探析采矿工程中数值模拟的运用

摘要:现在的采矿工程除了要注意开采的问题外，还要更加关注围层的稳定性，注意岩层的控制。现场实测、物理模拟等一些传统的方法很难分析开采过程中的不确定因素，在解决这些问题时显现的的弊端越来越大。所以，随着科学技术的发展，数值模拟的方法在采矿工程中运用越来越广泛，已经逐渐成为解决采矿工程和一些岩土工程问题的重要手段。

关键词:采矿工程;数值模拟;运用

Abstract: Now the mining engineering in addition to pay attention to mining issues, but also more concerned about the stability of surrounding rock control layer, pay attention to. Field measurement, physical simulation and some other traditional methods it is difficult to analyze the uncertain factors in the process of mining, in solving these problems appear the more and more defects. So, with the development of science and technology, the numerical simulation method is applied more and more extensively in mining engineering, has gradually become an important means to solve the mining engineering and geotechnical engineering problems.

Key words: mining engineering; numerical simulation; application

中图分类号：TD43文献标识码A 文章编号：

一、数值模拟的发展历程

近几年，数值模拟的方法在采矿工程中的作用越来越突出，在采矿工程中解决了很多难题以外，在推动岩土力学发展方面也起了重要的作用。数值模拟方法经历了数年的发展，下面主要研究三种方法：

（一）有限差分法

有限差分法出现的时间很早，先于计算机的诞生时间。有限差分法的原理比较简单，但能够解决很多复杂疑难问题，它主要是通过差分代数方程的方式解决问题。

（二）有限元法

有限元法最早出现在20世纪50年代，它可以解决经典力学无法解决的问题，有限元法的操法比较灵活，更加方便有效地将采矿工程中的复杂的施工过程模拟出来。目前，有限元法是一种具有很强的实用性的方法，在采矿工程领域运用范围很广泛。

（三）边界元法

边界元法是一种求解边值问题的方法，能够解决一些比较奇异复杂的工程问题，主要缺点就是缺少灵活性。

二、数值模拟方法的基本原理

在数值模拟方法中，弹性理论解决岩体非线性变形与破坏的这两个问题的数值方法就是现在大多数数值分析软件所用的。当采用的是宏观非线性和微观线弹性的原则时，一般就是分析岩体这种材料，有特殊的质地。微观上看，相对均质的岩体单元，较强的弹性变形是其主要的特征。宏观上，岩体本身具有的很强的脆弱性决定了岩体容易断裂，崩塌和被破坏。通过研究岩体微观和宏观上的特点，从而建立起弹性损伤力学的数学模型。

三、采矿工程中数值模拟方法的运用

（一）采矿工程中存在的主要问题分析

岩土的工程问题在采矿工程中很突出，表现在采矿场地的顶板垮落、覆盖的岩石移动和采矿时引起的高应力软岩巷道围岩控制，还有在地底较深处采矿时，要研究地温和地压。材料和岩层结构破坏后的力学行为必须要研究清楚，这是在采矿工程中问题别要注意的。这可分为两大问题进行分析：

第一类：是对采矿场围岩的控制问题。这一类问题主要是指岩体结构破坏断裂的过程及原因、破坏断裂后的岩体的稳定情况和岩体结构失去平衡后的形态变化过程。比如：采矿场由最初的连续体破坏断裂成一个个块状的岩体，这些岩体在自由的组合之后，形成了一个自然的岩体结构，接下来受到重力的作用，这些岩体的形态会不断的发生变化，最后会因为失去平衡而造成地表塌陷。采动应力场作为岩体变形、破坏、断裂运动的最根本的原因，是在矿体被采掘出来之后，围岩内部重新分布的应力场。一般的，原岩体的应力状态和开采出来之后的应力场的测定有很大的难度，理论方面和实地的测定都不成熟。

第二类：是对巷道围岩的控制问题。这一类问题主要是指开采后的覆盖岩石的移动、变形和破坏引起的围岩应力场的变化情况及规律，还包括开采工作对巷道围岩稳定性的影响。比如：开采时，相邻的工作区域也会受到一定的影响，巷道围岩的稳定性受到巷道布置和支承压力的作用影响，并在研究巷道围岩的形态变化规律特征的进出上，可以选择合适的参数和支护方式。实地的研究资料显示，一次采动的影响也可以把巷道完全损坏，而有些巷道围岩则形成了在一定的支护条件下是很难恢复的流动性形态。对于变形幅度较大的巷道，一定要在巷道的服务期内进行开采工作，也是能保证巷道的安全的。

