采矿工程中数值模拟的应用
数值模拟在采矿工程中的应用
技术 ， 瓦斯抽放技术 ， 煤层巷道支护及矸石排放减少技术 ， 地下气化 这些技术的研究课题较 随着 近年来计算机技术 的快速发 展 ， 诸 如有 限差分法 、 非连 续 技术等 内容的煤矿绿色开采技术应运而生 ， 变形分析法 、 边界元法 、 离散元法等数值计算方 法在采矿及岩 土工 为前 沿 ， 如试 验设 备与现场监测不 足情 况下 ， 就要 结合数值模 拟方 生 研究 。 如煤矿新型开采工艺不仅研究覆岩 程问题分 析中的应用 日 益广泛 ， 在这些数值方法 中特别是有限元法 法开展相关理论的前瞻 Ｉ 应用 的最 为广 泛 ， 该方法最早 在航 空航 天领域应用 ， 用于对线形 结 由于受 到开采作 用影 响而发生 的移动变形 规律及控 制岩 层技术 ， 构问题的求解 。 还要 开展如充填材料特性等有关 的材料力学特性研究 。 ３ ． ３ ＿ ３动力 灾害及控制技术研究。 地震波及各种动力源会 严重 危 国际上很 多机 构在 二十世纪六七 十年代 开始有 限元算 法分析 如煤矿井下 经常发生的瓦斯突 出和冲击地压 ， 要通 过 软件 的研发 ， 尤其 以 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 、 Ａ Ｄ Ｉ Ｎ Ａ等分析软件最为著名 。但 因这 害岩土工程 ， 些软件不是针对岩土及采矿工程研发 ， 在对软岩巷道大变形及顶板 数值模拟方法分析影响工程岩体稳定性的机理 ， 针对上 述动力危 害 垮落 等实 际问题 的分析计算 时具有很大难度 ，这就催生 了 Ｕ Ｄ Ｅ Ｃ、 制定消除或减 轻的技术措施 。 ３ ． ３ ． ４热力学分析。随着煤炭洁净利用 的发展 ， 在煤炭气化过程 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ等针对 岩土及 采矿工程数 值分 析的软件 ，这些软件 能够 与 Ｃ Ａ Ｄ软件实现无缝集成 ， 自动建模能力可靠性强 ， 能够实现非线性 中基于煤层及围岩的力学特性开展相关研究 ， 采用数值力学分析煤 问题和耦合场 的求解 ， 程序具有 良好 的开放性 。 炭地下气化 、 围岩活动规律及控制岩层 问题 的热力学规律。 ３ ． ３ ． ５固液体耦合作用。大量含水层存在 于地下浅部 岩层 ， 煤矿 ２ 数 值 模 拟方 法原 理 井下 开采会造成含水层 大量 失水 等情 况。这都 涉及 到流体 或固体 、 很多数值分析软件采用 的数 值方法都是运用 弹性理论对 岩体 非线性变形与破坏 问题进行解决 ， 运用宏观非线性与微观线弹性 的 液体 与气体之 间的多种耦合作用 ， 这类 问题也要采用数值模拟方法 划分原则对岩体 的特殊质地材料 进行 分析 ， 岩体单元微观上相对较 进行研究分析 。 ３ ． ３ ． ６固气 体耦合作用 。 瓦斯突出作 为一种动力现象在煤矿中较 均质 ， 弹性变形特征强 ； 而且因存 在节 理裂隙 ， 使微元间接触具有非 连续性 特征 ； 岩体宏 观上是脆性极强 的一种材料 ， 通常受力 较小 时 为常见 ， 由于煤层 中瓦斯 的吸附性很高 ， 因此 固体 与气 体之 间的耦 就容易发生破坏与断裂 。多数软件都是基于该特性 ， 构建完成弹性 合作用要结合其它方法进行数值模拟以开展相关研究工作。 ３ ． ３ ． ７深部开采软岩巷道 围岩控制技术 。 高应力软岩巷道的支护 损伤力学数学模型实现数值模拟功能。 问题会随采深增加 而更加突 出， 在开采条件下针对深部巷道围岩开 ３ 采矿工程中数值模拟的应 用 ３ ． １ 数值模拟步骤 。 采矿工程中的数值模拟通常分为确定模型 、 展相关控制机理及技术研究工作 。