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近水体下采煤三维动画仿真探讨

2018/03/08 阅读:

目前,多媒体动画及三维动画仿真技术,在煤矿专业学生的教育培训及煤矿新工人安全培训和井下安全事故的仿真再现方面,已得到广泛应用。有效提高了教育培训的质量,通过利用三维动画模拟井下灾难事故发生的过程,也发挥了充分吸取事故经验教训的作用。但是,煤层开采后将引起上覆岩层移动、破断,并在岩层中形成采动裂隙。采动引起的岩体破坏规律复杂,在煤矿地下采煤尤其是近水体下采煤的过程中,覆岩的变形破坏尚难以采用理论方法进行计算。而覆岩破坏的范围与程度将直接决定着水体下采煤的安全与否。水体下采煤上覆岩层变形和破坏后形成的“两带”高度对安全生产影响重大,一旦导水断裂带波及水体,水体将成为开采工作面的直接充水水源,增加矿井的排水压力,甚至造成淹井事故。本文以姚桥煤矿新东四采区浅部露头区微山湖下的实际地质条件为原型,利用多媒体制作软件及计算机三维仿真技术等,形象逼真地再现了整个近水体下采煤的全过程,重点展现了随着煤体不断被采出,采场上覆岩层的移动变形及破坏的过程和规律,以及开采影响波及地表,地表的移动和变形全过程,突出了含(隔)水层的水位变化,解释了松散层底部厚黏土层阻隔水体流向采场所起的关键作用以及防砂安全煤(岩)柱的合理留设。直观形象,简单易懂。

一、动画制作基础

1.原型工作面概况姚桥煤矿新东四采区位于矿井东翼,采区地表为微山湖体。主要开采煤层为7、8号煤,7号煤平均倾角7.5°,浅部煤层倾角较大,约13°左右,属缓倾斜煤层。直接顶岩性为泥岩、砂质泥岩,以砂质泥岩为主,厚度为0.73~8.8m,平均3.6m。8煤煤层厚度0~5.95m,浅部8煤平均厚度3.62m,直接顶板多为泥岩、砂质泥岩或炭质泥岩,局部为中细砂岩。在其浅部露头区的7706工作面,工作面长约220m,走向长约1300m,其中7煤厚度为6m,8煤厚度为4m,7、8煤平均间距为8m,为近距离煤层组,煤层倾角平均13°,采用综放全厚开采。根据现有资料,新东四采区浅部大部分区域第四系“底含”缺失,即松散层底部含水层。4隔直接覆盖在基岩面上。只有个别地点存在“底含”区。水文补勘表明“底含”厚度薄,属弱富水性,受矿井开采影响“底含”水基本疏干。采区大多数区域底部有厚层黏土,为硬塑和半固结状态,流动性差,隔水性好,根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》,符合留设防砂安全煤(岩)柱的条件。因此,依据现有的科研成果,在采区浅部露头区,综放全厚开采,7煤防砂煤(岩)柱的安全开采标高为-157m,8煤防砂煤岩柱的安全开采标高为-170m。

2.覆岩变形及地表移动针对采场上覆岩层的移动变形和破坏情况,以姚桥煤矿新东四采区浅部煤层实际赋存条件、采矿条件为基础,具体开采条件及地质参数以7706工作面为原型。分别采用相似材料模拟实验和FLAC3D数值模拟方法,研究工作面开采过程中覆岩破坏规律、运移规律、位移的变化规律等,对比分析覆岩垮落带和导水裂缝带的“两带”发育形态和高度,结合姚桥煤矿新东四采区7、8煤浅部露头区和浅部部分钻孔资料,利用综放开采覆岩“两带”高度的经验公式计算结果以及现场实测成果,最终选取最大值作为“两带”的发育最大高度。对于煤矿地下开采导致的地表下沉变形,利用地表移动计算软件,通过选取合适的地表移动参数,对相临近工作面进行分区域计算,计算输出煤层采动地表的下沉,倾斜以及水平变形等值线图,据此可以得到工作面从开切眼开始回采到回采结束,地表在整个采煤过程中受不同采动程度影响下的下沉、倾斜等移动变形的结果。如图1所示为7706工作面回采完毕覆岩稳定后地表下沉图,最大下沉深度为4m。

3.软件应用在动画制作前期,利用了多个专业或辅助软件进行了前期模拟和数值计算。制作动画主要应用了三维建模软件Sketchup和动画制作编辑软件flash、会声会影以及其他辅助软件。Sketchup是一套直接面向设计方案创作过程的设计工具,其创作过程不仅能够充分表达设计师的思想而且完全满足与客户即时交流的需要,它使得设计师可以直接在电脑上进行十分直观的构思,是三维建筑设计方案创作的优秀工具。Flash是一种动画创作与应用程序开发于一身的创作软件,其广泛用于创建吸引人的应用程序,它们包含丰富的视频、声音、图形和动画。会声会影是一款半专业非线性剪辑软件,用户可以利用截取、编辑、特效、覆叠、标题、音频与输出等七大功能,把视频、图片、声音等素材结合成视频文件。

二、近水体下煤层开采动画仿真

为了保证仿真动画最大程度上还原近水体下采煤的开采实际,秉承通俗易懂和生动形象的原则,既要充分展现水体下采煤的特点,又要重点突出解释在浅部露头区安全煤(柱)留设时对覆岩垮落带和导水裂缝带发育高度的特殊考虑,以及采煤过程中含(隔)水层水位的变化和黏土层起到关键隔水层作用的原因。达到既可用来煤矿工人安全培训和课堂教学,又可对无相关知识者展示水体下采煤特点的效果。

