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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。
北京地铁六号线青年路车站～十里堡车站区间隧道穿越铁路FLAC3D数值分析报告中国矿业大学（北京）土木工程系二Ο一零年一月1. 概述引言地铁区间隧道盾构法施工是目前广泛采用的隧道施工技术。
在我国，地铁施工造成地面沉陷、周边建（构）筑物损害、隧道涌水、城市生命线工程损害等事故时有发生，往往造成严重的经济损失与社会影响；其中隧道施工引起地层沉降的三维预测与控制问题尤显重要。
在隧道工程施工以前，国内外普遍采用数值模拟分析计算的方法预测施工引起的地表变形及对周边建构筑物的影响。
即将建设的北京地铁六号线工程——青年路车站～十里堡站区间隧道工程，盾构隧道从铁路下穿过，考虑到建筑物稳定性的需要，需对此施工过程进行数值分析。
本报告采用国际上最先进的岩土工程数值分析软件系统，对隧道施工进行了三维数值分析，来说明隧道施工的先后顺序。
工程概述十里堡站~青年路站区间沿现状朝阳北路道路南侧地下敷设，线路呈东西走向，西段区间起于朝阳北路与十里铺路相交路口的十里堡站，出站后沿朝阳北路路中向东敷设，线路经过一人行天桥、京包铁路及箱涵，止于朝阳北路与青年路相交路口的青年路站。
区间全长1041.54m，采用盾构法施工。
在区间中部穿越京包铁路及京包铁路下的箱涵。
铁路箱涵外包尺寸43.15m×7.8m，采用混凝土预制顶进施工，箱涵的南北两侧局部设置护坡桩，桩长约14m。
铁路为5股道，分别是电厂专用线，东北环线，星双联络线，砖瓦厂专用线和建材厂专用线。
2 三维数值分析建模与软件系统概述地铁隧道施工是典型的三维空间问题，盾构隧道施工引起的地表沉降具有显著的时空效应。
隧道施工动态过程引起地层移动变形包括：先期沉降、前方沉降或隆起、通过时的沉降、建筑空隙引起的沉降与滞后沉降等。
隧道施工对地表影响的研究方法有：经验公式、随机介质理论法、弹塑性与粘弹塑性理论解析法、数值计算方法等。
施工之前，基于现场工程条件的三维数值模型是计算地表沉降最有效的手段。
FLAC3D数值模拟课程作业一、对课程中主要内容的认识1.线弹性有限单元法有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。
采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。
有限元方法最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数值模拟。
在有限元方法中，把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。
对于有限元方法，其基本思路和解题步骤可归纳为(1)建立积分方程，建立与微分方程初边值问题等价的积分表达式，这是有限元法的出发点。
(2)区域单元剖分，根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域剖分为若干相互连接、不重叠的单元。
(3)确定单元基函数，根据单元中节点数目及对近似解精度的要求，选择满足一定插值条件的插值函数作为单元基函数。
(4)单元分析：将各个单元中的求解函数用单元基函数的线性组合表达式进行逼近；再将近似函数代入积分方程，并对单元区域进行积分，可获得含有待定系数(即单元中各节点的参数值)的代数方程组，称为单元有限元方程。
(5)总体合成：在得出单元有限元方程之后，将区域中所有单元有限元方程按一定法则进行累加，形成总体有限元方程。
(6)边界条件的处理：一般边界条件有三种形式，分为本质边界条件(狄里克雷边界条件)、自然边界条件(黎曼边界条件)、混合边界条件(柯西边界条件)。
对于自然边界条件，一般在积分表达式中可自动得到满足。
对于本质边界条件和混合边界条件，需按一定法则对总体有限元方程进行修正满足。
基于 FLAC3D 数值模拟的煤层群上行开采分析摘要：针对近距离煤层群上行安全高效开采上部遗漏煤炭资源的问题，采用理论分析和FLAC3D数值模拟实验相结合的方法，分析了近距离煤层群上行开采的采动影响范围，模拟了煤层群下部7号煤层1377工作面和9号煤层1397工作面开采后对上部5号煤层1357工作面产生的采动影响。
通过现场工业性试验表明：在1357工作面回采时，在回风巷端头开始80m范围内倾角变化量较大，可达2°至3°，80m范围以外煤层倾角基本无变化量；回风顺槽的下沉量从停采线向切眼方向下沉量从0.2m逐渐增大到4.2m，而运输顺槽的下沉量基本未发生变化，实现上部遗漏煤炭资源的安全开采，获取良好的经济效益和社会效益。
