多元數值仿真技術在采礦工程實驗教學中的應用

解盤石，伍永平

（西安科技大學能源學院，西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西西安 710054）

多元數值仿真技術在采礦工程實驗教學中的應用

解盤石，伍永平

（西安科技大學能源學院，西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西西安 710054）

為了克服傳統采礦工程實驗教學存在的局限性，提出了多元數值仿真實驗方法，利用多種數值仿真方法對巖石力學特性、巷道與采場圍巖穩定性進行數值仿真，實現了復雜實驗的可重復、可視化，易操作，對鞏固采礦工程學生專業知識和完善實驗輔助教學手段具有重要意義。

采礦工程；實驗教學；多元數值仿真；教學改革

采用數值仿真方法對采礦過程進行數值模擬，不僅具有通用性強、方便靈活、可重復等特點，而且可以得到許多在常規實驗室實驗中難以觀測的重要信息，數值仿真可作為采礦工程專業實驗教學的重要補充。以西安科技大學采礦工程實驗教學為例，利用多元數值仿真方法對采礦工程巖石力學實驗與巷道、采場相關實驗進行輔助教學，使學生參與教學活動的主動性、創造性大為增強，加深了學生對專業知識的理解。

1 傳統采礦工程實驗課程教學手段的局限性

目前，在采礦工程實驗教學中，主要依賴于現場觀測和實驗室實物實驗［1］?，F場觀測對工程而言是非常必要的，但由于受到現場條件、人力、物力和財力的限制，這種方法很難在教學中實際操作。實物實驗雖直觀，但由于巖石破裂過程現象的復雜性，以及實驗室觀測手段、經費、時間等條件的限制，通常的巖石力學與采礦工程教學很難通過大量的實物實驗向學生直觀演示各種巖石變形、破壞的復雜現象。因此，數值仿真方法可能是輔助教學的有效手段。此外，在巖石力學方面，由于巖石介質的復雜性，傳統的測試方法很難全面反映巖石在變形、損傷演化和宏觀破壞過程中的應力場、變形場等重要信息，而數值仿真方法有可能取得較好的效果［2-4］。盡管材料破壞試驗對于材料科學研究者和工程技術人員來說是十分重要的，但與工程結構破壞密切相關的工程力學現象，如礦山沖擊地壓、邊坡失穩、混凝土結構（橋梁、大壩等）破壞、巷道破壞垮落等［5］，通過實驗室小型試樣的加載試驗是難以理解的，因為這些破壞不僅與構成工程結構的材料性質有關，而且還涉及復雜的工程結構。工程結構的多樣性給破壞分析帶來的復雜性是難以通過實驗室實驗進行系統的觀察研究的，數值仿真不失為很有前途的輔助手段。

2 多元數值仿真技術

多元數值仿真技術［6］是指針對所研究問題，充分發揮不同數值計算方法（有限差分法、有限元法、離散單元方法等）［7］的特點，運用2種或2種以上數值計算方法對問題進行全面研究，主要表現在：（1）注重利用各個數值計算方法去解決可發揮其優勢的工程問題；（2）在解決復雜工程問題過程中，注重發揮各個數值計算方法特點，解決該工程中的一部分問題，最終綜合各個仿真研究結果，實現對工程問題的全面研究；（3）注重計算過程中各個數值仿真結果之間或與現場工程實際相互驗證，相互校正，相互補充，達到對工程實際的模擬追蹤，實現數值仿真精細化；（4）注重對工程問題的各種現象的可視化仿真再現或是對未知問題的可視化仿真探索研究。

多元數值仿真技術體系（見圖1）主要包括基于有限差分原理（FLAC）［8］、有限單元原理（RFPA）［9］、離散元原理（UDEC）［10］和顆粒元原理（PFC）［11］的數值計算技術，不同數值計算方法針對不同的巖土工程問題。巖體非線性連續大變形問題主要利用有限差分法來研究，并輔以有限單元和離散元數值計算方法；巖體非線性破壞運動問題主要利用有限單元法來研究，并輔以其他2種數值計算方法；固體、氣體等流動問題主要利用離散元法來研究，并輔以其他2種數值計算方法等。

圖1 多元數值仿真技術體系

3 多元數值仿真技術在采礦工程實驗教學中的應用

3.1 基本巖石力學仿真實驗

利用多元數值仿真技術可實現巖石力學基本實驗中基本現象的計算機仿真再現（包括拉伸破壞、壓縮破壞、剪力破壞、多點彎曲等），讓學生看到力學實驗中無法看到的實驗現象，加深理解試件加載過程中應力分布與演化過程以及試件的破壞機制。圖2是巖石單軸壓縮過程仿真結果。