通常巷道 围岩受采动影 响 ， 易出 要采用数值模拟方法对巷道 围岩受采动影响而发生 创建系统概念 图、 构建理想化模 型、 收集 问题数据 、 准备模 型运行 、 现不均匀变形 ， 的移动变形特征进行研究 ， 以针对 围岩制定科学合理 的控制技术措 模型计算 、 提出结果七个步骤解决采矿工程 中的岩土工程问题 。 ３ ． ２存在的主要 问题 。 诸如瓦斯突出 、 煤矿冲击地压 、 顶板垮落 、 施。 ３ ． ３ ． ８工程岩体稳定性受岩体 蠕变特性 的影响。 蠕变特性作为岩 高应力软岩巷道 围岩控制等岩土工程 问题作 为采矿工程 中的突出 体强度随时间变化 的固有特性 ， 尤其对于软岩更为 明显 。国内软岩 问题 ， 需要进行较深入地研究 。而采矿工作面上覆岩层难免 出现断 裂、 损伤及失稳现象 ，要尽可能杜绝该类情况发生 。固体力学 目前 矿井广泛分布 ， 很多矿区 、 水利 、 地铁 隧道等都存在类似 问题 。研究 只能对 理想 弹性 、 塑性和损伤体实现可靠变形与受力分 析 ， 但在采 分析岩体 蠕变特性对于岩土工程的长期稳定性具有重要保障作用 ， 开 采方 式不 场 中更 多的是结构或材料破坏后 的力学 行为及结构破 坏和失稳 的 近年来众多矿井在采煤过程 中都 出现较为突出的问题 ， 条带式 或是 充填式 ， 都 具有煤柱或充填体 的稳定性 问 全过程 ， 不同区域 的岩体在工作面周围具有较大 的力学性 能变化差 管是房柱式 、 异。采动岩体作为连续 与非连续耦合 的一种复杂介质 ， 通 常材料 和 题 ， 需要利用数值模拟方法开展较为深入地研究工作。 结 束 语 结 构破坏 的岩土工程问题没有任何研究价值 ，在采矿工程 问题 中， 要对材料和结构破坏后 的力学行为进行研究 ，主要存 在两大类 问 岩土工程 问题作为采矿工程 中一类重要 问题 ， 主要体 现在大部 题。 一是控制采场 围岩问题 ， 也就是岩体结构破断原因 、 破断后状态 分 采矿领域 中的围岩稳定 性问题都与开采引起 的影响具有一 定关 重新分布的围岩应力所产生的高应力作用及大范 围围岩 的移动 及结构失稳后 的形态变化。二是 控制 巷道 围岩 问题 ， 也就是覆岩在 系 ， 数值模拟软件 随着功能 的完 开采后移动变形及破坏对围岩应力场造成 的变化规律 ； 工作面周围 与严重破裂都会造成研究问题 的复杂 。 巷道 围岩稳 定性 受开采的影响及巷道 围岩在 采动影响下 的控 制技 善 ， 使研究采矿工程 问题 的手段等更加多样 。但 因采矿工程 的实 际 情况 ， 很多 问题都位 于地下 ， 增加了不确定因素 ， 因此需要借助数值 术。
采矿工程实验实践教学虚拟仿真软件的开发与应用
采矿工程实验实践教学虚拟仿真软件的开发与应用1. 引言1.1 背景介绍采矿工程是一个重要的工程领域，涉及到矿山资源的开采和利用。
在采矿工程实验实践教学中，学生需要具备实际操作和技能，以应对工程领域的挑战。
传统的实验教学存在一些问题，如实验设备昂贵、安全隐患高等。
针对这些问题，虚拟仿真软件的开发应运而生。
虚拟仿真软件可以模拟真实的采矿工程场景，让学生在虚拟环境中进行练习和实验，提高其操作技能和实际应用能力。
虚拟仿真软件可以节约实验成本，减少安全风险，提升教学效率。
随着信息技术的不断发展和应用，虚拟仿真软件在采矿工程实验实践教学中的应用将变得越来越重要。
本文将探讨虚拟仿真软件的开发与应用在采矿工程实验实践教学中的作用和意义，为教学实践提供新的思路和方法。
1.2 研究意义采矿工程实验实践教学虚拟仿真软件的开发与应用在当今教育领域具有重要的研究意义。
随着科技的不断发展，虚拟仿真软件的应用已经成为教育教学的重要手段之一，能够帮助学生更好地理解和应用理论知识。
对于采矿工程专业的学生而言，通过虚拟仿真软件可以模拟真实的采矿场景，提升他们的实践能力和解决问题的能力。
传统的采矿工程实验实践往往受到条件和资源的限制，无法满足学生的需求。
而虚拟仿真软件可以打破这种限制，为学生提供更加便捷、直观的实践环境，帮助他们更好地掌握实验操作技能。
