第 49 卷 第 5 期 2018 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.49 No.5 May. 2018 DOI : 10 . 13347 / j . cnki . mkaq . 2018 . 05 . 035 基于Aut oCAD的 FLAC 3D断层模拟快速建模方法 刘世奇，胡小龙，张罗迅 （中国矿业大学（北京） 资源与安全工程学院，北京 100083） 摘 要：针对采用接触面法和弱化法进行 FLAC3D 断层建模时断层两侧模型网格节点对接困难、 节点密度不易控制的问题，利用岩层分层建模的方法，并采用 java 语言编制中间程序，研究了一 种将基于 AutoCAD 的二维平面图形便捷高效地转换为 FLAC3D 网格模型的方法。该方法基本实 现了建模过程的可视化和自动化，提高了建模效率，解决了复杂地质条件下的快速建模问题。 关键词：FLAC3D；AutoCAD；断层；快速建模；岩层分层 中图分类号：TD679 文章编号：1003-496X（2018）05-0135-04 文献标志码：B Method of Rapid Modeling in FLAC3D Fault Simulation Based on AutoCAD LIU Shiqi, HU Xiaolong, ZHANG Luoxun （School of Resource and Safety Engineering, China University of Mining and Technology（Beijing）, Beijing 100083, China） Abstract: In this paper, according to the problems of hard connection and management of the density of mesh nodes on both sides of FLAC3D fault modeling by using interface method and weakening method, with the method of layered stratum modeling and intermediate program writing by using Java language, an approach to convert two -dimensional planar graph based on AutoCAD into FLAC3D mesh model conveniently and efficiently was studied. The approach has basically achieved the visualization and automation of modeling process, improved the modeling efficiency and solved the problem of rapid modeling under complicated geological conditions. Key words: FLAC3D ; AutoCAD; fault; rapid modeling; layered stratum 和 “ ” 弱化法 接触面法 FLAC3D 主要有 “ FLAC3D 是一种利用显式有限差分方法为岩土 工程提供直观有效分析的工具[1-2]，其中针对地质构 造，如断层， ， ” 前者利用无厚度的接触面单元完成断层建模，后者 与普通岩层相同，采用基本形状网格完成断层建模[3]。 FLAC3D 在模型建立和网格划分等前期处理方面 但 存在的不足 [4-5]，为弥补以上不足，相关学者做了大 然而，建模方法多数需依托其他大型数 量研究[5-9]。 据处理软件，如 等；有时还需使用 FLAC3D 网 平面图中添 ARCGIS 格划分的内在程序要求，需手动向 这便大大增加了 加辅助线以完成岩层细分 FLAC3D 三维建模的难度 不仅拥有丰富的图形绘 制功能，也为与其他软件的协作提供了丰富的数据 输出接口，因此，针对采用接触面法和弱化法进行 FLAC3D 断层建模时，断层两侧模型网格节点对接困 计划） 资助项目 基金项目：国家重点基础研究发展规划 （ ；国家自然科学基金煤炭联合基金重点资助项目 对相关数据进行提取；且为满足 MATLAB、ANSYS 。AutoCAD CAD 。 