关键词：近距离；煤层群；上行开采；采动影响；数值模拟实验中图分类号：TD 822文献标识码：A1工程概况钱家营煤矿位于河北省，井田煤系属于下统二叠系和上统石炭系，中奥陶统马家沟组石灰岩构成基底地层，厚度500m左右的煤系地层，煤系共有十几层含煤层，煤层总厚度达19.79m，含煤系数3.96%。
井田内含6层可采煤层，即煤5、煤7、煤8、煤9、煤11、煤12-1。
煤层平均厚度分别为1.42m、3.24m、1.25m、2.2m、0.78m、2.29m，煤层平均间距分别为32.56m、6.26m、10.69m、15.24m、62.09m。
目前该矿井正开采5号煤层的1357工作面，工作面范围内煤层厚度在0.4～2.4m之间，平均厚度1.4m，开切眼附近和工作面中部为薄煤层开采条件，煤层厚度小于1.3m，5号煤层整体结构简单，赋存较稳定；煤层倾角在4～10°之间，平均7°，煤层走向在N50°～70°之间。
5号煤层1357工作面倾斜下方距离32.56m为7煤层1377工作面，已回采完毕；下方距离64.75m为9煤层1397工作面，正在回采；下方12-1煤层暂无工程施工。
FLAC3D数字模拟分析在急倾斜软底综采工作面开采安全防护设计中的运用随着矿山的深入开采，越来越多的煤矿由浅埋向深埋方向逐渐发展，急倾斜软底综采工作面成为矿山开采的新趋势。
急倾斜软底综采工作面开采受到了来自地质构造、矿体力学性质、采煤机械设备等多方面因素的影响，因此在进行开采设计时，必须充分考虑地质工程条件和地下水文地质条件，以减小采场失稳的可能性，提高工作面的开采效率和安全性。
在这种情况下，FLAC3D数字模拟分析技术成为一种有效的工具，可以帮助工程师们在设计阶段更加准确地评估工作面的稳定性，并制定相应的安全防护措施。
FLAC3D是一种地下空间稳定性分析的三维数值模拟软件，它可以模拟岩土体在地下空间中受到外力作用的变形和破坏行为。
通过建立针对特定矿区的地质力学数值模型，结合地质构造、地下水文条件等信息，利用FLAC3D进行数字模拟分析，可以对急倾斜软底综采工作面进行稳定性评估，优化开采方案，并制定相应的安全防护措施。
在进行FLAC3D数字模拟分析时，首先需要获取矿体的地质特征、构造信息、地下水位及渗流规律等数据。
然后根据采矿压力、围岩稳定性、巷道支护等因素，建立FLAC3D的数值模型，模拟和分析矿山的地下稳定性。
通过对工作面周围围岩的受力、变形情况进行模拟，可以预测工作面的稳定性和采场支护的需要，为后续的设计和开采提供重要的参考依据。
采用FLAC3D进行数字模拟分析，可以帮助工程师们更加准确地评估急倾斜软底综采工作面的稳定性，并有效地预测可能出现的地质灾害。
在模拟分析结果基础上，工程师们可以形成相应的预警机制和紧急应对预案，及时采取措施，减少事故发生的可能性，保障工作面开采的安全。
基于FLAC3D数字模拟分析的结果，工程师们还可以优化工作面的开采设计和支护方式。
在模拟分析中，可以通过调整采场布置、支护形式和方式，提高工作面的稳定性，减少煤炭开采过程中的围岩破坏和积压导致的地质灾害风险。
针对急倾斜软底综采工作面的特殊地质条件和采煤机械设备的特点，FLAC3D数字模拟分析在选择适宜的开采工艺和支护措施方面，具有独特的优势。
实习日记2015年3月8日星期天晴时光匆匆走过，大学四年已经接近尾声。
照例每年开学前一个月为实习时间，在这段时间里学校根据教学大纲里面的要求对学生进行理论和实际并重的教学，旨在培养学生的拓展意识和实际操作能力，以便更好地适应社会的要求。
这个学期也同样不例外，我们也有将近一个月的时间实习。
由于临近毕业，在做毕业设计时要用到数值模拟，而我们平时没有过系统的学习，所以在实习期间我将重点放在了学习数值模拟FLAC 3D 上。
通过初步了解，我知道了FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)由美国Itasca公司开发的仿真计算软件。
目前，FLAC有二维和三维计算程序两个版本，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，其程序能够使用扩展内存。
因此，大大发扩展了计算规模。
FLAC3D是一个三维有限差分程序，目前已发展到V2.1版本2015年3月10日星期二晴既然在这以后几周内都要学习FLAC 3D，那么我就要逐步的了解他，掌握它的一些基本知识。
