深部大型采场真三维数值模拟研究.pdf

中图分类号婴Q 5 U D C 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 墨三 密级公珏 深部大型采场真三维数值模拟研究 S t u d yo n t r u e3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd e e pa n d l a r g e s c a l es t o p e 作者姓名许杰 学科专业矿业工程 研究方向采矿工程 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师李启月 副指导教师 论文答辩日期丝2 至 』多答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 3 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 储签名华聊签名 深部大型采场真三维数值模拟研究 摘要近年来，数值模拟技术作为一种重要的研究手段，在深部大型 采场参数优选、采场稳定性分析评价中取得了相当大的成就。然而， 在模拟过程中尚存两方面的问题，一是对计算模型几何形状的简化， 二是对计算模型受力情况的简化，其后果是数值模拟计算结果不准确， 无法为实际工程提供可靠的参考。 基于此，本文综合运用多种软件，以V i s u a lB a s i c V B 为解决问 题的核心工具，通过优化现有数值计算软件的模拟技术，建立几何形 状及受力情况均与研究对象实际情况相符的真三维有限元模型，提高 深部大型采场数值模拟的可靠性。取得了以下研究成果 1 编写了S U R P A C ．A N S Y S 接V I 程序。为了充分发挥S U R P A C 在矿体建模上的巨大优势、充分利用A N S Y S 在数值模拟分析上的强 大功能，利用V B 编写了二者之间的接口程序。相比于S U R P A C ．F L A C 研究方法，S U R P A C ．A N S Y S 转换方式解决了网格数量控制问题、单 元节点耦合问题、前后处理直观检验问题，提供了一种三维建模软件 与数值模拟软件的全新耦合方式。 2 为深部大型采场有限元模型施加了与实际情况相符的初始 地应力。在A N S Y S 中，无法直接通过软件本身为研究对象施加理想 的三向初始地应力，且每个方向的地应力在埋深方向上呈线性梯度增 加。分别利用A P D L 和V B 通过编程的方式来处理I S T 文件，生成与 三维梯度初始地应力文件，并成功施加于有限元模型。 3 将优化后的数值模拟方法应用于工程实践。以新城金矿实际 工程情况为例，用前述方法对其深部大型采场进行模拟。首先利用 S U R P A C ．A N S Y S 接口程序建立整个矿体的有限元模型，再利用V B 法施加三维梯度初始地应力。 4 最后对不同采场参数的开挖方案进行了模拟。对采场稳定性 进行分析，发现采场失稳的主要形式是顶板冒落和两帮片落。经过对 比分析，选出了最优方案和备选方案，并根据采场易冒顶和片帮的特 点提出了相应的防范措施。 关键词深部大型采场；数值模拟；S U P A C ．A N S Y S 接口程序；三维 梯度初始地应力 分类号T D 8 5 3 T P l 8 1 T P 3 1 1 ．1 P 5 5 4 Ⅱ S t u d y o nt r u e3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd e e pa n d l a r g e - s c a l es t o p e A b s t r a c t I nr e c e n ty e a r s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w h i c hi Sc o n s i d e r e da s a ni m p o r t a n tr e s e a r c h i n gm e t h o d ，h a sg o tag r e a ta c h i e v e m e n ti n p a r a m e t e r s ’o p t i m i z a t i o na sw e l la ss t a b i l i t ya n a l y s i si nt h ef i e l do fd e e p l a r g e - s c a l es t o p e ．H o w e v e r , t h e r ea r e2p r o b l e m si ns i m u l a t i o n ．T h ef i r s t o n ei st h eg e o m e t r i c a ls i m p l i f i c a t i o n ；t h es e c o n do n ei st h es i m p l i f i c a t i o n o ff o r c ef i e l d ． T r u e3 Df m i t ee l e m e n tm o d e l ，w h i c ha g r e e dw i t ht h er e s e a r c h i n g o b j e c t i nb o t hg e o m e t r ya n dm e c h a n i c s ，W a sb u i l tt h o u g ht e c h n i c a l i m p r o v e m e n to ne x i s t i n gn u l l l e r a ls i m u l a t i o n ．