數(shù)值模擬在采礦工程中的應(yīng)用

吳昊

摘 要：在采礦工程中，圍巖的穩(wěn)定性和巖層的控制工作格外重要，數(shù)值模擬具有較強(qiáng)的開放性和兼容性，能夠有效解決傳統(tǒng)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(yīng)用。文章就來分析一下當(dāng)前采礦工程中的需要注意的問題和數(shù)值模擬在采礦工程中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；采礦工程；問題；應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬發(fā)在采礦工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。數(shù)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(quán)余量法、離散元法、非連續(xù)變性分析法、流行元法和無界元法等，其中，有限元法的應(yīng)用是最廣泛的。有限元法最早應(yīng)用與航空航天領(lǐng)域，二十世紀(jì)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(fā)出來，但是，這些分析軟件都不是針對(duì)采礦工程開發(fā)的，因此，在采礦工程中進(jìn)行應(yīng)用時(shí)面臨著較大的困難。而后，針對(duì)采礦工程行業(yè)的數(shù)值分析軟件就應(yīng)運(yùn)而生了，這些軟件的自動(dòng)建模能力較強(qiáng)，而且程序的開放性較強(qiáng)。

1 當(dāng)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(jié)構(gòu)的破斷問題、巖塊的穩(wěn)定狀態(tài)、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后的形態(tài)變化情況等的控制。采場圍巖的堅(jiān)固性是隨著工作面的推進(jìn)增加的，然后從連續(xù)體破斷為塊體，塊體重新排列后會(huì)形成自然結(jié)構(gòu)，自然結(jié)構(gòu)在覆巖自重的作用下運(yùn)用和變化，最終會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的情況，造成地表塌陷。

采動(dòng)應(yīng)力指的是礦體采出以后，在圍巖內(nèi)重新形成的壓力場，采動(dòng)應(yīng)力也是巖體出現(xiàn)破裂、變形和運(yùn)動(dòng)的根源。然而，由于原巖應(yīng)力和開采后應(yīng)力場得測定存在困難，因此，采動(dòng)應(yīng)力無論是在現(xiàn)場測定還是理論方面都不夠成熟。在采動(dòng)應(yīng)力的影響下，采動(dòng)巖體會(huì)出現(xiàn)變形甚至破裂的情況，破裂后的塊狀圍巖體會(huì)形成堆砌結(jié)構(gòu)，如果堆砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，將會(huì)出現(xiàn)巖體運(yùn)動(dòng)，然后形成新的塊狀堆砌結(jié)構(gòu)。

對(duì)于大部分煤礦采動(dòng)覆巖來說，及時(shí)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(huì)受到嚴(yán)重威脅。然而，覆巖的垮落對(duì)形成采場來壓，使巖層內(nèi)部出現(xiàn)離層和縫隙，從而使水體和氣體產(chǎn)生位移，最終造成地表塌陷，對(duì)地面道路、建筑、環(huán)境和水體造成嚴(yán)重危害。因此，采礦工程人員要掌握覆巖的活動(dòng)規(guī)律，研究巖層控制技術(shù)，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(dòng)和破壞對(duì)圍巖應(yīng)力場得影響、工作面周圍巷道圍巖的穩(wěn)定性受到開采的影響程度、巷道圍巖在采動(dòng)影響下的控制技術(shù)等。在相鄰工作面開采的影響下，巷道圍巖的穩(wěn)定性會(huì)受到支撐壓力的影響，因此，要從巷道圍巖的移動(dòng)變形特征出發(fā)，并且結(jié)合圍巖的實(shí)際狀況，對(duì)支護(hù)方式和具體參數(shù)進(jìn)行科學(xué)選擇。

2 數(shù)值模擬在采礦工程中的應(yīng)用

2.1 采礦工程的數(shù)值模擬方法分析

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

2.2 新型開采工藝研究

如今，環(huán)境保護(hù)成為一項(xiàng)重要工作，如何實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展是礦業(yè)部門需要考慮的問題，在這種背景下，煤礦綠色開采技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生了。煤炭綠色開采技術(shù)主要內(nèi)容有：第一，水資源保護(hù)技術(shù)，主要是保水開采技術(shù)。第二，建筑物和土地保護(hù)開采技術(shù)，包括填充技術(shù)、離層注漿技術(shù)、條帶開采技術(shù)等。第三，瓦斯抽放技術(shù)，主要是煤與瓦斯共采技術(shù)。第四，煤層巷道支護(hù)技術(shù)與控制矸石排放技術(shù)。第五，地下氣化技術(shù)。煤炭綠色開采技術(shù)的眾多方面都是前沿性的研究課題，由于試驗(yàn)設(shè)備不足，現(xiàn)場檢測結(jié)果不準(zhǔn)確，需要使用數(shù)值模擬的方式對(duì)其開展具有前瞻性的分析和研究。對(duì)新型煤炭開采工藝進(jìn)行研究時(shí)，不僅要對(duì)開采引起的覆巖移動(dòng)變形規(guī)律和巖層控制技術(shù)進(jìn)行研究，還要對(duì)填充材料的特性等材料力學(xué)特性進(jìn)行深入研究。

2.3 熱力學(xué)研究

如今，煤炭的清潔利用成為一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方面，對(duì)圍巖的活動(dòng)規(guī)律、煤炭的地下氣化以及巖層控制問題進(jìn)行分析時(shí)，需要利用數(shù)值力學(xué)分析法中的熱力學(xué)分析。在進(jìn)行研究分析之前，要對(duì)煤層和圍巖在煤炭地下氣化過程當(dāng)中的力學(xué)特性有明確把握。

2.4 巖體蠕變特性影響工程巖體的穩(wěn)定性

巖體強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生變化，而巖體蠕變特性是巖體強(qiáng)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(dāng)廣泛的分布，因此，大多數(shù)礦區(qū)工程巖體的穩(wěn)定性都會(huì)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(gè)領(lǐng)域都普遍存在。因此，要對(duì)巖體蠕變特性進(jìn)行詳細(xì)的研究和分析，以提高各種巖土工程的穩(wěn)定性。近幾年來，礦井面臨衰老的危機(jī)，多數(shù)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(wěn)定性，因此，要利用數(shù)值模擬方法對(duì)巖體蠕變特性進(jìn)行深入研究。

2.5 三維數(shù)值模擬的應(yīng)用

地下開采圍巖的力學(xué)行為與空間和時(shí)間等都有著緊密聯(lián)系，如果僅采用傳統(tǒng)的平面模型并不能將問題的實(shí)質(zhì)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(duì)采礦工程中的問題進(jìn)行研究和分析。如果使用三維數(shù)值模擬，需要花費(fèi)較多的時(shí)間和人力，因此，最好的方式是把平面問題與三維數(shù)值模擬進(jìn)行結(jié)合。

3 結(jié)束語

采礦工程的圍巖穩(wěn)定性受到開采過程的影響，會(huì)使圍巖應(yīng)力重新分布，從而產(chǎn)生高應(yīng)力，最終導(dǎo)致圍巖的破裂和大范圍移動(dòng)，使研究面臨著較大困難。數(shù)值模擬軟件具有較強(qiáng)的開放性，能夠?qū)Σ傻V工程問題的特點(diǎn)進(jìn)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(rèn)識(shí)到數(shù)值模擬的重要性，分析當(dāng)前采礦工程中存在的主要問題，并且將數(shù)值模擬技術(shù)合理應(yīng)用到采礦工程研究過程中。

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