采矿领域的岩土工程与其他领域的岩土工程相比较，有着其本身的特征。其特殊性表现在开采的过程总会影响到采矿区域内的大多数围岩的稳定性，从而造成围岩应力的重新分布引起的高应力和围岩的移动、变形和严重的破坏。

（二）采矿工程中数值模拟方法的运用

数值模拟的发展的过程、现状和采矿工程中存在的主要问题中可看出：采矿工程问题的特征一定要在采矿工程的数值模拟方法中体现反映出来。开采引起的敷衍的移动、变形和破坏是有规律可循的，找出规律并结合实际情况，根据采矿工程中存在的主要问题的特点，专门对采矿工程数值力学分析方法的各个方面进行研究。

（1）新型的开采工艺的研究

在现代社会，环境保护的意识、科学发展和可持续发展的观念逐渐深入人心，所以，在采矿领域，也提出了煤矿绿色开采的技术。土地和房屋建筑的保护开采技术，瓦斯的抽放和瓦斯与煤同时开采的技术，注意水资源的保护，在保护水的基础上进行开采的技术，减少矸石的排放和煤矿巷道的支护技术，地下气化技术等等都是煤矿绿色开采技术的主要内容。采用数值模拟的方法对这些技术进行研究，可以解决缺少实验设备和实地监测的问题。

（2）各种动力灾害及其控制技术的研究

各种动力源，例如地震波对采矿工程的进行带来了很大的挑战，带来了很多灾害。在这种情况下，煤矿井下容易发生瓦斯爆炸等灾难，运用数值模拟的方法进行分析，得出这些灾难对矿井岩体的稳定性的影响，达到减少动力灾害的发生和控制的作用。

（3）热力学的分析

煤炭的洁净利用在最近几年也在大力地推广发展，地下气化、围岩的运动的特点和规律都要进行热力学分析。在对煤炭地下气化的过程中的煤炭和围岩的力学特征进行研究的基础上，再深入地研究热力学分析。

（4）液体和固体的辆合作用

浅层的地下岩层有含水层，也有在开矿时引起的含水层失水情况，都关系到液体和固体的辆合作用，采用数值模拟的方法也能对该类问题进行分析研究。 （5）气体与固体的辆合作用

瓦斯突出的现象涉及到气体与固体的辆合作用，也需要通过数值模拟的方法进行分析，但仅仅是数值模拟的分析方法是不够的，还要结合一些其他的方法进行深入的研究.

（6）岩体蠕变的特点对开采过程中岩体稳定性的影响

岩体的蠕动特性随时间变化而变化，这个特性在软岩上表现的更加明显。况且软岩的在我国的分布范围广，在很多领域都有存在着岩体蠕动的情况，比如，采矿区、隧道和一些水利工程中。所以，运用数值模拟的方法对岩体的蠕动的研究是很紧迫的任务。

（7）三维数值模拟在采矿工程中的运用

平面模型作为一种比较传统的模型，很难将开采时围岩的关于时间和空间的复杂问题弄清楚，具有局限性，同时对于这些复杂的问题，平面模型也很难建立起模型。比如，当分析采矿中对巷道围岩的稳定性的影响时，需要分析研究采矿时的力学问题，平面模型是做不到的，只有建立立体模型才能将问题反映出来。所以，在分析采矿问题时，要将三维数值模拟的方法与平面模型结合起来，使得问题更加简单透彻。

（8）合理确定岩体力学参数的方法

通常用岩体的强硬度和岩体的完整性来衡量岩体的工程质量问题。实际上，岩体力学参数的准确可靠程度关系到数值模拟的结果，对其有决定性作用。所以，要进行数值模拟的分析，一定要首先对岩体力学参数的合理确定方法进行研究。

结语

采矿工程中的岩土问题有其特殊性，特别的就是在开采过程中的强烈影响都对围岩的稳定性造成影响，同时引起围岩应力的重新分布，带来的高应力作用，造成围岩大范围的移动，破裂和毁坏。针对采矿工程中的许多复杂不确定的因素，传统的平面模拟方法有很多局限性，近几年发展起来的数值模拟方法能够解决采矿工程中的很多复杂问题。

参考文献

［1］陈晓祥；谢文斌，采矿工程问题数值模拟研究与分析；中国矿业大学出版社，2005.

［2］吴国兴；数值模拟方法在采矿工程中的应用；世界有色金属，2010年第6期.

［3］姜守俊；采矿巷道围岩变形机理与支护效果数值模拟研究[D]；中国地质大学，2006