973 (2013CB227903) （ ） U1361209 、 节点密度不易控制的问题，利用 方法，在不人为向 ” 难 模 前提下，研究如何将基于 便捷高效地转换为 岩层分层建 平面图中添加辅助线的 的二维平面图形 AutoCAD CAD “ FLAC3D 网格模型 。 1 基本知识 1.1 AutoCAD 图形信息文件 1 。 CSV 在 AutoCAD 条线段为例：其对应的 文件格式的文件以纯文本形式存储表格数 图形绘制界面完成图形绘制后，可 格式文件导出， CSV 格式文件中包含有 长度等数 、 命令用于绘 据 将包含图形文件的所有信息以 以 该线段起点和端点坐标 据信息 制线段，且软件自动将各线段数据信息以其最新 次改动时间的先后顺序存储在该文件中 。 1.2 标记线位置判定与辅助线添加原理 1.2.1 岩层分界标记线位置的判定 坐标差值 、 中仅采用 倾角 、 AutoCAD 为此在 CSV line 。 1 主要判定岩层分界标记线相对断层标记线的位 在此之前，所有标记线的数据已经过标准化处 置 。 135· · 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 49 卷 第 5 期 2018 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.49 No.5 May. 2018 。 理，且平面图左右边界标记线和断层标记线排列顺 序以及岩层分界标记线身份均已确定 判定原理如 下：选择平面图左边界标记线和断层标记线作为断 层左侧所有岩层分界标记线所处区域的左右边界 线，如所选岩层分界标记线的倾角为锐角，且起点 在左边界线上或者终点在右边界线上；亦或者倾角 为钝角，并且起点在右边界线上或者终点在左边界 线上，那么这条岩层分界标记线位于断层标记线的 左侧 对应岩层分界标记线是否位于断层右侧的判 标记线位置与辅助线添加原理示 定原理与此类似 意图如图 的倾角为锐角，其起 点在所处区域左边界线上，终点在右边界线（断层 标记线）上，可知标记线 位于断层标记线左侧 ，岩层分界标记线 。 。 1 b 。 岩层分层辅助线的添加 b 1.2.2 F E MN 点和 如图 EE′、FF′ 分别相交于 ，断层标记线 与位于其右侧的岩层 点，且位 的 点作线段 1 分界标记线 于断层标记线左侧的岩层分界标记线与线段 交点未与 与 EH、FI 轴相交于 。 意一点坐标为（ 角为 x 中任 假设原点坐标为 （ ），断层左侧岩层分界标记线倾 ， y1 所在直线的直线方程为： 或者 E、F 点，其中线段 EH ）， ， y0 轴相交于 点 点重合，故需分别过 ，则线段 还与 H、I E、F E、F MN x1 x0 G y θ EH FI 图 1 标记线位置与辅助线添加原理示意图 （ ） y－y1=tanθ x－x1 （ ） 1 y=tanθ(x－x1)＋y1。 点， 轴正半轴，交点即为 ），即就是线段 I 将 代入直线方程中，可得 x0 （ y＞y0 x0－x1 ， tanθ x=x0 ，则线段相交于 y ） 若 坐标为（ 点作的断层左侧岩层分层辅助线；若 交于 轴负半轴，交点即为 于模型边界的外侧，故线段 左侧岩层分层辅助线，其中 ＋y1 H 为过 y EG 点坐标为（ E G y＜y0 点，由于线段 为过 F FI ，则线段相 位 点作的断层 GH cotθ(y0－y1)＋ x1 由此可得到断层左侧的岩层分层辅助线 。 ， ） y0 EG、 的倾角及两端点坐标等相关数据，并存储，进而 FI 完成部分岩层分层辅助线的添加 。 136· · 2 方法与原理 2.1 CAD 二维图形转换为 FLAC3D 基本单元 二维图形数据可以为 为了使 CSV AutoCAD AutoCAD 。AutoCAD 图形数据与 所利用，需要了解 本单元数据的对应关系 数据以 能以其坐标等信息区分 网格的建立依靠相应的控制点坐标 FLAC3D FLAC3D 基 图形文件的所有 格式文件存储，且同一类型图形对象只 。FLAC3D 中每一种基本单元 。 Auto－ 向坐标项用以生 CAD 成新的三维控制点坐标，再将这些点沿 向平移相 等距离，生成拉伸点坐标，并按照 对所 ” 有的这些三维控制点加以排序，就可以生成用于创 建 二维四边形如图 FLAC3D 基本形状网格的命令代码片段 二维平面图各控制点添加 ， FLAC3D 六面体基本单元如图 右手法则 。AutoCAD 通过给 “ 2 y z 3。 图 2 AutoCAD 二维四边形 图 3 FLAC3D 六面体基本单元 如图 ，设四边形 个控制点依次为 4 2 P0、P1、P6、 ，采用上述方法将其转换为三维坐标点，拉伸后生 个三 P3 成对应的三维坐标点依次为 维坐标点的相对位置如图 P2、P4、P7、P5 ，共 8 3。 