數(shù)值計算方法在采礦工程中的應(yīng)用

【摘要】現(xiàn)在的采礦工程已不僅是開采問題，而且還要注意圍巖穩(wěn)定性和巖層控制。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計算在采礦問題分析中得到廣泛的應(yīng)用。其中應(yīng)用最多的數(shù)值方法有：有限差分法、有限元法、邊界元法、加權(quán)余量法半解析元法、剛體元法、非連續(xù)變形分析法、離散元法等。根據(jù)采礦工程的自身特點，數(shù)值模擬在解決該問題的作用越來越大。

【關(guān)鍵詞】采礦工程;數(shù)值模擬;圍巖穩(wěn)定;巖層控制

1、引言

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計算在采礦和巖土工程問題分析中得到了廣泛的應(yīng)用。其中應(yīng)用最多的數(shù)值方法有：有限差分法、有限元法、邊界元法、加權(quán)余量法半解析元法、剛體元法、非連續(xù)變形分析法、離散元法等。從20世紀60～70年代開始國際上很多機構(gòu)開始開發(fā)有限元算法的分析軟件，其中國際著名的有限元分析軟件有ADINA、ANSYS、MSC等。但由于不是專門為巖土和采礦工程而開發(fā)，在解決某些巖土和采礦問題，如分析軟巖巷道的大變形和采礦工程中頂板垮落等問題時經(jīng)常很難計算，于是專門為巖土和采礦工程數(shù)值分析軟件應(yīng)運而生，如FLAC、UDEC、RFPA等。這些軟件都可以與CAD軟件無縫集成，具有自動建模能力，可求解非線性問題和耦合場，同時程序具有開放性。

2、數(shù)值模擬方法基本原理

數(shù)值分析軟件都是基于彈性理論解決巖體非線性變形與破壞問題的數(shù)值方法。巖體是一種脆性極強的材料，往往在受力不大時就發(fā)生破壞與斷裂，大多數(shù)軟件基于巖體的此特性，通過引進“基元”與“相變”的微觀概念，建立了彈性損傷力學(xué)這一數(shù)學(xué)模型。

3、數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應(yīng)用

3.1數(shù)值模擬的步驟

采礦工程中的數(shù)值模擬可分為以下步驟：1）確定模型分析目的;2）創(chuàng)建物理系統(tǒng)的概念圖;3）建立和運行簡單的理想化模型;4）收集具體問題的數(shù)據(jù);5）準備一系列詳細的模型來運行;6）完成模型計算;7）提出結(jié)果用于解釋。按照以上的步驟，可以有效解決采礦工程中的巖土工程問題。

3.2存在的主要問題

采礦工程中巖土工程問題尤為突出，如煤礦沖擊地壓、瓦斯突出、采場頂板垮落、覆巖移動及控制、采動引起的高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制、深部開采的地溫和地壓、煤炭地下氣化和煤柱的長期穩(wěn)定性等問題，都需要研究。而采礦工程問題中，必須研究材料和結(jié)構(gòu)破壞后的力學(xué)行為，其存在的主要問題可分為兩大類：

（1）采場圍巖控制問題，即巖體結(jié)構(gòu)是如何破斷的，破斷后的巖塊是否趨于穩(wěn)定狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后的形態(tài)變化。采動應(yīng)力場是指礦體采出后圍巖內(nèi)重新分布的應(yīng)力場，它是巖體變形-破裂-運動之源。對于煤礦采動覆巖來說，大部分覆巖的及時垮落是必須的，但覆巖的垮落將對采場形成來壓;巖層內(nèi)部造成裂隙和離層，引起氣體和水體的運移;地表沉陷造成地面建筑、道路、水體及環(huán)境的嚴重破壞。因此，必須研究覆巖的活動規(guī)律及巖層控制技術(shù)。