I tw a sV i s u a lB a s i c V B m a tW a st a k e na st h ek e yt os o l v ea l lt h ep r o b l e m sw h i l es e v e r a lk i n d so f s o R w a r ew e r eu s e di n t h i sp a p e r ．I nt h i sw a y , t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t s b e c a m em o r er e l i a b l ei nd e e pl a r g e s c a l es t o p es i m u l a t i n ga n a l y s i s ． R e s e a r c h i n gr e s u l t sc a nb ec o n c l u d e da sf o l l o w 1 S U R P A C A N S Y Si n t e r f a c ep r o g r a mW a sc o m p l i e d ．I no r d e rt o t a k et h ea d v a n t a g eo fS U R P A Ci nO r eb o a ym o d e l i n ga n dt h ea d v a n t a g e o fA N S Y Si nn u m e r i c a lc a l c u l a t i n ga tt h es a m et i m e ，ab r i d g ew a sb u i l t b e t w e e nt h e mu s i n gV B ．C o m p a r e dw i t hS I 瓜P I A C - F L A Cm e t h o d ， S U R P A C ．A N S Y Ss o l v e dt h ep r o b l e m so fm e s hq u a n t i t yc o n t r o l l i n g ， n o d e sc o u p l i n ga n dd i r e c tc h e c k i n gi np r e p r o c e s s i n ga n dp r e p r o c e s s i n g ． I tp r o v i d e dan e ww a yt oc o n n e c t3 Dm o d e l i n gs o f t w a r ea n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns o f t w a r e ． 2 I n i t i a ls t r e s sf i e l dw h i c hm a t c h e dt h er e a ls i t u a t i o nW a s f l to nt h e F E Mo fd e e pl a r g e s c a l es t o p e ．I nA N S Y S ，d u et ot h ei m p e r f e c tf u n c t i o n o fi n i t i a ls t r e s sf i e l d ．i tW a si m p o s s i b l et oc r e a t et h ei d e a l3 Df i l e dw i t h g r a d i e n ti ne v e r yd i r e c t i o n ．I S Tf i l e sw e r ep r o c e s s e db yu s i n gA P D L p r o g r a m i n gm e t h o da n dV Bp r o g r a m i n gm e t h o d , t oc r e a t et h ei d e a lI S T f i l e ．T h i sf i l eW a sf i to nt h eF E M s u c c e s s f u l l y ． 3 1 1 1 eo p t i m i z e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dW a sa p p l i e d i n e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ．X i n c h e n gg o l dm i n ew a s t a k e na sa ne x a m p l et ou s e t h em e n t i o n e dm e t h o di nt h es i m u l a t i o no fd e e pa n dl a r g e s c a l es t o p e ． T h ew h o l eo r eb o d y ’SF E MW a sm o d e l e du s i n gS U R P A C - A N S Y S i n t e r f a c ep r o g r a m ．