根据采矿工程所研究的地质体特征以及断层建 种网格单 FLAC3D 中以下 种网格 (wedge)。 二维平面图形正交拉 FLAC3D 基本网格 模所采用的方法，仅考虑 元：矩形网格 单元均可由相应的 伸得到 。AutoCAD 单元的关系见表 二维平面图形与 楔形网格 AutoCAD (brick)、 2 这 2 1。 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 49 卷 第 5 期 2018 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.49 No.5 May. 2018 表 1 CAD 二维图形与 FLAC3D 网格单元坐标对照表 平面图形 CAD FLAC3D 网格单元 网格单元名称 网格单元 wedge 网格单元 brick 2.2 快速建模方法及步骤 CSV ）平面图绘制及 1 文件输出 在 4 line 。① AutoCAD 命令绘制模型二维平面图，模型二维 中仅使用 ，倾斜线段 为断层位置标记线，分 平面图如图 MN 布于该线段左右两侧的 组平行线为各岩层分界标 记线； 二维平面图绘制完成，并检查不存在无关 图形且线段连接紧密后（无缺口和突出），通过 自带的 “ 图形数据的提取 CAD 功能，经过一系列操作后，完成 ” 数据提取 ② 2 。 。 ）标准化线段 1 程序通过调节每一线段对应的 坐标 的范 两端点坐标和倾角等数据，使每一线段起点 始终小于等于对应终点 坐标，且线段倾角 围均为 α y y 0°≤α＜180°。 4 。 g、 c、 b、 线段 线段 线段 ）划分区域 2 ，划分区域后线段 d 线段 f、 ）添加辅助线 3 基于前面有关岩层分界标记线位 置的判定原理，程序会将除过模型边界和断层标记 线之外的所有岩层分界标记线进行分类，分别纳入 断层左区和断层右区 线 a、 段 线段 如图 。 将会被纳入断层左区，线段 将会被纳入断层右区 h 基于前面有关添加岩层分层辅 助线的原理，经过计算程序会得到表征岩层分层辅 助线的相关数据，模拟岩层分层，并将对应辅助线 辅助线分割区域岩层示意图如图 添加到各自分区 ，辅助线 将岩层分割为两分层，其余辅助线为辅 5 助线 辅助线 辅助线 等 辅助线 辅助线 辅助线 d′、 a′、 c′、 f′、 。 。 。 b′ h′ 。 ）分割区域岩层及分层 4 。 5 如图 ，断层左区岩层 线及辅助线共计 个 三 角 形 和 8 条，程序会将断层左区分割为 2 个 四 边 形 ， 并 从 下 往 上 依 次 生 成 类型网格命令代码片段，并存储 7 或者 wedge 断层右区处理方法类似 brick 。 。 e、 g′、 图 4 模型二维平面图 。 、 及 Java CSV 文件处理及 语 言 编 写 了 FLAC3D 建模命令文件输出 。 平 面 图 形 转 换 为 AutoCAD 经过图 参数输入等 ） 2 使 用 FLAC3D 断层建模命令代码的快速建模程序 形数据文件导入 、 操作后，最终输出 格式命令代码文件 长度 度） 2.3 FLAC3D 断层快速建模程序原理简介 格式文件直到输出 断层建模方式选择 FLAC3D 建模计算所需要的 其中，需输入的参数有 。 TXT 向拉伸 移动距离 （断层厚 格式 建模命令文件的过程中，主要做了以下工作：标准 分割区域岩层 化线段 及分层 组合 命令代码片段 划分区域 生成基本形状网格命令代码片段 、x 岩层名称共 、 向网格单元数目 添加辅助线 程序从读入 设置 参数 CSV TXT 及 项 -> -> -> -> -> 、 。 5 y y -> group size 。 图 5 辅助线分割区域岩层示意图 ）组合命令代码片段 5 。 过程依建立断层方法的 。 。 不同而不同，具体见 及 FLAC3D 用户手册中的说明 size 参数 group group group ）设置 6 名称替换系统默认 当用户向程序输入 相关参数后，程序会识别出各岩层组，并以用户输入 的 名称，且会将属于 项设置为同一名称；断层 同一岩层各分层的 group 左区和断层右区分享同一 向网格单元数目 而对于各岩层及分层所属基本形状网格 的输入值 在 向边 界长短不一，并且在 类型基本形状网格存在 的条件下，情况将会变的复杂多变，故程序以用户输 入的 向网格单元数目的值为变量因子，通 向上的网格单元数目的设定，因其对应 向及 向及 wedge 。 