通过学习，我了解到相关的一些容易混淆的问题，并找到了答案：1. FLAC3D是有限元软件吗？答：不是，是有限差法软件。
2. FLAC3D最先需要掌握的命令有哪些？答：需要掌握gen, ini, app, plo, solve等建模、初始条件、边界条件、后处理和求解的命令。
3. 怎样看模型的样子？答：plo blo gro 可以看到不同的group的颜色分布。
4. 怎样看模型的边界情况？答：plo gpfix red sk 5. 怎样看模型的体力分布？答：plo fap red sk 6. 怎样看模型的云图？答：位移：plo con dis (xdis, ydis, zdis) 应力：plo con sz (sy, sx, sxy, syz, sxz) 7. 怎样看模型的矢量图？答：plo dis (xdis, ydis, zdis) 8. 怎样看模型有多少单元、节点？答：print info 9. 怎样输出模型的后处理图？答：File/Print type/Jpg file，然后选择File/Print，将保存格式选择为jpg文件。
FLAC3D数字模拟分析在急倾斜软底综采工作面开采安全防护设计中的运用1. 引言1.1 研究背景急倾斜软底综采工作面是煤矿生产中常见的一种采矿工作面类型，具有工作面顶板厚度薄、倾角陡、软弱岩层易塌等特点。
在采矿过程中，急倾斜软底综采工作面存在着较大的安全隐患，容易发生顶板坍塌、支护破坏等事故。
将FLAC3D数字模拟分析技术应用于急倾斜软底综采工作面的安全防护设计中，对于提高工作面的安全性，减少事故发生具有重要的意义。
本研究旨在探讨FLAC3D数字模拟分析在急倾斜软底综采工作面开采安全防护设计中的运用，为矿山生产安全提供参考依据。
1.2 研究意义急倾斜软底综采工作面是煤矿开采中常见的一种采煤工作面形式，具有煤层倾角大、地压大、岩层易变形等特点，工作面安全问题备受矿山生产管理者的关注。
在工作面的开采过程中，往往会遇到岩层崩塌、地压灾害等安全隐患，这不仅会导致人员伤亡，还会影响矿山的正常生产。
对急倾斜软底综采工作面的安全防护设计进行研究具有非常重要的意义。
通过对该工作面进行数字模拟分析，可以真实地模拟出施工过程中岩层的变形和破坏情况，为设计合理的安全措施提供科学依据。
数字模拟分析可以帮助预测工作面可能出现的危险情况，及时采取相应的应对措施，保障矿山生产的安全和稳定。
本研究旨在探讨FLAC3D数字模拟分析在急倾斜软底综采工作面开采安全防护设计中的应用，为矿山生产管理者提供更加科学、有效的安全措施，以确保矿山生产安全，保障工人的生命财产安全。
【研究意义】1.3 研究目的研究目的是通过对急倾斜软底综采工作面进行FLAC3D数字模拟分析，探讨在开采过程中可能发生的地质灾害及其危害机理，为设计合理的开采安全防护方案提供科学依据。
具体目的包括：1. 分析工作面周围岩层的力学特性，预测可能出现的岩体位移、倾倒和坍塌等情况，为采矿区域的稳定性评价提供依据；2. 通过FLAC3D模拟，研究采场开采过程中可能导致的应力变化及岩体变形规律，为制定合理的支护设计提供参考；3. 基于FLAC3D模拟结果，分析不同开采方案对工作面稳定性和安全性的影响，为优化采矿方案和加强安全防护提出建议；4. 总结FLAC3D数字模拟分析在急倾斜软底综采工作面开采安全防护设计中的应用效果，为矿山生产安全提供技术支持和参考依据。
FLAC 3D数值模拟上机报告计算模型分别如图1、2、3所示，边坡倾角分别为30°、45°、60°，岩土体参数为： 密度ρ＝2500 kg/m 3, 弹性模量E ＝1×108 Pa ，泊松比μ＝0.3，抗拉强度σt ＝0.8×106 Pa ，内聚力C ＝4.2×104 Pa ，摩擦角φ＝17°，膨胀角Δ＝20°试用FLAC 3D 软件建立单位厚度的计算模型，并进行网格剖分，参数赋值，设定合理的边界条件，利用FLAC 3D 软件分别计算不同坡角情况下边坡的稳定性，并进行结果分析。