T h e3 D g r a d i e n ti n i t i a ls t r e s sf i e l dW a sc r e a t e dt h o u g h I I I V Bm e t h o d ． 4 S e v e r a le x c a v a t i n gs c h e m e sw i t hd i f f e r e n ts t o p ep a r a m e t e r sw e r e s i m u l a t e d ．S t r e s sc o m p o n e n t sa n dd i s p l a c e m e n to nd i f f e r e n td i r e c t i o n w e r ec o n s i d e r e da St h em o s ti m p o r t a n ti n d e x e st oa n a l y z et h es t o p e s t a b i l i t y ．I tW a Ss h o w nt h a tt h em a j o rf a i l u r e sw e r et h er o o ff a l l i n ga n d w a l lc a v i n g ．T h em o s to p t i m a ls c h e m ea n da l t e r n a t i v es c h e m e sw e r e s e l e c t e d ．S o m em e a s u r e so fa v o i d i n gt h e2m e n t i o n e da c c i d e n t sw e r e p r e s e n t e d ． K e y w o r d s d e 印l a r g e - s c a l es t o p e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 3 Dg r a d i e n t i 1 1 i t i a ls t r e s s ；S U R P A C ．A N S Y Si n t e r f a c ep r o g r a m C l a s s i f i c a t i o n T D 8 5 3 ；T P l 8 1 ；T P 3 1 1 ．1 ；P 5 5 4 I v 原创性声明 摘要 目录 1 绪论⋯． 目录 ．I Ⅱ V l 1 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外数值模拟软件研究与应用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 现有模拟方法所存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．1 模型结构的简化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．2 模型受力情况的简化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．4 主要研究内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 有限元算法 1 l 2 ．1 有限元法的分析过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 变形体虚功位移理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．1 弹性力学平面问题外力总虚功⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．2 变形体虚位移原理表述和证明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．3 轴对称问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．1 位移模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．3 ．2 应变、应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．3 ．3 单元刚度矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．4 单元等效节点载荷⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3S I 瓜P l A C ．A N S Y S 数据转换⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．1S 切i P A C 软件系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．