山開采沉陷課程的教學,使得學生更好地理解和掌握這門課程的基本概念和基本理論,在一定程度上彌補了純理論教學的不足,開拓了學生的思路,擴寬了學生的視野,有效地解決了教學中的一些疑難問題。采用數值模擬技術改變了常規化的教學模式,豐富了教學內容,提高了教學質量和效率,同時也提高了學生的學習積極性和對實際工程的分析應用能力,有益于創新型人才的培養。

References)

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Application of numerical simulation technology in teaching of mining subsidence

Zha Jianfeng, Zhao Jun, Wu Chenghong, Zhang Haojie

(NASG Key Lab for Land Environment and Disaster Monitoring, School of Environment Science and Spatial Informatics,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

In order to improve the teaching quality of “Mining Subsidence” course to help students understand the basic theory of mining subsidence better, this paper mainly discusses the strength of the numerical simulation technique used in Mining Subsidence teaching, and introduces the application of numerical analysis software FLAC in the teaching course,by combing the teaching of Mining Subsidence and the numerical simulation technique of FLAC closely together, so that the vague and abstract concepts in teaching can be more figurative and concrete, which can not only deepen students’ understanding and mastery of the relevant theoretical knowledge and basic concepts, but also foster students’ ability to analyze and solve engineering problems associated with computer software application.

mining subsidence; numerical simulation technology; FLAC;course teaching

2015- 05- 12 修改日期：2015- 06- 25

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAB13B03);江蘇省高校優勢學科建設工程資助項目(PAPDSA1102);礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金資助項目(KLM201101)

查劍鋒(1982—),男,安徽安慶,博士,副教授，研究方向為變形監測與開采沉陷及巖層控制.

E-mail：zha_jf@163.com

TD327;TP391.9

A

1002-4956(2015)12- 0044- 05