一种复杂地质体数值模型的耦合建模方法与流程

本发明属于工程地质领域，涉及一种地质信息处理技术，具体涉及一种复杂地质体数值模型的耦合建模方法，用于评价采矿工程的稳定性以及安全性指标。

背景技术

在采矿工程中，实际地层中的地质构造非常复杂，经常出现断层、褶皱、尖灭、不规则体等复杂地质体，这些地质体会不同程度的影响原岩应力分布，从而影响实际地下采矿活动的安全性，所以，需要使用数值模拟方法对计划地下采矿活动的稳定性以及安全性加以分析和评估。

使用数值模拟方法对计划地下采矿活动开展稳定性以及安全性分析和评估的流程一般为：先建立地质体几何模型（即数值模型），对几何模型进行合理的网格划分生成网格模型；然后对网格模型赋参数，进行边界约束，并初始地应力数值；最后进行采矿开挖的模拟分析（即数值模拟分析）。因此，开展数值模拟分析首先要依据研究对象建立数值模型，而数值模型与实际工程的吻合程度将直接影响数值分析的准确性。采矿工程涉及的地质体构造十分复杂，针对复杂地质体进行数值建模并提高其数值模型与实际工程的吻合程度，一直是国内外专家学者致力解决的问题。

目前广泛应用的用于数值模拟的三维有限元模型分析软件有flac3d、midas/gts、ansys、abaqus、adina等，其中：

flac3d因为采用“混合离散化”技术来求解非连续介质和非均质问题，比其他三维有限元模型分析软件在解决非线性问题以及大变形的岩石力学问题上具有非常明显的优势。但是，由于flac3d软件的前处理功能较差，在对复杂地质体进行数值模拟分析时，需要对地质体几何模型进行大量简化，以至于构建的地质体几何模型与真实地质体严重不符，在很大程度上降低了计算结果的可靠性，因此，难以单纯借助flac3d软件研究复杂地质体的采矿安全问题。

midas/gts是由韩国midasit公司自主开发研制的一套三维岩土有限元模型分析软件，在几何建模和网格划分技术上具有非常强的优势，在midas/gts中可以快捷方便地建立复杂的网格模型。虽然midas/gts在几何建模和网格划分方面较其他有限元分析软件具有很好的优势，但是其依然无法彻底解决采矿工程领域所涉及的复杂地质体的几何建模问题。

现有技术中有采用cad建立三维模型，然后得到scr文件，将scr文件导入ansys中建模。该方法实际上是先在二维空间上建立复杂的地质界线，然后通过拉伸的手段建立三维模型，这种三维模型不是真正的三维空间形态，不能建立复杂三维地质体的真实空间形态并用于对计划地下采矿活动开展稳定性以及安全性分析和评估。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种实现对任意复杂地质体的数值建模，保证数值模型与实际地质体基本吻合，提高数值模型的准确性的耦合建模方法。

本发明采用如下技术方案：

一种复杂地质体数值模型的耦合建模方法，包括以下步骤：

步骤1，获取地下硐室设计参数，根据地下硐室开挖时的影响范围确定采场地质空间模型的参数；地下硐室设计参数包括地下硐室的形状、尺寸和具体位置；采场地质空间模型的参数包括采场地质空间的形状、尺寸和具体位置；

步骤2，根据采场地质空间模型的参数收集采场地质空间模型涉及的勘探线剖面图和勘探线剖面图的地质信息，并创建包含各个勘探线剖面图及勘探线剖面图的地质信息的第一数据文件；第一数据文件中所有勘探线剖面图按照勘探线剖面图的实际位置、方位角和高程依次排列对齐；勘探线剖面图的地质信息包含采场地质空间模型涉及的地质体的信息；

步骤3，根据第一数据文件建立各个地质体间的第一三维地质面，根据地下硐室设计参数建立第一地下硐室结构模型，根据采场地质空间模型的参数建立第一采场地质空间模型；每个第一三维地质面均可以将第一采场地质空间模型完整分割为至少两部分；