1 ．1S U R P A C 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 3 3 ．1 ．2S U R P A C 线框模型的建模原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 4 3 ．2A N S Y S 软件系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 ．1A N S Y S 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 ．2 参数化设计语言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．3S U R P A C ．A N S Y S 接口程序编制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 0 3 ．3 ．1S U R P A C 图形文件数据结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．3 ．2A P D L 建模操作命令⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．3 接口程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．3 ．4 模型转换步骤及效果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 V 3 ．4S U R P A C ．F L A C 接口程序编制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．4 ．1 转换原理．I ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．4 ．2 转换效果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 7 3 ．5 转换效果对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 初始地应力场施加 4 0 4 ．1 初始地应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．1 ．1 初始地应力的成因⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．1 ．2 影响初始地应力的因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l 4 ．1 ．3 地应力分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．1 ．4 初始地应力反演分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 3 4 ．2 初始地应力模拟方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．2 ．1 基于A N S Y S 的I S T F 生成法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．2 ．2 基于V B 的I S T F 生成法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．3 初始地应力场模拟效果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．3 ．1 新城金矿初始地应力场⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．3 ．2 新城金矿初始地应力场模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 0 4 ．3 ．3 模拟效果的对比和分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 S 深部大型采场岩石力学分析与优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．1 新城金矿开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．2 数值模拟方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯i ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．2 ．1 矿体的S U R P A C 模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．2 ，2 矿体的A N S Y S 模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 ．