圖2 巖石單軸壓縮過程仿真

3.2 井巷工程仿真

巷道穩定性問題一直是煤礦開采過程中的一大難題，由于巷道形狀、支護形式、所處地質環境等多種因素交叉影響，導致了巷道變形、破壞的誘因復雜。結合現場實測和理論分析手段，利用數值仿真技術再現巷道變形破壞規律和找出變形破壞主因，并可以模擬不同的支護方式對巷道進行不同方案支護效果分析，使學生在實驗室就可以了解巷道失穩的規律，并利用已學知識對巷道變形破壞問題進行處理，達到了對原有知識的鞏固，加深了對井下巷道的主要變形和冒頂、底臌、片幫等破壞形式的認識。

多元數值仿真技術解決巷道問題的主要思路：注重利用各個數值計算方法去解決可以發揮其優勢的工程問題，對于巷道支護元素失效而導致巷道破壞問題，利用非線性大變形程序FLAC對不同圍巖條件下巷道變形過程進行模擬，研究其支護元素（錨桿、鋼梁等）的支護力學特性［12］并進行對比，選擇合理支護方案；對于巷道頂板冒落和片幫問題，應以離散元方法和巖石破裂過程分析RFPA為主，研究圍巖的破裂運移規律等。圖3顯示巷道頂板冒落仿真結果。

3.3 采場仿真

采場是采礦工程的主要作業空間，其巖體空間力學特征更為復雜，并伴有各中動力現象，支護體與圍巖相互作用保障支護空間的穩定性，同時，伴有采場后方上覆巖層周期性的垮落。運用多元數值仿真技術對采場問題進行研究，應注重發揮各個數值計算方法特點，針對采場支護穩定性問題、圍巖垮落問題、動力現象等，最終綜合各個仿真結果，從而實現對采場穩定性全面研究。對于較復雜的采場問題，如大傾角煤層開采等，應注重各個數值仿真結果的相互驗證，相互校正，相互補充，從而得到更接近實際采場的應力分布和巖層變形、移動特征，達到數值仿真精細化、可視化，讓學生深入了解采礦活動造成的圍巖運移規律，加深對采場瓦斯、透水等災害形成機理的認識。圖4是采場巖層破壞仿真結果。

圖3 巷道頂板冒落數值仿真結果

圖4 采場巖層破壞、移動數值仿真結果

4 結束語

利用計算機仿真技術進行輔助教學是對傳統采礦工程教學改革的一種嘗試，多元數值仿真技術不僅具有通用性強、方便靈活、可重復等特點，而且可以得到許多在常規實驗中難以觀測的重要信息，可從多種仿真角度加深學生對物理現象的理解，實現實物實驗無法完成的內容，提高學生創新實踐能力。

（References）

［1］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2003.

［2］王述紅，唐春安，朱萬成，等.數值試驗在巖石力學實驗教學中的應用［J］.實驗技術與管理，2003，20（6）：140-143.

［3］唐春安.采動巖體破裂與巖層移動數值試驗［M］.長春：吉林大學出版社，2003.

［4］謝文兵.采礦工程問題數值模擬研究與分析［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2005.

［5］周維垣，楊強.巖石力學數值計算方法［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［6］李鵬博，解盤石，李瑞斌，等.多元數值仿真技術在開采研究中的應用［J］.陜西煤炭，2011（2）：53-55.

［7］孔德森，欒茂田.巖土力學數值分析方法研究［J］.巖土工程技術，2005，19（5）：249-253.

［8］Itasca Consulting Group.FLAC3D（2.1）User’s Manual［M］.Inc Minnesota，USA，2002.

［9］大連力軟科技有限公司.RFPA用戶使用手冊［M］.中國：大連力軟科技有限公司，2003.

［10］Itasca Consulting Group.UDEC（3.1）User’s Manual［M］.Inc Minnesota，USA，2000.

［11］Itasca Consulting Group.PFC（3.0）User’s Manual［M］.Inc Minnesota，USA，2002.

［12］樊永寧，解盤石，來興平，等.深部復雜應力環境下巷道破壞固流耦合數值模擬分析［J］.西安科技大學學報，2007，27（1）：1-4.

Application of multi-numerical-simulation technology in mining engineering experimental teaching

Xie Panshi，Wu Yongping
（Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention of Ministry of Education，School of Mineral Engineering.Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

In order to solve the disadvantages in mining engineering experiment teaching，this article puts forward the multi-numerical-simulation technology，using multi-simulation methods to analyse the rock mechanics characteristic，stability of rock around the roadway and working face，and realizes the repeatability，visualization and easy operation in complex experiment，which is very important for students to consolidate mining engineering knowledge and has the significance for perfecting the experiment aided teaching means.

mining engineering；experiment teaching；multi-numerical-simulation experiment；teachingreform

TD178；TP391.9

B

1002-4956（2013）03-0089-03

2012-06-21 修改日期：2012-08-30

國家自然科學基金（51074120）；國家青年科學基金（51204132）；西安科技大學培育基金（2010049）

解盤石（1981—），男，陜西三原，博士，工程師，從事復雜煤層開采與數值模擬方面的研究.

E-mail：tay584＠qq.com