数值模拟在采矿工程中的应用

数值模拟在采矿工程中的应用

陈迪

中国华冶科工集团有限公司西北分公司青海西宁810000

摘要：随着计算机技术的迅速发展，数值模拟发在采矿工程中得到了越来越广泛的应用。数值模拟方法主要包括有限元法、有限差分法、半解析元法、边界元法、刚体元法、加权余量法、离散元法、非连续变性分析法、流行元法和无界元法等，其中，有限元法的应用是最广泛的。有限元法最早应用与航空航天领域，二十世纪六十到七十年代开始，有限元算法的分析软件开始被研究和开发出来，但是，这些分析软件都不是针对采矿工程开发的，因此，在采矿工程中进行应用时面临着较大的困难。而后，针对采矿工程行业的数值分析软件就应运而生了，这些软件的自动建模能力较强，而且程序的开放性较强。

关键词：采矿工程；数值模拟；应用

1、数值模拟方法原理

很多数值分析软件采用的数值方法都是运用弹性理论对岩体非线性变形与破坏问题进行解决，运用宏观非线性与微观线弹性的划分原则对岩体的特殊质地材料进行分析，岩体单元微观上相对较均质，弹性变形特征强；而且因存在节理裂隙，使微元间接触具有非连续性特征；岩体宏观上是脆性极强的一种材料，通常受力较小时就容易发生破坏与断裂。多数软件都是基于该特性，构建完成弹性损伤力学数学模型实现数值模拟功能。

2、当前采矿工程中存在的问题

2.1采场的围岩控制问题

采场围岩控制问题主要指的是岩体结构的破断问题、岩块的稳定状态、结构失稳后的形态变化情况等的控制。采场围岩的坚固性是随着工作面的推进增加的，然后从连续体破断为块体，块体重新排列后会形成自然结构，自然结构在覆岩自重的作用下运用和变化，最终会出现失稳的情况，造成地表塌陷。

采动应力指的是矿体采出以后，在围岩内重新形成的压力场，采动应力也是岩体出现破裂、变形和运动的根源。然而，由于原岩应力和开采后应力场得测定存在困难，因此，采动应力无论是在现场测定还是理论方面都不够成熟。在采动应力的影响下，采动岩体会出现变形甚至破裂的情况，破裂后的块状围岩体会形成堆砌结构，如果堆砌结构失稳，将会出现岩体运动，然后形成新的块状堆砌结构。

对于大部分煤矿采动覆岩来说，及时垮落的情况是常见的也是必须存在的，不然，工作面的安全将会受到严重威胁。然而，覆岩的垮落对形成采场来压，使岩层内部出现离层和缝隙，从而使水体和气体产生位移，最终造成地表塌陷，对地面道路、建筑、环境和水体造成严重危害。因此，采矿工程人员要掌握覆岩的活动规律，研究岩层控制技术，有效解决地表塌陷带来的问题。

2.2巷道围岩的控制问题

巷道围岩的控制问题主要指开采以后覆岩的变形、移动和破坏对围岩应力场得影响、工作面周围巷道围岩的稳定性受到开采的影响程度、巷道围岩在采动影响下的控制技术等。在相邻工作面开采的影响下，巷道围岩的稳定性会受到支撑压力的影响，因此，要从巷道围岩的移动变形特征出发，并且结合围岩的实际状况，对支护方式和具体参数进行科学选择。

3、采矿工程中数值模拟的应用

3.1数值模拟步骤

采矿工程中的数值模拟通常分为确定模型、创建系统概念图、构建理想化模型、收集问题数据、准备模型运行、模型计算、提出结果七个步骤解决采矿工程中的岩土工程问题。

3.2存在的主要问题

诸如瓦斯突出、煤矿冲击地压、顶板垮落、高应力软岩巷道围岩控制等岩土工程问题作为采矿工程中的突出问题，需要进行较深入地研究。而采矿工作面上覆岩层难免出现断裂、损伤及失稳现象，要尽可能杜绝该类情况发生。固体力学目前只能对理想弹性、塑性和损伤体实现可靠变形与受力分析，但在采场中更多的是结构或材料破坏后的力学行为及结构破坏和失稳的全过程，不同区域的岩体在工作面周围具有较大的力学性能变化差异。采动岩体作为连续与非连续耦合的一种复杂介质，通常材料和结构破坏的岩土工程问题没有任何研究价值，在采矿工程问题中，要对材料和结构破坏后的力学行为进行研究，主要存在两大类问题。一是控制采场围岩问题，也就是岩体结构破断原因、破断后状态及结构失稳后的形态变化。二是控制巷道围岩问题，也就是覆岩在开采后移动变形及破坏对围岩应力场造成的变化规律；工作面周围巷道围岩稳定性受开采的影响及巷道围岩在采动影响下的控制技术。

