近水體下采煤三維動畫仿真探討范文

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目前，多媒體動畫及三維動畫仿真技術，在煤礦專業學生的教育培訓及煤礦新工人安全培訓和井下安全事故的仿真再現方面，已得到廣泛應用。有效提高了教育培訓的質量，通過利用三維動畫模擬井下災難事故發生的過程，也發揮了充分吸取事故經驗教訓的作用。但是，煤層開采后將引起上覆巖層移動、破斷，并在巖層中形成采動裂隙。采動引起的巖體破壞規律復雜，在煤礦地下采煤尤其是近水體下采煤的過程中，覆巖的變形破壞尚難以采用理論方法進行計算。而覆巖破壞的范圍與程度將直接決定著水體下采煤的安全與否。水體下采煤上覆巖層變形和破壞后形成的“兩帶”高度對安全生產影響重大，一旦導水斷裂帶波及水體，水體將成為開采工作面的直接充水水源，增加礦井的排水壓力，甚至造成淹井事故。本文以姚橋煤礦新東四采區淺部露頭區微山湖下的實際地質條件為原型，利用多媒體制作軟件及計算機三維仿真技術等，形象逼真地再現了整個近水體下采煤的全過程，重點展現了隨著煤體不斷被采出，采場上覆巖層的移動變形及破壞的過程和規律，以及開采影響波及地表，地表的移動和變形全過程，突出了含（隔）水層的水位變化，解釋了松散層底部厚黏土層阻隔水體流向采場所起的關鍵作用以及防砂安全煤（巖）柱的合理留設。直觀形象，簡單易懂。

一、動畫制作基礎

1.原型工作面概況姚橋煤礦新東四采區位于礦井東翼，采區地表為微山湖體。主要開采煤層為7、8號煤，7號煤平均傾角7.5°，淺部煤層傾角較大，約13°左右，屬緩傾斜煤層。直接頂巖性為泥巖、砂質泥巖，以砂質泥巖為主，厚度為0.73～8.8m，平均3.6m。8煤煤層厚度0～5.95m，淺部8煤平均厚度3.62m，直接頂板多為泥巖、砂質泥巖或炭質泥巖，局部為中細砂巖。在其淺部露頭區的7706工作面，工作面長約220m，走向長約1300m，其中7煤厚度為6m，8煤厚度為4m，7、8煤平均間距為8m，為近距離煤層組，煤層傾角平均13°，采用綜放全厚開采。根據現有資料，新東四采區淺部大部分區域第四系“底含”缺失，即松散層底部含水層。4隔直接覆蓋在基巖面上。只有個別地點存在“底含”區。水文補勘表明“底含”厚度薄，屬弱富水性，受礦井開采影響“底含”水基本疏干。采區大多數區域底部有厚層黏土，為硬塑和半固結狀態，流動性差，隔水性好，根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，符合留設防砂安全煤（巖）柱的條件。因此，依據現有的科研成果，在采區淺部露頭區，綜放全厚開采，7煤防砂煤（巖）柱的安全開采標高為－157m，8煤防砂煤巖柱的安全開采標高為－170m。

2.覆巖變形及地表移動針對采場上覆巖層的移動變形和破壞情況，以姚橋煤礦新東四采區淺部煤層實際賦存條件、采礦條件為基礎，具體開采條件及地質參數以7706工作面為原型。分別采用相似材料模擬實驗和FLAC3D數值模擬方法，研究工作面開采過程中覆巖破壞規律、運移規律、位移的變化規律等，對比分析覆巖垮落帶和導水裂縫帶的“兩帶”發育形態和高度，結合姚橋煤礦新東四采區7、8煤淺部露頭區和淺部部分鉆孔資料，利用綜放開采覆巖“兩帶”高度的經驗公式計算結果以及現場實測成果，最終選取最大值作為“兩帶”的發育最大高度。對于煤礦地下開采導致的地表下沉變形，利用地表移動計算軟件，通過選取合適的地表移動參數，對相臨近工作面進行分區域計算，計算輸出煤層采動地表的下沉，傾斜以及水平變形等值線圖，據此可以得到工作面從開切眼開始回采到回采結束，地表在整個采煤過程中受不同采動程度影響下的下沉、傾斜等移動變形的結果。如圖1所示為7706工作面回采完畢覆巖穩定后地表下沉圖，最大下沉深度為4m。

3.軟件應用在動畫制作前期，利用了多個專業或輔助軟件進行了前期模擬和數值計算。制作動畫主要應用了三維建模軟件Sketchup和動畫制作編輯軟件flash、會聲會影以及其他輔助軟件。Sketchup是一套直接面向設計方案創作過程的設計工具，其創作過程不僅能夠充分表達設計師的思想而且完全滿足與客戶即時交流的需要，它使得設計師可以直接在電腦上進行十分直觀的構思，是三維建筑設計方案創作的優秀工具。Flash是一種動畫創作與應用程序開發于一身的創作軟件，其廣泛用于創建吸引人的應用程序，它們包含豐富的視頻、聲音、圖形和動畫。會聲會影是一款半專業非線性剪輯軟件，用戶可以利用截取、編輯、特效、覆疊、標題、音頻與輸出等七大功能，把視頻、圖片、聲音等素材結合成視頻文件。

二、近水體下煤層開采動畫仿真

為了保證仿真動畫最大程度上還原近水體下采煤的開采實際，秉承通俗易懂和生動形象的原則，既要充分展現水體下采煤的特點，又要重點突出解釋在淺部露頭區安全煤（柱）留設時對覆巖垮落帶和導水裂縫帶發育高度的特殊考慮，以及采煤過程中含（隔）水層水位的變化和黏土層起到關鍵隔水層作用的原因。達到既可用來煤礦工人安全培訓和課堂教學，又可對無相關知識者展示水體下采煤特點的效果。