3 采场结构参数的岩石力学分析与优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．3 ．1 采场跨度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 5 ．3 ，2 采场高度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．4 结论与措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 6 总结与展望 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 6 ．2 建议与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．． 附录1S U R P A C - A N S Y S 和s I J l l P A C ．n A c 接口程序⋯⋯⋯ 附录2 A P D L 法和V I i 法 ⋯．．7 7 攻读学位期间主要的研究成果目录⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 l 致谢 V l 硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 前言 随着地表资源的日益枯竭，人类工程建设领域正逐渐由地面向地下拓展。 就矿山工程而言，我国地下矿山约占全国总矿山数量的9 0 ％，且随着浅部矿产 资源的不断消耗，深部开采将会是未来我国矿山实现可持续发展的必然趋势l l j 。 然而，深部矿产资源的开采成本极高，只有实现了地下矿山的大规模高效开采， 才能降低生产成本，为国民经济增长、人民生活改善和社会文明发展提供物质 基础保障。 界定“深部开采”的方式有三种，第一种是岩爆发生频率明显增加第二种 是岩石应力达到某一高度值；第三种是开采深度大于8 0 0 - - - 1 0 0 0 m 。多数学者认 为前两种方法的模糊性较大，主张第三种界定方式[ 2 1 。随着开采深度的加深，地 应力呈现出明显的三维梯度特征，传统的针对浅部地下工程的研究方法 将研 究对象视为二维力学模型 不再适用。由于在影响地下工程稳定性的众多因素 中，地应力是地下工程变形、破坏的根本作用力[ 3 ’4 1 ，因此，有必要对深部采场 进行真三维力学分析来确定合理的采场参数，从而确保采场的安全稳定，这是 深部开采可行性的保证。 所谓“大规模开采”，即指开采设备的大型化和采场参数的大型化。虽然大 规模回采作业对降低生产成本和保证矿山产量有着十分重要的意义，但大型采 场带来的诸多问题还没有得到很好的解决。近年来，深部大规模开采事故频发， 其主要原因是对于在两千米以下的大型采矿作业，未能采用和研究与三维梯 度高应力环境相适应的采矿方法、工艺及采矿系统【引。在复杂的深部大规模开采 条件下，对采场结构参数进行合理的选择和优化，是确保深部大规模地下矿山 安全高效开采的重要工作。 对深部大型采场进行定量分析研究的方法主要有解析分析法 力学法 、 图解法、分析法、模型试验法、数值模拟法、不确定系统分析方法和综合分析 法[ 6 】。其中的数值模拟法，即在对地质原型高度抽象的基础上，建立工程岩体的 力学模型，借助有限元、离散元等数值分析方法来分析计算岩体中的应力状态 以及围岩的稳定性等问题，为岩石工程设计和施工提供定量依据。目前，工程 计算中常用数值分析方法有有限元法、边界元法、离散元法、无界元法、有 限差分法、流形元法、不连续变形分析法以及岩体力学和反演分析方法【7 ‘1o 】。无 论是哪种数值分析方法，建立符合实际的力学模型是数值模拟方法的关键。 因此，本文旨在通过优化现有数值计算软件的模拟技术，建立几何形状及 硕士学位论文1 绪论 受力情况均与研究对象实际情况相符的真三维有限元模型，提高深部大型采场 数值模拟的可靠性。 1 ．2 国内外数值模拟软件研究与应用现状 数值模拟分析能很好地考虑介质的非线性、各向异性以及性质随时间和温 度变化、复杂边界条件等问题，解决经典解析法无法克服的缺陷。利用数值方 法可以对地下工程开挖过程中的地压活动规律进行模拟，结合相关的力学知识， 分析围岩的变形、地应力的分布和塑性区的范围，从而对其围岩进行稳定性评 价，预测预报可能发生破坏的范围，以便采取相应的措施确保安全，避免事故 隐患。同时，数值模拟结果和现场量测数据相结合，可进一步改进数值模拟的 精度，进而提高分析结果的可靠性和实用性[ i 1 - 1 4 ] 。随着计算机技术和相关软件 的发展，数值模拟分析已成为解决地下岩土工程问题的有力工具，在地下工程 围岩稳定性分析中得到了广泛的应用。 茹忠亮等【1 5 】在区域分解和共轭梯度算法的基础上，采用三维弹塑性并行有 限元程序，对水布垭电站尾水洞阶段洞室的开挖过程进行详细的模拟，单元数 量达到百万级，开挖步达2 0 步，其研究结果表明该程序可以对大型岩土工程施 工方案进行快速准确的分析计算。 倪绍虎，肖明【16 】运用编制的三维有限元计算程序对某地下水电站厂房渗流 场及排水孔进行了模拟，结果表明，采用隐式复合单元法对排水孔进行模拟是 可行的。 F i t z G e r a l d [ 1 7 】在复杂采矿环境中进行大型地下硐室的稳定性预测，采用包括 图形工作站等在内的多种计算设备，设计了使用方便、功能强大的软件，建立 与采场活动一致的三维数值模型，具有较高的工程参考价值。 