附 换算公式：1 kN/m 3= 100 kg/m 3剪切弹性模量：881100.38510()2(1)2(10.3)E G Pa μ⨯===⨯+⨯+ 体积弹性模量：881100.83310()3(12)3(120.3)E K Pa μ⨯===⨯-⨯-⨯ 一 坡度为30°的情况4025.36604010030°图1 倾角为30°的边坡(单位：m)算例分析： 命令流： new;========================================================== 建立网格模型gen zone brick p0 0 0 0 p1 100 0 0 p2 0 2 0 p3 0 0 40 size 50 1 10gen zone brick p0 40 0 40 p1 100 0 40 p2 40 2 40 p3 74.64 0 60 p4 100 2 40 & p5 74.64 2 60 p6 100 0 60 p7 100 2 60 size 30 1 10;========================================================= ;设置边界条件fix x y z range z -0.1 0.1fix x range x 99.9 100.1fix x range x -0.1 0.1fix y;======================;初始地应力的生成model elasprop density 2000 bulk 3e9 shear 1e9set gravity 0 0 -10solveini xdisp 0 ydisp 0 zdisp 0ini xvel 0 yvel 0 zvel 0;===================================;安全系数求解model mohrprop density 2500.0 bulk 8.3E7 shear 3.8E7 coh 42000.0 tens 0.8E6 friction 17 dilation 20 solve fos file slope3dfos1.sav associated安全系数：最终计算边坡稳定性系数为1.453图1 网格剖分图图2 速度矢量图图3 速度等值线图图4 位移等值线图图5 剪应变增量云图二坡度为45°的情况404045°64100图2 倾角为45°的边坡(单位：m)算例分析：命令流：new;==========================================================建立网格模型gen zone brick p0 0 0 0 p1 100 0 0 p2 0 2 0 p3 0 0 40 size 50 1 10gen zone brick p0 40 0 40 p1 100 0 40 p2 40 2 40 p3 60 0 60 p4 100 2 40 &p5 60 2 60 p6 100 0 60 p7 100 2 60 size 30 1 10;=========================================================;设置边界条件fix x y z range z -0.1 0.1fix x range x 99.9 100.1fix x range x -0.1 0.1fix y;======================;初始地应力的生成model elasprop density 2000 bulk 3e9 shear 1e9set gravity 0 0 -10solveini xdisp 0 ydisp 0 zdisp 0ini xvel 0 yvel 0 zvel 0;===================================;安全系数求解model mohrprop density 2500.0 bulk 8.3E7 shear 3.8E7 coh 42000.0 tens 0.8E6 friction 17 dilation 20 solve fos file slope3dfos1.sav associated安全系数：最终边坡的稳定性系数为1.14图1 网格剖分图图2 速度矢量图图3 速度等值线图图4 位移等值线图图5 剪应变增量云图三 坡度为60°的情况100406048.454060°图3 倾角为60°的边坡(单位：m)算例分析：命令流： new;========================================================== 建立网格模型gen zone brick p0 0 0 0 p1 100 0 0 p2 0 2 0 p3 0 0 40 size 50 1 10gen zone brick p0 40 0 40 p1 100 0 40 p2 40 2 40 p3 51.55 0 60 p4 100 2 40 & p5 51.55 2 60 p6 100 0 60 p7 100 2 60 size 30 1 10;========================================================= ;设置边界条件fix