1.松散層特征姚橋煤礦新東四采區淺部露頭區，井田第四系松散層厚126~137m，根據21勘探線剖面圖和地面鉆探水文補勘結果，將單一的地層剖面第四系松散層及基巖和煤層進行標定，其具有直觀形象的優點。如圖2所示為地層簡圖。在礦區勘探地質報告中將第四系地層劃分成5個含水層（組）合4個隔水層（組），采區地表為微山湖體，如圖3所示為松散層含（隔）水層剖面劃分簡圖，結構分明，并據此建立三維地質模型。

2.采場巖層移動及地表變形特征首先回采7煤的7706工作面，隨著工作面自開切眼向前推進，采場頂板由初始懸空狀態到開始垮落，隨著工作面不斷向前推進，上覆巖層垮落范圍不斷擴大并趨于穩定，直至逐漸形成馬鞍形的垮落帶并隨工作面的推進而移動，同時，覆巖裂隙逐漸向上發育，高度和范圍也不斷增大，并最終形成近似馬鞍形的導水裂縫帶，并同樣隨著工作面的推進而移動。在回采的過程中，覆巖受采動影響發生移動變形和破壞，當回采工作面自開切眼開始向前推進的距離相當于采深的三分之一時，開采影響波及到地表，引起湖床下沉。7煤回采完畢后，對其下方的8煤進行回采。在此過程中，部分湖水下滲，松散層上部含水層的水，由于導水裂縫帶的形成而貫通，且水體下流，但是被存在于基巖上部的一層厚黏土層所阻隔。松散層底部的弱富水含水層的水直接流向采場，由于水量較小，不影響礦井的正常生產。地表受采動作用影響下沉和發生水平移動變形等，導致湖區大壩壩體及附屬建筑物等受到影響。在7706工作面回采完畢時，地面形成一個下沉盆地，垮落帶和導水裂縫帶形成，其形狀近似于馬鞍形，含水層的水通過導通的裂縫下流（見圖4）。以往無論是覆巖的破壞還是地表的下沉，通常都是某一時刻的靜態結果，通過交互性更強的動畫制作效果，可以把一個個靜態結果連續動態呈現，更具有整體性和良好的表達效果。

3.黏土層隔水作用分析姚橋煤礦第四系黏土層發育，其中3隔、4隔巖性主要為黏土，塑性指數14～32，厚度平均分別為33.56m、13.79m，且分布穩定，隔水性強，有效地阻隔了大氣降水、地表水、第四系中上部砂層水與第四系底部含水層水、基巖地下水的水力聯系，因此3隔、4隔是本區的隔水關鍵層。黏土層受采動影響后會發生拉伸、剪切、彎曲和壓縮變形，變形導致黏土層產生拉裂縫或剪切臺階破壞，變形破壞面可造成黏土層隔水能力的削弱甚至徹底喪失。根據對新東四采區淺部露頭區采動土層的極限變形試驗結果，松散層底部的3隔和4隔黏土隔水層，在受采動影響作用下，黏土層拉伸變形隔水性評價指數、黏土層直剪隔水性評價指數和黏土層剪拉隔水性評價指數，均遠小于黏土層失去隔水作用的極限值。因此，采區松散層隔水關鍵黏土層受采動拉伸變形后仍然具有良好的隔水性，隔水性能幾乎無減弱。在回采過程采動導致圍巖變形的過程中，具體展示了含水層水位的變化，黏土隔水層如何起到關鍵隔水作用的整個過程，直觀形象地解釋了3隔和4隔可以作為本采區隔水關鍵層的原因。如圖5所示為8煤回采結束時黏土層阻隔上部含水層水流向采場的示意圖。

4.防砂安全煤巖柱留設及開采上限確定新東四采區淺部露頭區，在綜放開采條件下，采用安全煤（巖）柱留設方式為防砂安全煤（巖）柱，依據已經取得的科研成果，7煤防砂煤（巖）柱的安全開采上限標高為－157m，8煤防砂煤（巖）柱的安全開采上限標高為－170m，防砂基巖柱厚度為垮落帶最大發育高度與保護層厚度之和。地面標高+31.53m，對于7煤開采上限確定，基巖厚度53m，垮落帶高度39m，保護層厚度14m；8煤開采上限確定，基巖厚度69m，垮落帶高度48m，保護層厚度21m。在制作的動畫中，利用動畫演示，詳細介紹了安全煤（巖）柱留設方式的合理選擇過程，垮落帶高度的最終確定，保護層厚度的選取方法和大小計算。最終在回采達到開采上限停采時，保護煤（巖）柱的位置及構成可一目了然地呈現于觀者面前，把水體下采煤安全煤（巖）柱的留設問題，由復雜抽象轉化到直觀形象，附以文字、聲音和背景音樂，淺顯易懂，便于理解，容易掌握。

結束語

⑴通過地質建模和可視化技術，將水體下采煤的全過程直觀地模擬再現于三維虛擬場景中，最大程度上還原了水體下采煤實際。⑵完整演示了煤層組工作面自開切眼開始回采到采掘結束，覆巖采動變形和地表湖床下沉過程；介紹了采區淺部露頭區安全煤（巖）柱留設方式；解釋了松散層底部的厚黏土層在受采動影響下依然保持良好隔水作用并的原因。總之，把水體下采煤的一系列抽象問題形象化，通俗易懂，對理解和掌握水體下采煤起到良好的作用。

作者：禹云雷 單位：上海大屯能源股份有限公司