刘培慧【1 研采用对岩体介质材料有很好适应性的F L A C 3 D 三维有限差分软件， 对采场结构参数进行数值模拟优化研究，通过对3 0 种不同方案的采场结构参数 进行了大量的计算，比较不同的采场结构参数条件下的围岩稳定性状态，最终 确定最佳的采场结构参数，从而在保证安全生产的前提下，最大限度地减少采 准工程量。 李聚振等[ 1 9 1 借助F L A C 3 D 数值计算，建立了南沼河铁矿矿块回采过程三维数 值模型，在不同岩体位置设立了应力应变监测点，分析了8 m 和1 0 m 两种矿块 结构参数条件下不同开采时期的岩体三维宏观力学特性，通过对比采区岩体力 学特征、充填体力学特征以及岩体移动变形规律及破坏情况对矿块结构参数进 行优化，确定是否留设永久矿柱。 I d r i s 等【2 0 】进行了一系列采用显式有限差分单元算法F L A C 的数值分析，旨 硕士学位论文 1 绪论 在研究岩体特征的随机分配性和可变性对采场稳定性的影响。在F L A C 岩体模 型中，为各单元体分配随机材料特性；作为对比，在另一组模拟中，单元体的 材料特性采用固定均值。结果清楚地表明，岩体特征的可变性对采场稳定性确 有影响，这为我们提供了一种过程明确、结果可靠的采场稳定性分析方法。 G u n d a 等【2 I 】利用美国里诺内华达大学开发的M U L T I F L U X M F 数值模拟 软件，以霍姆斯特克金矿中的斜坡道和联络道为例进行建模研究。在模型中模 拟了高原岩温度和系列热点源，将不同热物理特性参数下的分析结果进行对比， 并分析了各向异性的影响。 O u e l l e t 等【蠲在对采场的有限元模拟研究中发现，由于几何形状的不同，层 理对导水性的影响与充填输送系统的性能密切相关。虽然只是初步研究，但对 使人们对排水沟在充填采场的脱水处理中所发挥的作用，有了更进一步的理解 刘钦等瞄】为了研究三山岛金矿新立矿区采场稳定性并确定合理的采场结构 参数，采用A N S Y S 有限元数值模拟方法，计算了不同采场结构参数的围岩应力、 应变状况，并探索了矿柱在采矿过程中的力学作用，得出了不同开采技术条件 下的采场最优结构参数，并将优化的采场结构参数应用于工程实际，目前已安 全采出矿石量6 万多吨，取得了较好的效果。 王新民等[ 2 4 】用大型有限元分析软件A N S Y S 对柿竹园矿I Ⅱ矿带矿体典型采 场顶板的稳定性及其对采场围岩力学状态的影响进行了数值模拟、非线性分析， 对9 种典型采场结构模型的模拟结果进行了比较分析，根据分析结果结合采掘 效率和开采成本等因素确定了采场最优结构参数，并对当前采矿方案提出修正 和调整建议，以便更清楚地掌握采场地压发展变化规律，有效地进行地压管理， 实现矿体的安全高效开采。 浦海，缪协兴[ 2 5 】运用R F P A 软件，模拟了综放采动覆岩的冒落过程。得到 了采动覆岩的破断垮落规律和围岩支承压力的动态分布规律，进而得到了综放 采空区的支承压力分布情况。 孔海陵，陈占清【2 6 】根据龙固煤矿的岩层柱状图，运用R F P A 软件计算了采 场推进到2 5 和5 0 m 时底板岩层的应变分布，并利用渗透特性与应变之间的关系， 计算了相应的底板突水因数。 王后裕等【2 7 】应用L S - D Y N A 软件对某地下工程改扩建中施工爆破作业进行 了三维数值模拟，分析了围岩与衬砌中爆炸应力波的传播特征，指出了原有洞 室混凝土衬砌的破坏主要为施工爆破诱发的反射拉伸波使衬砌拉应力超过混凝 土抗拉强度所导致拉裂破坏，且破损现象主要发生在洞室的侧墙部位，为控制 衬砌破损的进一步发展，建议采用台阶法开挖，计算表明台阶法开挖能明显改 善衬砌拉应力水平和质点振速。 硕士学位论文 1 绪论 郭志杏t 2 8 j 采用L S ．D Y N A 动力有限元软件对冬瓜山铜矿采场不同单段最大 药量下的爆破荷载进行了数值模拟，结合自定义损伤本构模型的爆破模拟损伤 范围来控制爆破的药量，达到减少爆破的有害效应和控制采场边界的目的，保 证采矿巷道和充填体的稳定，确保矿山安全生产。 1 。3 现有模拟方法所存在的问题 虽然数值模拟软件已经在实际应用中取得了巨大的成就，但其对于工程施 工的意义却往往仅限于定性的分析和参考。这是因为人们对某些研究对象的本 构关系和内部力学机制的认知尚不完全，实际工程施工条件极其复杂且不同的 工程差异巨大，不可能对研究对象进行完全准确的模拟。因此，在选择了相对 合理的算法的前提下，数值模拟的分析计算结果是否可靠，很大程度上取决于 所建立的计算模型与具体研究对象的符合程度。然而，受限于人们对复杂地质 地形条件的较低程度的掌握，目前的地下工程数值模拟对力学模型进行了大量 的简化，主要是模型结构和受力情况的简化。 1 ．3 ．1 模型结构的简化 l 、数值模拟软件的前处理功能缺陷 数值模拟分析软件一般包括前处理模块、求解模块和后处理模块。相应地， 数值模拟典型分析步骤包括建立计算模型、加载和求解以及计算结果输出与查 看。建立计算模型 前处理 包括定义单元和材料属性，建立实体模型并划分 网格使之成为计算模型 自顶向下的建模方式 或直接利用单元和节点生成计 算模型 自底向上的建模方式 等内容加载和求解，是指在已有计算模型的 基础上，施加载荷并选择合适的求解方式，根据所选择的分析类型和多项求解 设置，使求解模块进行相应的计算，以得到系统在特定激励源和边界条件下的 响应；后处理是指通过软件提供的后处理模块以图形或表格等模式输出预订的 计算结果[ 2 9 - 3 2 ] 。