步骤4，在第一三维地质面上创建实体网格，获取实体网格的网格线与第一三维地质面的交叉点，创建包含所有交叉点的三维坐标信息的第二数据文件；

步骤5，创建包含第一地下硐室结构模型和第一采场地质空间模型的边界曲线信息的第三数据文件，边界曲线信息包括用于描述边界曲线的分段拟合边界曲线的三维空间线段；

步骤6，将第三数据文件中的边界曲线根据三维空间线段分割成多段线，并保存为第四数据文件；

步骤7，在第一三维有限元模型分析软件中进行以下操作：（1）导入第四数据文件创建与第一地下硐室结构模型和第一采场地质空间模型对应的第二地下硐室结构模型和第二采场地质空间模型；（2）导入第二数据文件，并创建第二采场地质空间模型涉及的地质体的第二三维地质面；（3）利用第二三维地质面将包含第二地下硐室结构模型和第二采场地质空间模型的实体模型进行分割，并进行共享面操作；（4）对分割后的实体模型进行网格划分，得到实体网格模型；（5）导出实体网格模型的节点信息到第一文本文件；节点信息包括节点号、节点坐标值、节点所属单元号、节点所属单元的分组号；

步骤8，将第一文本文件修改为符合第二三维有限元模型分析软件的命令行操作的语法要求的第二文本文件；命令行操作包括创建节点、创建节点单元、创建节点单元分组；

步骤9，在第二三维有限元模型分析软件中，导入第二文本文件，创建用于开挖模拟计算的复杂地质体数值模型。

对本发明技术方案的进一步改进在于：步骤2地质体的信息包括断层、褶皱、不规则体和岩层界限。

对本发明技术方案的进一步改进在于：第一数据文件中描述的勘探线剖面图的纵横向尺寸全部为实际尺寸。

对本发明上述技术方案的进一步改进在于：步骤2第一数据文件使用cad软件创建。

对本发明技术方案的进一步改进在于：步骤3、步骤4、步骤5的操作使用三维矿业软件完成。

对本发明技术方案的进一步改进在于：步骤6第四数据文件使用cad软件创建。

对本发明上述各技术方案的进一步改进在于：步骤7中实体网格模型的实体单元包括四面体、五面楔形体、六面体或三棱柱。

本发明产生的积极效果如下：

1.本发明所述一种复杂地质体数值模型的耦合建模方法由于保留了适用性强：三维有限元模型分析软件只能对建立好的三维面、三维空间等三维实体进行合并、分割、嵌入等布尔运算，并对运算结果进行网格划分，本发明提供的技术方案通过——a）点阵化提取并保留了所有需要的地质体信息，解决了数据建模分析过程中信息出错、丢失的问题；b）在模拟之前根据地下硐室的形状尺寸等信息确定了采场地质空间模型参数，对数值模型进行了整体设计；c）将第三数据文件中的边界曲线做分解处理，解决了三维有限元软件导入dxf文件时出现线文件丢失和与实际不符的问题——等多种手段提高了对实际复杂地质体的建模精度，可适用于建立任何复杂的地质体模型，其中包括断层、褶皱、不规则体、起伏变化的地形、复杂的岩层界限等，不受地质体赋存状态的限制。

2.本发明所述方法利用三维矿业软件建立三维模型采用三维矿业软件建立三维地质面，然后再得到位于三维地质面上、可以描述三维地质面的交叉点的坐标，利用这些交叉点在三维有限元模型分析软件中建立几何模型和网格模型，不需要对地质体进行大量的简化，确保数值模型精确地反映了地质体的真实状态，保证模拟结果更加真实可靠；同时，借助cad软件和三维矿业软件建立地质面，保证建立的地质面更加接近实际的地质分界面。