1.松散层特征姚桥煤矿新东四采区浅部露头区,井田第四系松散层厚126~137m,根据21勘探线剖面图和地面钻探水文补勘结果,将单一的地层剖面第四系松散层及基岩和煤层进行标定,其具有直观形象的优点。如图2所示为地层简图。在矿区勘探地质报告中将第四系地层划分成5个含水层(组)合4个隔水层(组),采区地表为微山湖体,如图3所示为松散层含(隔)水层剖面划分简图,结构分明,并据此建立三维地质模型。

2.采场岩层移动及地表变形特征首先回采7煤的7706工作面,随着工作面自开切眼向前推进,采场顶板由初始悬空状态到开始垮落,随着工作面不断向前推进,上覆岩层垮落范围不断扩大并趋于稳定,直至逐渐形成马鞍形的垮落带并随工作面的推进而移动,同时,覆岩裂隙逐渐向上发育,高度和范围也不断增大,并最终形成近似马鞍形的导水裂缝带,并同样随着工作面的推进而移动。在回采的过程中,覆岩受采动影响发生移动变形和破坏,当回采工作面自开切眼开始向前推进的距离相当于采深的三分之一时,开采影响波及到地表,引起湖床下沉。7煤回采完毕后,对其下方的8煤进行回采。在此过程中,部分湖水下渗,松散层上部含水层的水,由于导水裂缝带的形成而贯通,且水体下流,但是被存在于基岩上部的一层厚黏土层所阻隔。松散层底部的弱富水含水层的水直接流向采场,由于水量较小,不影响矿井的正常生产。地表受采动作用影响下沉和发生水平移动变形等,导致湖区大坝坝体及附属建筑物等受到影响。在7706工作面回采完毕时,地面形成一个下沉盆地,垮落带和导水裂缝带形成,其形状近似于马鞍形,含水层的水通过导通的裂缝下流(见图4)。以往无论是覆岩的破坏还是地表的下沉,通常都是某一时刻的静态结果,通过交互性更强的动画制作效果,可以把一个个静态结果连续动态呈现,更具有整体性和良好的表达效果。

3.黏土层隔水作用分析姚桥煤矿第四系黏土层发育,其中3隔、4隔岩性主要为黏土,塑性指数14~32,厚度平均分别为33.56m、13.79m,且分布稳定,隔水性强,有效地阻隔了大气降水、地表水、第四系中上部砂层水与第四系底部含水层水、基岩地下水的水力联系,因此3隔、4隔是本区的隔水关键层。黏土层受采动影响后会发生拉伸、剪切、弯曲和压缩变形,变形导致黏土层产生拉裂缝或剪切台阶破坏,变形破坏面可造成黏土层隔水能力的削弱甚至彻底丧失。根据对新东四采区浅部露头区采动土层的极限变形试验结果,松散层底部的3隔和4隔黏土隔水层,在受采动影响作用下,黏土层拉伸变形隔水性评价指数、黏土层直剪隔水性评价指数和黏土层剪拉隔水性评价指数,均远小于黏土层失去隔水作用的极限值。因此,采区松散层隔水关键黏土层受采动拉伸变形后仍然具有良好的隔水性,隔水性能几乎无减弱。在回采过程采动导致围岩变形的过程中,具体展示了含水层水位的变化,黏土隔水层如何起到关键隔水作用的整个过程,直观形象地解释了3隔和4隔可以作为本采区隔水关键层的原因。如图5所示为8煤回采结束时黏土层阻隔上部含水层水流向采场的示意图。

4.防砂安全煤岩柱留设及开采上限确定新东四采区浅部露头区,在综放开采条件下,采用安全煤(岩)柱留设方式为防砂安全煤(岩)柱,依据已经取得的科研成果,7煤防砂煤(岩)柱的安全开采上限标高为-157m,8煤防砂煤(岩)柱的安全开采上限标高为-170m,防砂基岩柱厚度为垮落带最大发育高度与保护层厚度之和。地面标高+31.53m,对于7煤开采上限确定,基岩厚度53m,垮落带高度39m,保护层厚度14m;8煤开采上限确定,基岩厚度69m,垮落带高度48m,保护层厚度21m。在制作的动画中,利用动画演示,详细介绍了安全煤(岩)柱留设方式的合理选择过程,垮落带高度的最终确定,保护层厚度的选取方法和大小计算。最终在回采达到开采上限停采时,保护煤(岩)柱的位置及构成可一目了然地呈现于观者面前,把水体下采煤安全煤(岩)柱的留设问题,由复杂抽象转化到直观形象,附以文字、声音和背景音乐,浅显易懂,便于理解,容易掌握。

结束语

⑴通过地质建模和可视化技术,将水体下采煤的全过程直观地模拟再现于三维虚拟场景中,最大程度上还原了水体下采煤实际。⑵完整演示了煤层组工作面自开切眼开始回采到采掘结束,覆岩采动变形和地表湖床下沉过程;介绍了采区浅部露头区安全煤(岩)柱留设方式;解释了松散层底部的厚黏土层在受采动影响下依然保持良好隔水作用并的原因。总之,把水体下采煤的一系列抽象问题形象化,通俗易懂,对理解和掌握水体下采煤起到良好的作用。

作者:禹云雷 单位:上海大屯能源股份有限公司

近水体下采煤三维动画仿真探讨

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