x y z z x y 137· · 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 49 卷 第 5 期 2018 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.49 No.5 May. 2018 过相关运算得出较为合适的数值，用于 元数目的设定 。 向网格单 z 3 实例应用 。 63° 大屯煤电集团的龙固煤矿和龙东煤矿大致东西 相邻分布于苏鲁交界的微山湖畔西侧，两矿井田边 界大部分以张庄断层为界，断层西北侧为龙固煤 矿，东南侧为龙东煤矿 其中张庄断层为大倾角正 左右，龙固煤矿居上盘，龙东煤矿 断层，倾角为 居下盘，且断层落差较大，最大可达 ；并且龙 110 m 煤层，为近水平 固煤矿井田范围内发育有 煤层，均可采，龙东煤矿井田范围内发育有 7# 和 从上可知， 21#2 两矿井田范围内岩层对接情况特殊，煤层赋存条件 复杂，直接运用 煤层，煤层倾角平均为 FLAC3D 建立网格模型较为不易 ，均可采 8# 和 21#2 33° 。 。 。 在 AutoCAD 因此，可以采用文中提到的方法完成这一复杂 绘图界面完成选定位 网格模型的建立 格式 置处的岩层及煤层剖面图的绘制，并导出 文 件 ， 再 运 用 前 文 中 提 到 的 方 法 ， 最 终 得 到 的 FLAC3D 网格模型（接触面法）如图 FLAC3D 网格模 ， 型（弱化法）如图 CSV 6 7。 图 6 FLAC3D 网格模型（接触面法） 图 7 FLAC3D 网格模型（弱化法） 基于岩层分层建模的方法，无需前期手动添加 辅助线，且程序自动设置岩（煤）层对应网格模型的 向单元网格数目，省去了复杂的手动输入环节，岩 名称的设置也较为方便，建模过程环 FLAC3D 的精度和尺寸 z （煤）层 节少且简单直观，且模型符合 group 138· · 此外，用户可根据需要，调整 要求；而采用常规方法建立该模型，过程复杂且耗时 较长 二维平 FLAC3D 网格模型，故文中 面图，即可得到改进后的 方法具有较好的复用性和较强的适应性 AutoCAD 。 。 4 结 语 基于 java AutoCAD 制图软件，采用 语言编制中 FLAC3D 建立网格模型，可以在一定程度 间程序辅助 FLAC3D 前处理功能较弱的缺陷，使用户更专 上弥补 注于模拟计算和结果分析 在使用接触面法或弱化 法进行断层建模时，采用文中所述断层快速建模方 法可以克服断层两侧模型网格节点对接困难 节点 密度不易控制的问题，且基本实现建模过程的可视 化和自动化，提高了数值模拟效率，缩短了数值计算 周期 、 。 。 参考文献: ［ ］ 1 Itasca Consulting Group. FLAC3D (Fast Lagrangian Anal－ ］ ［ Z . ysis of Continua in 3 Dimensions) User Manuals Version2. 1, Minneap－ois, Minnesota, 2002. 原理 实例与应用指南［ 、 M ］ . 北京： ［ ］ 刘波，韩彦辉 2 ．FLAC 人民交通出版社， 2005. ［ ］ 彭文斌 3 ．FLAC3D 实用教程［ M ］ . 北京 机械工业出版社， : 2007. ［ ］ 陈育民，徐鼎平 4 ．FLAC/FLAC3D 基础与工程实例［ M ］ . ［ ］ 蔡胜海 8 90-93. 2012 ．FLAC3D 断层模拟中接触面法与弱化法的研究 及应用［ ］ D . 基于 . ］ . FLAC3D 模型快速建模方法 西安：西安科技大学， 徐州：中国矿业大学， ： 20-21. ： 24-25. AutoCAD 2016 2012 的 ］ 高永刚 ［ 9 研究［ D 作者简介：刘世奇（1987—），河北衡水人，讲师，博士， 2016 年毕业于中国矿业大学（北京），从事特殊采煤的研究 与教学工作。 （收稿日期：2017-08-31；责任编辑：李力欣） 北京：中国水利水电出版社， 基于 ［ ］ 廖秋林，曾钱帮，刘彤，等 5 . 2009． 体 学报， FLAC~ （ ］ ）模型的自动生成［ 3D J . （ ）： 6 1010-1013. ［ ］ 高盛翔，叶容章，唐伟励，等 6 2005 建立复杂地质体 2009 ， 37 ）： （ 5 基于 ［ ］ 丛凯，蒋树 7 ， 21 肃地质， . 51-53. CAD （ ）： 4 ANSYS 平台复杂地质 岩石力学与工程 应用 ］ FLAC3D 模型［ J . . 接口程序 MATLAB 煤田地质与勘探， 图形的 FLAC3D 三维建模［ ］ J . 甘 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net