3.3采矿工程中数值模拟的应用

3.3.1数值模拟方法研究

采矿工程数值模拟方法要符合其发展规律及采矿工程具有的特征，真实客观反映采矿工程问题特点，软件功能上要着重于反映采矿工程实际问题特点。在实际生产中，覆岩受开采发生移动变形具有一定的规律和特殊性，这就要结合生产实践中的问题特点，采用数值力学对采矿工程的数值计算方法、模型合理范围边界条件等方面进行分析并开展专门研究工作。

3.3.2新型开采工艺研究

随着环保意识及经济可持续发展理念的不断增强，主要涉及水资源保护技术，土地与建筑物保护开采技术，瓦斯抽放技术，煤层巷道支护及矸石排放减少技术，地下气化技术等内容的煤矿绿色开采技术应运而生，这些技术的研究课题较为前沿，如试验设备与现场监测不足情况下，就要结合数值模拟方法开展相关理论的前瞻性研究。如煤矿新型开采工艺不仅研究覆岩由于受到开采作用影响而发生的移动变形规律及控制岩层技术，还要开展如充填材料特性等有关的材料力学特性研究。

3.3.3动力灾害及控制技术研究

地震波及各种动力源会严重危害岩土工程，如煤矿井下经常发生的瓦斯突出和冲击地压，要通过数值模拟方法分析影响工程岩体稳定性的机理，针对上述动力危害制定消除或减轻的技术措施。

3.3.4热力学分析

随着煤炭洁净利用的发展，在煤炭气化过程中基于煤层及围岩的力学特性开展相关研究，采用数值力学分析煤炭地下气化、围岩活动规律及控制岩层问题的热力学规律。

3.3.5固液体耦合作用

大量含水层存在于地下浅部岩层，煤矿井下开采会造成含水层大量失水等情况。这都涉及到流体或固体、液体与气体之间的多种耦合作用，这类问题也要采用数值模拟方法进行研究分析。

3.3.6固气体耦合作用

瓦斯突出作为一种动力现象在煤矿中较为常见，由于煤层中瓦斯的吸附性很高，因此固体与气体之间的耦合作用要结合其它方法进行数值模拟以开展相关研究工作。

3.3.7深部开采软岩巷道围岩控制技术

高应力软岩巷道的支护问题会随采深增加而更加突出，在开采条件下针对深部巷道围岩开展相关控制机理及技术研究工作。通常巷道围岩受采动影响，易出现不均匀变形，要采用数值模拟方法对巷道围岩受采动影响而发生的移动变形特征进行研究，以针对围岩制定科学合理的控制技术措施。

3.3.8工程岩体稳定性受岩体蠕变特性的影响

蠕变特性作为岩体强度随时间变化的固有特性，尤其对于软岩更为明显。国内软岩矿井广泛分布，很多矿区、水利、地铁隧道等都存在类似问题。研究分析岩体蠕变特性对于岩土工程的长期稳定性具有重要保障作用，近年来众多矿井在采煤过程中都出现较为突出的问题，开采方式不管是房柱式、条带式或是充填式，都具有煤柱或充填体的稳定性问题，需要利用数值模拟方法开展较为深入地研究工作。

4、结束语

采矿工程的围岩稳定性受到开采过程的影响，会使围岩应力重新分布，从而产生高应力，最终导致围岩的破裂和大范围移动，使研究面临着较大困难。数值模拟软件具有较强的开放性，能够对采矿工程问题的特点进行深入研究。但是，在研究过程中，也面临着一些不确定因素。因此，采矿单位要认识到数值模拟的重要性，分析当前采矿工程中存在的主要问题，并且将数值模拟技术合理应用到采矿工程研究过程中。

参考文献：

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