数值模拟软件的开发者往往更为专注于“求解”这一环节，雨 “前处理”功能并不令人满意。 前处理工作占数值模拟计算工作量的8 0 ％以上。一些计算模型结构非常复 杂，其前处理工作需要消耗大量的时间和精力，有时还会出现所建模型计算失 败甚至无法进行计算的情况。可喜的是，随着A P D L 和F I S H 等语言的出现，一 些较为复杂的模型可以由程序语言组织生成，许多繁复的修改和批量操作可以 由参数设定完成[ 3 3 - 3 6 】。即便如此，数值模拟软件前处理功能不强的问题依然未 能解决，其原因主要有两方面，一是程序语言命令繁多、语法复杂且对准确性 有非常高的要求，令许多设计人员和研究者望而却步；二是某些模型 比如地 硕士学位论文 1 绪论 质地形模型 的结构复杂程度极高，无法用编写程序语言的方式建模。 于是，计算模型结构被最大限度地简化。王忠昶，张文泉【3 7 】利用三维立体 模型对同一工作面条带开采不同采留宽度条件下的地表下沉和力学效应进行了 数值模拟，将地表简化为平面；焦军凯，张振芳【3 3 】在研究矿山采空区引起的地 表沉降变形时，简化了地质岩层构造；顾铁凤【3 9 】在研究贯通裂隙控制岩体巷道 稳定规律的数值模拟时，将巷道简化为矩形蔡佳骏等[ 4 0 1 在对殷家岩隧道施工 过程进行二维弹塑性有限元分析时，对锚杆进行了等效系数法简化；李文秀等⋯J 在分析深部矿体开挖岩体移动变形时，运用A N S Y S 软件对开挖引起的地表下沉 进行二维模拟，将采空区简化为矩形。 虽然简化的前处理方式方便了数值模拟软件在实际工程中的应用，但降低 了对研究对象的模拟真实度，从而降低了计算分析结果的可靠度。 2 、三维图形软件的建模优势 相比于数值模拟软件，三维图形软件在模型建立方面有着巨大的优势。它 可以将工程设计、三维模型建立、工程数据库构建完全图形化；可以精确地表 示出各种不同岩性的岩层、地质结构体在空间上的分布；与一些勘探软件程序 之间具有良好的接口，方便进行数据的互换。因此，许多致力于地学模拟的三 维图形软件在矿山等工程领域得到了广泛的应用。 罗周全等【4 2 】借助国际矿业软件S U R P A C 建立了某矿山地质数据库，在此基 础上构建了矿区地表、断层、矿体、空区和巷道的三维模型以及品位块体模型， 针对品位块体模型采用普通克立格法对矿体金属元素品位进行估值，运用估值 结果分别按各金属元素和中段进行了储量计算，并与矿山实际勘探获得的储量 进行了对比。结果表明，采用S U R P A C 软件所建模型可靠，计算结果准确，可 用于辅助矿山进行资源评估、采矿设计以及计划编制等工作。 陈跃升等【4 3 】以S U R P A C 为平台，将矿山多年开采和补充勘探积累的大量地 质勘探资料进行综合分析，对地质原始数据进行了规范化处理，定义了4 个地 质数据结构表，录入了全矿区8 5 个有效钻孔数据，最终建立了马坑铁矿地质数 据库，为矿山的合理开采和科学决策提供了重要基础数据。 D o n d 0 1 4 4 ] 利用S U R P A C 对南非西开普省的西博福特镇附近区域建立三维地 质模型。其研究表明，根据钻孔构造的三维模型在地质方面具备很强的表现力， 增强了地质解译程度，有利于地下水勘探。 F i r t h 等[ 4 习在其露天爆破模拟研究中，利用所建立的S U R P A C 模型找出了岩 体结构面和岩体等级边界等地质特征，由此在爆破过程中跟踪岩体等级边界的 变化。 N i z a m e t d i n o v 等㈣对S o k o l o v s l d 露天矿采用条件评估法和分区法来分析深 硕士学位论文 I 绪论 露天坑边坡稳定性。用D e l p h i 语言开发了基于矿岩极限平衡理论的B O R T 程序， 根据S U R P A C 的地质数据库，在露天坑稳定性映射模型中加入节理裂隙面，使 其能够在评估露天坑边坡稳定性的同时，找出软弱结构面。 冯红刚等[ 4 7 1 运用D I M I N E 三维矿业软件，根据三维建模理论和原始地质资 料建立了某铁矿的地质数据库、矿体、地表和井巷工程模型。 叶海旺等f 4 8 】助于国内矿业软件3 D m i n e 建立了鄂两高磷赤铁矿凉水井矿区 的三维模型。在介绍三维建模理论，不规则三角网 T I N 原理，块段建模原理 和基于块段建模的品位估值的基础上，建立了矿山的地质数据库，并且构建了 矿区地表、断层、矿体、地质界线和品位块体模型。建立的模型形象逼真，具 有一定的科学性和准确性，为矿产资源评估、开采设计和生产计划编制提供了 基础。 梁涛等t 4 9 1 运用M I C R O M I N E 矿山软件，基于勘察数据建立了蔡家营锌矿井 巷工程工作面施工进展的地质数据库，实现了井巷工程工作面的可视化管理。 根据钻孔数据库，结合钻探样品对初始矿块模型进行局部修正，进而获得了比 较逼真的矿块模型。 然而，地学模拟相对独立于数值模拟，其功能一般局限在可视化和定性判 断上。 3 、数值模拟软件与三维图形软件的结合及问题 一些学者把三维图形软件建模方面的优势和数值模拟软件强大的分析功能 结合起来。 廖秋林等【5 0 】以A N S Y S 有限元程序完成的复杂地质体建模网格划分为基础， 采用V I S U A LB A S I C 语言编写了F L A C - A N S Y S 接