（2）巷道圍巖控制問題，即開采后覆巖移動、變形和破壞導(dǎo)致圍巖應(yīng)力場的變化，隨著礦體的采出，在采場兩側(cè)和前后方圍巖內(nèi)均要形成采動應(yīng)力集中，特別是垂直方向上的支承壓力集中，峰值可達（3～5）γH（其中γ為巖體的體積力;H為采深），甚至還要高。在深部開采時，如采場兩側(cè)巷道圍巖受支承壓力峰值影響，必將給巷道圍巖控制造成嚴重困難。有些巷道受一次采動影響即全部毀壞，有時則使巷道圍巖的變形呈流變狀態(tài)，并且在一般的支護條件下難以克服。由于工作面周圍巷道服務(wù)時間短，此類巷道雖變形較大，但只要在巷道服務(wù)期內(nèi)能保證巷道的正常安全使用即可。

3.3 采礦工程中數(shù)值模擬的應(yīng)用

采礦工程數(shù)值模擬方法必須要反映采礦工程問題的特點，在數(shù)值模擬軟件的取向上更偏重于能反映采礦工程問題特點的專業(yè)化軟件。實際上，開采引起的覆巖移動變形有其自身的規(guī)律和特殊性，要結(jié)合采礦工程問題的特點，對采礦工程數(shù)值力學(xué)分析方法的各個方面，包括數(shù)值計算方法、模型的合理范圍和邊界條件等需要進行專門的研究。

（1）新型開采工藝研究。隨著環(huán)境保護意識和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展理念的增強，提出了煤礦綠色開采技術(shù)，其內(nèi)容主要包括：1）水資源保護，形成“保水開采”技術(shù);2）土地與建筑物保護開采技術(shù)，如離層注漿、充填與條帶開采技術(shù);3）瓦斯抽放，形成“煤與瓦斯共采”技術(shù);4）煤層巷道支護與減少矸石排放技術(shù);5）地下氣化技術(shù)。

（2）各種動力災(zāi)害及控制技術(shù)研究。地震波及各種動力源對各種巖土工程帶來極大的危害，煤礦井下經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯突出和沖擊地壓，進一步采用數(shù)值模擬方法從機理上分析這些現(xiàn)象對工程巖體穩(wěn)定性的影響、研究消除或減輕這些危害的技術(shù)措施。

（3）熱力學(xué)分析。近年來，大力發(fā)展煤炭的潔凈利用，煤炭地下氣化、圍巖的活動規(guī)律及巖層控制問題需要采用數(shù)值力學(xué)分析方法進行熱力學(xué)分析。要深入研究該問題，首先要研究煤層及圍巖在煤炭地下氣化過程中的力學(xué)特性。

（4）固體與液體的耦合作用。淺部地下巖層存在大量含水層，煤礦井下開采引起大量含水層失水，如底板突水等;此外井巷支護中的注漿加固、堵水等，都涉及到流體或固體、液體和氣體的多種耦合作用，研究該問題同樣需要采用數(shù)值模擬方法進行分析。

（5）固體與氣體的耦合作用。瓦斯突出是煤礦常見的一種動力現(xiàn)象，煤層中的瓦斯具有很高的吸附性。對于這種固體與氣體的耦合作用如何進行數(shù)值模擬需要結(jié)合其它方法進行研究。

4、結(jié)語

采礦工程中的巖土工程問題有其自身的特點，主要表現(xiàn)在采礦領(lǐng)域的大部分圍巖穩(wěn)定性都涉及到開采引起的強烈影響，引起圍巖應(yīng)力重新分布帶來的高應(yīng)力作用以及圍巖的移動和嚴重破裂，導(dǎo)致研究的復(fù)雜化。但是由于采礦工程問題多處于地下，存在很多不確定因素，還有很多問題需要通過數(shù)值模擬的手段進行更深入的研究。

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作者簡介：楊桂松（1984.10-），男，漢族，河南焦作人，專科，助理工程師，畢業(yè)于河南工程技術(shù)學(xué)校，研究方向：采礦工程。