數值模擬在采礦工程中的應用

吳昊

摘 要：在采礦工程中，圍巖的穩定性和巖層的控制工作格外重要，數值模擬具有較強的開放性和兼容性，能夠有效解決傳統分析方法中存在的問題，因此，在采礦工程中得到了較為廣泛的應用。文章就來分析一下當前采礦工程中的需要注意的問題和數值模擬在采礦工程中的具體應用。

關鍵詞：數值模擬；采礦工程；問題；應用

隨著計算機技術的迅速發展，數值模擬發在采礦工程中得到了越來越廣泛的應用。數值模擬方法主要包括有限元法、有限差分法、半解析元法、邊界元法、剛體元法、加權余量法、離散元法、非連續變性分析法、流行元法和無界元法等，其中，有限元法的應用是最廣泛的。有限元法最早應用與航空航天領域，二十世紀六十到七十年代開始，有限元算法的分析軟件開始被研究和開發出來，但是，這些分析軟件都不是針對采礦工程開發的，因此，在采礦工程中進行應用時面臨著較大的困難。而后，針對采礦工程行業的數值分析軟件就應運而生了，這些軟件的自動建模能力較強，而且程序的開放性較強。

1 當前采礦工程中存在的問題

1.1 采場的圍巖控制問題

采場圍巖控制問題主要指的是巖體結構的破斷問題、巖塊的穩定狀態、結構失穩后的形態變化情況等的控制。采場圍巖的堅固性是隨著工作面的推進增加的，然后從連續體破斷為塊體，塊體重新排列后會形成自然結構，自然結構在覆巖自重的作用下運用和變化，最終會出現失穩的情況，造成地表塌陷。

采動應力指的是礦體采出以后，在圍巖內重新形成的壓力場，采動應力也是巖體出現破裂、變形和運動的根源。然而，由于原巖應力和開采后應力場得測定存在困難，因此，采動應力無論是在現場測定還是理論方面都不夠成熟。在采動應力的影響下，采動巖體會出現變形甚至破裂的情況，破裂后的塊狀圍巖體會形成堆砌結構，如果堆砌結構失穩，將會出現巖體運動，然后形成新的塊狀堆砌結構。

對于大部分煤礦采動覆巖來說，及時垮落的情況是常見的也是必須存在的，不然，工作面的安全將會受到嚴重威脅。然而，覆巖的垮落對形成采場來壓，使巖層內部出現離層和縫隙，從而使水體和氣體產生位移，最終造成地表塌陷，對地面道路、建筑、環境和水體造成嚴重危害。因此，采礦工程人員要掌握覆巖的活動規律，研究巖層控制技術，有效解決地表塌陷帶來的問題。

1.2 巷道圍巖的控制問題

巷道圍巖的控制問題主要指開采以后覆巖的變形、移動和破壞對圍巖應力場得影響、工作面周圍巷道圍巖的穩定性受到開采的影響程度、巷道圍巖在采動影響下的控制技術等。在相鄰工作面開采的影響下，巷道圍巖的穩定性會受到支撐壓力的影響，因此，要從巷道圍巖的移動變形特征出發，并且結合圍巖的實際狀況，對支護方式和具體參數進行科學選擇。

2 數值模擬在采礦工程中的應用

2.1 采礦工程的數值模擬方法分析

根據采礦工程問題的特點和數值模擬方法的發展過程可以看出，采礦工程數值模擬方法要將采礦工程的特點充分反映出來，數值模擬軟件基本上是能夠反映采礦工程問題的特點的專業化軟件。覆巖移動變形是由開采引起的，有著自己的規律和特點，因此，要從采礦工程問題的特點出發，研究采礦工程數值力學的分析方法，主要的研究層面有模型的合理范圍、數值的計算方法和邊界條件等。

2.2 新型開采工藝研究

如今，環境保護成為一項重要工作，如何實現經濟的可持續發展是礦業部門需要考慮的問題，在這種背景下，煤礦綠色開采技術就應運而生了。煤炭綠色開采技術主要內容有：第一，水資源保護技術，主要是保水開采技術。第二，建筑物和土地保護開采技術，包括填充技術、離層注漿技術、條帶開采技術等。第三，瓦斯抽放技術，主要是煤與瓦斯共采技術。第四，煤層巷道支護技術與控制矸石排放技術。第五，地下氣化技術。煤炭綠色開采技術的眾多方面都是前沿性的研究課題，由于試驗設備不足，現場檢測結果不準確，需要使用數值模擬的方式對其開展具有前瞻性的分析和研究。對新型煤炭開采工藝進行研究時，不僅要對開采引起的覆巖移動變形規律和巖層控制技術進行研究，還要對填充材料的特性等材料力學特性進行深入研究。

2.3 熱力學研究

如今，煤炭的清潔利用成為一個重點發展方面，對圍巖的活動規律、煤炭的地下氣化以及巖層控制問題進行分析時，需要利用數值力學分析法中的熱力學分析。在進行研究分析之前，要對煤層和圍巖在煤炭地下氣化過程當中的力學特性有明確把握。

2.4 巖體蠕變特性影響工程巖體的穩定性

巖體強度會隨著時間而發生變化，而巖體蠕變特性是巖體強度的固有特性，而且，軟巖的巖體蠕變特性更為突出。我國的軟巖礦井有著相當廣泛的分布，因此，大多數礦區工程巖體的穩定性都會受到巖體蠕變特性的影響，另外，這種情況在水利工程、地鐵隧道等各個領域都普遍存在。因此，要對巖體蠕變特性進行詳細的研究和分析，以提高各種巖土工程的穩定性。近幾年來，礦井面臨衰老的危機，多數礦井在采煤過程中都存在著較大問題，房柱式開采、條帶式開采和填充式開采等，都不能保證煤柱和填充題的長期穩定性，因此，要利用數值模擬方法對巖體蠕變特性進行深入研究。

2.5 三維數值模擬的應用

地下開采圍巖的力學行為與空間和時間等都有著緊密聯系，如果僅采用傳統的平面模型并不能將問題的實質充分反映出來，而且建模過程中存在著較大困難。因此，需要建立有效的立體模型，對采礦工程中的問題進行研究和分析。如果使用三維數值模擬，需要花費較多的時間和人力，因此，最好的方式是把平面問題與三維數值模擬進行結合。

3 結束語

采礦工程的圍巖穩定性受到開采過程的影響，會使圍巖應力重新分布，從而產生高應力，最終導致圍巖的破裂和大范圍移動，使研究面臨著較大困難。數值模擬軟件具有較強的開放性，能夠對采礦工程問題的特點進行深入研究。但是，在研究過程中，也面臨著一些不確定因素。因此，采礦單位要認識到數值模擬的重要性，分析當前采礦工程中存在的主要問題，并且將數值模擬技術合理應用到采礦工程研究過程中。

參考文獻

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