采矿工程中数值模拟的应用

采矿工程中数值模拟的应用

作者：李强

来源：《科技信息·上旬刊》2017年第06期

摘要：围岩稳定性及其控制在采矿工程中至关重要，数值模拟的开放性和兼容性较强，可使存在于传统分析方法中的常见问题得到妥善解决，并得以广泛应用于采矿工程中。本文针对目前采矿工程中应注意的常见问题进行了较深入地分析，并对采矿工程中数值模拟的具体应用进行了初步探讨。

关键词：围岩稳定性；数值模拟；采矿工程

1. 前言

随着近年来计算机技术的不断发展，在采矿工程中数值模拟的应用日渐广泛。数值模拟方法较多，比较常用的主要有边界元法、有限元法、半解析元法、离散元法、有限差分法、加权余量法、流行元法、刚体元法、非连续变性分析法及无界元法等，其中应用最广泛的方法是有限元法。有限元法在航空航天领域得到最早应用，自20世纪60至70年代以来，分析有限元算法软件得以研发完成，但这些分析软件并非针对采矿工程开发的，所以，应用在采矿工程中存在的难度也较大。随之研发完成针对采矿工程领域的数值分析软件，这类软件都具有较强的自动建模能力，并具有较强的程序开放性。

2. 采矿工程中目前的常见问题

2.1 控制采场围岩的相关问题

控制采场围岩问题主要是控制岩块稳定状态、岩体结构破断问题、失稳结构后的形态变化情况等方面的问题。随着不断推进采场围岩工作面，其坚固性不断提高，进而从连续体向块体破断，重新排列后块体将形成自然结构，在覆岩自重的作用下自然结构运用及变化，直至产生失稳状况而导致地表产生一定程度的塌陷。采动应力主要是指采出后的矿体重新在围岩内形成压力场，岩体产生破裂、变形及运动就是因采动应力这一根源。但因原岩应力和应力场在开采后的测定难度较大，所以，无论是在现场还是理论方面对采动应力进行测定都呈现成熟度不够的问题。采动岩体受采动应力的影响容易产生变形甚至破裂等问题，块状围岩体破裂后将形成堆砌结构，若该结构达不到稳定性将引发岩体运动，进而形成新的块状堆砌结构。对于煤矿中的大部分采动覆岩而言，比较常见而一定存在的及时垮落情况，将严重影响工作面的安全。但垮落的覆岩使采场来压形成，进而引起岩层内部产生离层和缝隙，水体及气体发生一定程度的位移，直至产生地表塌陷，严重危害地面道路、环境、水体及建筑。所以，对覆岩的活动规律采矿工程人员应详细掌握，对岩层控制技术开展相关研究，进而使地表塌陷引发的相关问题得到妥善解决。

2.2 控制巷道围岩的相关问题

控制巷道围岩的相关问题主要是指覆岩在开采后产生的变形、移动和破坏，影响围岩应力场、受开采影响巷道围岩在工作面周围的稳定性程度、在采动影响下控制巷道围岩技术等。巷道围岩受开采相邻工作面的影响，支撑压力将对其稳定性产生一定程度的影响。所以，基于巷道围岩移动变形特点，并与围岩实际状况相结合，科学选择支护方式及具体参数。

3. 采矿工程中数值模拟的应用

3.1 分析采矿工程的数值模拟方法

结合采矿工程问题特点，纵观数值模拟方法的发展，采矿工程数值模拟方法充分反映出采矿工程的特点，基本上使数值模拟软件成为对采矿工程问题特点进行客观反映的一种专业化软件。由开采引起的覆岩移动变形具有其规律和特点，所以，应基于采矿工程问题的实际特点，针对采矿工程数值力学的分析方法开展相关研究，特别是对有模型的合理范围、数值的计算方法及边界条件等层面开展较为深入地研究工作。

3.2 新型开采工艺的相关研究

环境保护近年来备受重视并成为十分重要的一项工作，矿业部门应考虑经济可持续发展如何实现的问题，基于此背景，应运而生了煤矿绿色开采技术。该技术的主要内容有：一是保护水资源主要是保水开采技术；二是主要是填充、离层注浆及条带开采等保护建筑物和土地开采技术；三是主要是煤与瓦斯共采技术等瓦斯抽放技术；四是煤层巷道支护及矸石排放控制技术；五是地下气化技术。在很多方面，煤炭绿色开采技术都属于技术比较前沿的研究课题，因不具有良好的试验设备，现场难以获得准确的检测结果，应采取数值模拟方式分析研究，以提高技术的前瞻性。研究新型煤炭开采工艺的过程中，不只是研究开采造成的覆岩移动变形规律及控制岩层技术等相关内容，还应深入研究填充材料等的力学特性。

3.3 热力学的相关研究

煤炭清洁利用目前已成为较为重要的发展方向之一，分析围岩活动规律、煤炭地下气化及控制岩层等方面的问题，应采用数值力学中的热力学分析方法。研究分析前，在煤炭地下气化中准确把握煤层和围岩的力学特性。

3.4 工程岩体稳定性受岩体蠕变特性的影响

随时间的推移，岩体强度将产生一定程度的变化，而岩体蠕变特性属于其固有特性，更突出的就是软岩的岩体蠕变特性。在软岩矿井分布上我国十分广泛，所以，岩体蠕变特性对很多矿区工程岩体的稳定性都产生一定程度的影响。此外，该情况普遍存在于水利工程、地铁隧道

等众多领域。深入研究分析岩体蠕变特性，对于各种岩土工程提高稳定性具有重要作用。随着矿井近年来呈现出逐渐衰老的实际情况，在采煤中很多矿井都存在房柱式、条带式及填充式等比较严重的开采问题，无法确保煤柱和填充体的长期稳定，所以，对岩体蠕变特性应充分利用数值模拟方法开展比较深入地研究工作。

3.5 三维数值模拟的相关应用

在力学行为方面，围岩地下开采与其时间空间等因素都具有十分密切的联系，若只是利用传统平面模型不能充分反映出问题的实质，也容易在建模中产生一定程度的困难。所以，应建立立体模型分析研究采矿工程中的问题。若采用三维数值模拟方法，花费的时间和人力都较多。所以，将平面问题有机结合三维数值模拟是目前最好的一种方法。

4. 结语

综上所述，围岩稳定性及其控制在采矿工程中至关重要，开采过程对采矿工程围岩稳定性的影响，将重新分布围岩应力，进而使高应力产生，直至造成围岩发生破裂和较大范围的位置移动，增大研究难度。数值模拟软件的开放性兼容性都较强，可深入分析研究采矿工程问题的相关特点。但在实际研究中也存在很多不确定因素。所以，采矿单位应对数值模拟的重要性充分提高认识，对目前采矿工程中的常见问题进行较深入地分析，并在采矿工程研究中科学合理地应用数值模拟技术，对于提高采矿工程中的围岩稳定性具有十分重要的作用。

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