数值模拟在采矿工程中的应用

关键词：数值模拟；采矿工程；围岩控制；开采工艺；蠕变特性 
引言
近年来，计算机技术迅猛发展，使得数值计算方法在采矿工程问题分析中得到了广泛运用，极大地促进了采矿工程学科的发展。其中，常用的数值计算方法有：有限差分法、有限元法、边界元法、加权余量法、半解析元法、刚体元法、非连续变形分析法、离散元法、无界元法和流行元方法等。数值模拟不仅能模拟岩体的复杂力学和结构特性，也可以很方便地分析各种边值问题和施工工艺过程对硐室或巷道围岩稳定性的影响，并对工程岩体稳定性进行预测。如果能从宏观上准确地把握岩体的力学特性，通过地应力测试把握地应力场，数值力学分析结果完全可以用于指导工程实践。近年来，数值模拟技术得到了大力发展，已成为解决采矿工程和其他岩土工程问题的重要研究手段之一。
1. 采矿工程的特点 
采矿工程中岩土工程问题非常突出。在采矿工程进行过程中，工作面上的覆岩层受到破坏与损伤，是不可避免的。采矿工程工作的指导思想是材料和结构破坏后的力学行为。其在开采过程中，主要考虑的问题有采场围岩控制问题和巷道围岩控制问题。采场围岩控制是指岩体结构受到了什么样的破坏，遭受破坏后其能否继续趋于稳定，若发生失稳，则考虑其失稳后的岩层结构、形态变化。巷道围岩控制是指开采矿后，覆岩在外力的作用下，发生移动、变形和损坏等现象，导致围岩应力场的变化规律。该考察内容包括开采工作对工作面周围巷道围岩稳定性的影响。
2.采矿工程中存在的主要问题 
采矿工程中岩土工程问题尤为突出，采场顶板垮落、覆岩移动及控制采动引起的高应力软岩巷道围岩控制，深部开采的地温和地压都需要进一步的研究。采矿工程问题中，必须研究材料和结构破坏后的力学行为，其存在的主要问题可分为两大类： 
1）巷道围岩控制问题，即开采后覆岩移动、变形和破坏导致围岩应力场的变化规律；开采对工作面周围巷道围岩稳定性的影响，以及采动影响下巷道围岩控制机理及控制技术。如受相邻工作面开采影响时，巷道的合理布置，支承压力对道围岩稳定性的影响，并根据巷道周岩石的移动变形特征和围岩状况选择合理的支护方式和参数。随着矿体的采出，在采场两侧和前后方围岩内均要形成采动应力集中，特别是垂直方向上的支承压力集中，峰值可达（3 ～ 5）γH（其中γ 为岩体的体积力；H为采数值模拟方法在采矿工程中的应用在采矿工程中，数值模拟方法不仅能模拟岩体复杂的力学和结构特征，还能很方便地解决现场监测需要大量人力、物力而无法完成的、现有力学理论不能求解的复杂形体问题，并对矿山岩体稳定性进行预测与预报。
2）采场围岩控制问题，即岩体结构是如何破断的、破断后的岩块是否趋于稳定状态以及结构失稳后的形态变化。如采场坚硬基本顶随着工作面的推进，不断地由连续体破断成块体，块体重新排列后的自然结构再受覆岩自重的作用，不断变化、运动和失稳直到引起地表沉陷。采动应力场是指矿体采出后围岩内重新分布的应力场，它是岩体变形破裂运动之源。但由于原岩应力状态及开采后应力场难以测定，其有关的理论描述和现场测定均不成熟。受采动应力场影响，采动岩体将发生变形直至破裂，破裂后的块状围岩体将形成堆砌结构，其失稳即造成岩体运动，直至再形成稳定的块状堆砌结构。
3.数值模拟方法在采矿工程中的有效应用 
综合考虑采矿工程的特点与数值模拟方法的发展历程，采矿工程专用数值模拟软件必须考虑到采矿工程的特点及其开采过程中会遇到的问题，数值模拟方法反映了采矿工程的专业色彩。因开采矿过程中引发的覆岩移动是具有其特殊的规律的，所以我们在充分考虑采矿工程特点的基础上，充分研究采矿工程数值力学分析法的各方面，研究内容包括数值计算法、模型合理范围等。
3.1 新型开采工艺研究 
随着经济社会的不断发展，人们的环境保护意识和可持续发展理念也在不断增强。政府提出了煤矿绿色开采技术，其“绿色”内容包括水资源保护；林业资源保护；土地与建筑物保护开采技术，提倡离层注浆技术等；煤层巷道支护与减少矸石排放技术等等。煤矿“绿色”开发技术属于我国前沿性的研究课题。如果缺乏试验设备及没有或不能进行全面的现场监测，那么我们只能运用数值模拟方法首先进行理论性研究，研究可行性高的新型开采技术。数值模拟分析软件可帮助我们分析填充材料的特性，促进了新型开采工艺研究的进展。
3.2 热力学分析研究 
煤炭地下气化、围岩的活动规律及岩层控制问题需要我们运用数值力学分析方法进行热力学分析。 
3.3 减轻各类动力灾害研究 
地震会给各类岩土工程带来极大的破坏，煤矿井井下作业时常发生瓦斯爆炸和瓦斯突出冲击地压。我们可以运用数值模拟方法研究上述动力现象对岩体稳定性的影响程度，及如何消除或减轻此类动力活动带来的危害。
3.4 巷道围岩控制技术研究 
随着开采深度的不断增加，我们面临一个严峻的问题—高应力软岩巷道支护问题。一般情况下，巷道围岩受到剧烈影响后，会发生极不均匀的移动与变形现象。此时我们可以运用数值模拟软件来研究围岩变形与移动特征，在此基础上采用正确的措施来制止围岩的变形移动。
3.5 研究岩体蠕变特性对工程岩体的影响 
岩体蠕变特性指是随着时间变化岩体强度也发生变化。尤其软岩的岩体蠕变性问题最为突出。软岩在我国分布较为广泛，多数矿区、地铁隧道、水利工程等都存在岩体蠕变的问题。运用数值模拟法研究岩体蠕变特性问题成为刻不容缓的课题。

4.结语
采矿工程中的岩土工程问题有自身的特点，主要表现在采矿领域的大部分围岩稳定性问题都涉及开采引起的强烈影响。引起围岩应力重新分布带来的高应力作用以及围岩的大范围移动和严重破裂，导致研究问题的复杂化。随着数值模拟软件功能的逐渐强大，采矿工程问题的研究手段越来越多，但是由于大多数的采矿工程问题处于地下，存在着很多的不确定因素。还有很多的采矿工程问题需要通过数值模拟的手段进行深入的研究。只有充分了解采矿工程的特殊性，才能更好地应用数值模拟软件，真正做到数值模拟与现场监只有充分了解采矿工程测相结合。

参考文献
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