附图说明

图1为本发明具体实施例的数据流示意图；

图2为本发明具体实施例中第一数据文件包含的勘探线剖面图的图像示意图；

图3为本发明具体实施例中使用三维矿业软件根据第一数据文件建立的第一三维地质面的图像示意图；

图4为本发明具体实施例中使用三维矿业软件在一个第一三维地质面上创建的与实体网格的交叉点的图像示意图；

图5为本发明具体实施例中使用三维矿业软件根据第一数据文件建立的第一三维地质面、第一地下硐室结构模型和第一采场地质空间模型的图像示意图；

图6为本发明具体实施例中利用第二三维地质面将包含第二地下硐室结构模型和第二采场地质空间模型的实体模型进行分割后的实体模型示意图；

图7为本发明具体实施例中对实体模型进行网格划分所得到的实体网格模型示意图；

图8为本发明具体实施例中导入第二文本文件后创建的用于开挖模拟计算的复杂地质体数值模型；

图9为本发明具体实施例中软件模拟的采矿开挖前初始地应力云图；

图10为本发明具体实施例中软件模拟的采矿开挖后的地应力云图。

具体实施方式

以下结合实施例及附图详细描述本发明的实施方式。

本实施例是一种复杂地质体数值模型的耦合建模方法，应用于对某地采矿开挖计划的地应力模拟分析，该采矿开挖计划涉及的实际地层中的地质构造非常复杂，包含了断层、褶皱、尖灭、不规则体等复杂地质体，采用常规方法建模后做出的地应力模拟分析与实际开挖差距较大。如图1中数据流示意图所示，本实施例包括以下具体实施步骤：

步骤a，获取地下硐室设计参数，根据地下硐室开挖时的影响范围确定采场地质空间模型的参数；地下硐室设计参数包括地下硐室的形状、尺寸和具体位置；采场地质空间模型的参数包括采场地质空间的形状、尺寸和具体位置。

步骤b，根据采场地质空间模型的参数收集采场地质空间模型涉及的勘探线剖面图和勘探线剖面图的地质信息，并创建包含各个勘探线剖面图及勘探线剖面图的地质信息的第一数据文件；第一数据文件中所有勘探线剖面图按照勘探线剖面图的实际位置、方位角和高程依次排列对齐；勘探线剖面图的地质信息包含采场地质空间模型涉及的地质体的信息。

优选的，本实施例步骤b具体实施方式如下，在地理信息系统中，将采场地质空间模型涉及的所有勘探线剖面图导出为cad格式剖面图，使用cad软件对导出的cad格式剖面图做如下操作：（1）对各个勘探线剖面图进行删减处理，留下断层、褶皱、不规则体、岩层界限等采场地质空间模型涉及的地质体的信息；（2）将制图单位设为m，将cad格式剖面图的纵横向尺寸全部调整为实际尺寸；（3）按照勘探线剖面图的实际位置、方位角和高程，分别将所有导出的cad格式剖面图排列整齐保存为cad格式的第一数据文件，如图2所示。

步骤c，根据第一数据文件建立各个地质体间的第一三维地质面，根据地下硐室设计参数建立第一地下硐室结构模型，根据采场地质空间模型的参数建立第一采场地质空间模型；每个第一三维地质面均可以将第一采场地质空间模型完整分割为至少两部分。

优选的，本实施例步骤c具体实施方式如下，将第一数据文件导入三维矿业软件（如3dmine、dimine、surpac等），并使用三维矿业软件进行以下操作：（1）首先，根据导入的第一数据文件的勘探线剖面图以实际坐标系建立所有岩层面、断层面等地质体的第一三维地质面，如图3所示；（2）然后，根据地下硐室的形状、尺寸和具体位置（实际坐标系）等地下硐室设计参数建立第一地下硐室结构模型；（3）最后，根据采场地质空间模型的参数以实际坐标系建立第一采场地质空间模型，使得每个第一三维地质面均可以将第一采场地质空间模型完整分割（如图5所示），即充分延展第一三维地质面，使第一三维地质面的边界均位于第一采场地质空间模型包含的空间外部，以使每个第一三维地质面都可以将第一采场地质空间模型划分为各自独立的三维空间；（4）将建立的所有第一三维地质面、第一地下硐室结构模型以及第一采场地质空间模型进行整体平移，平移后第一采场地质空间模型存在一个顶点落在建模空间的三维坐标系原点上，或者，以第一采场地质空间模型的任一个顶点为原点重建建模空间的三维坐标系。

步骤d，在第一三维地质面上创建实体网格，获取实体网格的网格线与第一三维地质面的交叉点，创建包含所有交叉点的三维坐标信息的第二数据文件。

优选的，本实施例步骤d具体实施方式如下，在三维矿业软件中，依次对所有第一三维地质面进行如下操作：（1）选择一个具体的第一三维地质面，并建立实体网格，绘制网格点，得到连接各个网格点的网格线；（2）获取网格线与该第一三维地质面的所有交叉点，如图4所示；（3）将上述全部交叉点在建模空间的三维坐标（优选xyz坐标，也可以是极化坐标，以下提及三维坐标皆同此描述）保存为坐标信息文本。由上述操作产生的每一个第一三维地质面的坐标信息文本形成的文本集合，即为第二数据文件。