x y z range z -0.1 0.1 fix x range x 99.9 100.1 fix x range x -0.1 0.1 fix y;====================== ;初始地应力的生成 model elasprop density 2000 bulk 3e9 shear 1e9 set gravity 0 0 -10 solveini xdisp 0 ydisp 0 zdisp 0 ini xvel 0 yvel 0 zvel 0;=================================== ;安全系数求解 model mohrprop density 2500.0 bulk 8.3E7 shear 3.8E7 coh 42000.0 tens 0.8E6 friction 17 dilation 20 solve fos file slope3dfos1.sav associated 安全系数：最终边坡的稳定性系数为0.928图1 网格剖分图图2 速度矢量图图3 速度等值线图图4 位移等值线图图5 剪应变增量云图四 坡度为60°的边坡开挖情况开挖后坡面原始坡面345°45°100406048.454060°算例分析：命令流： new;========================================================== 建立网格模型gen zone brick p0 0 0 0 p1 100 0 0 p2 0 2 0 p3 0 0 40 size 50 1 10gen zone brick p0 40 0 40 p1 100 0 40 p2 40 2 40 p3 50 0 50 p4 100 2 40 p5 50 2 50 p6 100 &0 50 p7 100 2 50 size 30 1 10gen zone brick p0 53 0 50 p1 100 0 50 p2 53 2 50 p3 63 0 60 p4 100 2 50 p5 63 2 60 p6 100& 0 60 p7 100 2 60 size 15 1 10gen zone brick p0 45.77 0 50 p1 53 0 50 p2 45.77 2 50 p3 51.55 0 60 p4 53 2 50 p5 51.55 2 &60 p6 63 0 60 p7 63 2 60 size 15 1 10 group exc1gen zone wedge p0 40 0 40 p1 50 0 50 p2 40 2 40 p3 45.77 0 50 p4 50 2 50 p5 45.77 2 50 &size 30 1 10 group exc2group section1 range y 0 2 group exc1 group section2 range y 0 2 group exc2 attach face;========================================================= ;定义本构模型 mod elaspro density 2500 bulk 0.83e8 she 0.38e8;================================================================ ;设置边界条件fix x y z range z -.1 .1 fix x range x 99.9 100.1 fix x range x -0.1 0.1 fix y;======================;设置重力加速度set gravity 0 0 -10.0;===================================;设定初始条件ini xdisp 0 ydisp 0 zdisp 0ini xvel 0 yvel 0 zvel 0;===================================;开挖mod mohrpro density 2500 bulk 0.83e8 she 0.38e8 fric 17 coh 4.2e4 ten 0.8e6 dila 20mod null range group section1mod null range group section2solve fos file slope3dfos1.sav associated安全系数：最终边坡的稳定性系数为1.36图1网格剖分图图2 速度矢量图图3 速度等值线图图4 位移等值线图图5剪应变增量云图。