步骤e，创建包含第一地下硐室结构模型和第一采场地质空间模型的边界曲线信息的第三数据文件，边界曲线信息包括用于描述边界曲线的分段拟合边界曲线的三维空间线段。

优选的，本实施例步骤e具体实施方式如下，在三维矿业软件中，将第一地下硐室结构模型和第一采场地质空间模型导出为cad格式模型文件（dxf文件）即创建了步骤e的要求的第三数据文件。

步骤f，将第三数据文件中的边界曲线根据三维空间线段分割成多段线，并保存为第四数据文件。

优选的，本实施例步骤f具体实施方式如下，在cad软件中，将步骤e创建的cad格式模型文件内的所有三维连续曲线全部分解为线段，并重新保存，即形成了第四数据文件。

步骤g，在第一三维有限元模型分析软件（优选midas/gts）中进行以下操作：（1）导入第四数据文件创建与第一地下硐室结构模型和第一采场地质空间模型对应的第二地下硐室结构模型和第二采场地质空间模型；（2）导入第二数据文件，并创建第二采场地质空间模型涉及的地质体的第二三维地质面；（3）利用第二三维地质面将包含第二地下硐室结构模型和第二采场地质空间模型的实体模型进行分割，并进行共享面操作（如图6所示）；（4）对分割后的实体模型进行网格划分（划分的实体单元包括包括四面体、五面楔形体、六面体或三棱柱，分别对应t4、p5、b8或w6），得到实体网格模型（如图7所示）；（5）导出实体网格模型的节点信息到第一文本文件；节点信息包括节点号、节点坐标值、节点所属单元号、节点所属单元的分组号；

优选的，本实施例步骤g在导出实体网格模型的节点信息到第一文本文件时，先提取实体网格模型的全部节点号以及与之对应的节点坐标值组成的节点数据，导出时以换行符为每条节点数据的间隔符，每行仅包括一个节点号以及与之相对应的节点坐标值；然后提取实体网格模型的全部“单元号”以及与之对应的“节点号”组成的单元数据，导出时以换行符为每条单元数据的间隔符，每行仅包括一个“单元号”以及与之相对应的全部“节点号”信息；最后提取网格模型的全部“单元号”以及与之对应的“属性”，分别提取“属性”相同的“单元号”组成分组数据，导出时以换行符为每条分组信息的间隔符，每行仅包括一个“属性”名称（命名方式一般为该分组数据描述的地质体名称，如“围岩1”、“采场”等）以及与之相对应的同“属性”的全部“单元号”。上述节点数据、单元数据和分组数据组成包括节点号、节点坐标值、节点所属单元号、节点所属单元的分组号的第一文本文件。

步骤h，将第一文本文件修改为符合第二三维有限元模型分析软件的命令行操作的语法要求的第二文本文件；命令行操作包括创建节点、创建节点单元、创建节点单元分组。

优选的，本实施例步骤h选用的第二三维有限元模型分析软件为flac3d，为建立第二文本文件，按照flac3d命令行操作语法，对第一文本文件进行以下操作：先将每行节点数据前添加创建节点命令“g”；然后根据单元类型在每行单元数据前添加创建节点单元命令，如b8单元命令为“zb8”，w6单元命令为“zw6”，详见下表，

并根据第二三维有限元模型分析软件和第一三维有限元模型分析软件中四类单元类型的节点号的对应关系，调整单元数据中“节点号”列的排列顺序（如，midas/gts的b8类型单元节点号12453867分别对应flac3d的b8类型单元节点号12345678，详见下表）；

最后在每行分组数据前添加创建节点单元分组命令“zgroup”。将经过上述修改后的第一文本文件保存为扩展名为“.flac3d”的第二文本文件。

步骤i，在第二三维有限元模型分析软件中，导入第二文本文件，创建用于开挖模拟计算的复杂地质体数值模型（如图8所示）。如图9、10所示，使用本发明所述方法可以依托与实际地质体基本吻合的复杂地质体数值模型对采矿开挖地应力进行高精度分析。