虚拟仿真软件还可以帮助教师更好地设计和组织实验教学内容，提高教学效率和效果。
采矿工程实验实践教学虚拟仿真软件的开发与应用还可以推动采矿工程教育的改革与创新。
通过引入先进的虚拟仿真技术，可以不断完善教学内容和方法，提高教学质量，提升学生的综合素质和竞争力。
研究该领域具有深远的教育意义和实践意义。
1.3 研究现状目前，采矿工程实验实践教学中存在着一些问题和挑战，例如传统实验设备和场地资源有限、实验操作过程中存在安全隐患等。
为了解决这些问题，许多研究者致力于开发虚拟仿真软件来替代传统实验教学方法。
采矿工程中计算机技术的应用探索
随着我国采矿业快速发展，矿产资源开发利用进入新时期，为生活安全提出更高的要求，计算机技术在各领域得到应用，在采矿工程中发挥重要作用，如数值模拟技术，计算机采掘计划等。
采矿工程是复杂的系统工程，工程施工中存在许多安全问题，将计算机技术应用于采矿工程中有利于降低开采难度，为采矿工程安全提供可靠保障。
生产技术是矿山企业信息化改造薄弱环节，需将信息技术嵌入到采矿生产工艺中，结合采矿工程实际，合理应用计算机技术才能促进矿业发展。
1 采矿工程中计算机技术应用发展上世纪90年代后，随着信息化快速发展，矿山企业在计算机信息化应用建设加快，在如何提高矿山生产效率，降低开采成本，提高生产能力等方面进行了大量应用。
以远程遥控与人工智能技术为特点的矿山计算机数字信息化成为采矿业的发展方向。
一些采矿业发达国家利用计算机数字信息技术改造矿业，如加拿大在2050年规划中计划北部边界实现机械自动破碎，瑞典制定矿山自动化进军计划，变革传统矿业生产工艺，提高矿山企业的生产效率[1]。
采矿对人工智能的研究处于起步阶段，随着人工智能技术发展，人工智能技术必将应用于采矿业。
计算机应用可将矿山各种数据综合，实现科学分析等，为矿山资源评估，开拓设计，决策管理等提供直观有效的依据。
矿山生产程序模拟是国内矿山企业数字信息化发展方向。
国家安全监管局文件明确指出，推进金属地下矿山安全避险系统建设工作，系统建设中有计算机技术应用，可实现监理光线无线通信为主体的通信网络，形成音视频同网传输网络体系。
采用工业以太网实现对矿井生产系统及设备的智能化控制，对开采环境数据的自动采集分析等，实现矿产开采环境数字化。
2 计算机技术在采矿工程中的应用对矿石开采中存在很多问题，由于我国地形复杂，矿石存在区域在大山，空间上级开采技术上存在一定问题，由于地形复杂，开采时需对空间环境动态监控，矿山开采后由于地形复杂，为运输工作带来很大困难。
由于开采矿石环境恶劣，施工中有很大的难度，矿石开采中安全管理非常重要，企业应对施工进行全程监控，应对工作进度控制，需要利用计算机技术在采矿工作中发挥作用[2]。
数值模拟在采矿工程中的应用
构破 坏 和失 稳 的全 过 程 ，而 且工 作 面 周 围 不 同 区域 的 体 ， 其 力学 性 能变 化 差 别 很 大 ，采 动 岩 体 是 一 种 连 续 与 非 连 续
相 耦 合 的 复杂 介 质 。对 一 般 的 岩 土 工 程 问 题 ，材 料 和 结 构
呈 现 出非 连 续性 ；从 宏 观 上 看 ，岩 体 是 一 种 脆 性 极 强 的 材
１ 数值 模 拟 方 法 基 本原 理
大部 分 数 值 分 析 软 件 都 是 基 于 弹 性 理 论 解 决 岩 体 非 线 性 变形 与 破 坏 问 题 的 数 值 方 法 。 在 对 岩 体 这 种 特 殊 质 地 材 料 分 析 时 ，其 采 用 了 宏观 非 线 性 与 微 观 线 弹 性 的 划 分 原 则 。 从 微 观 看 ，岩 体 单元 相 对 较 均 质 ，具 有 较 强 的 弹 性 变 形 特 征 ；另 一 方 面 ， 由于 节 理 、裂 隙 的 存 在 ，微 元 问 的 接 触 又
都可以与 Ｃ ＡＤ软 件 无 缝 集 成 ，具 有 可 靠 的 自动 建 模 能 力 ．
可 求解 非 线 性 问 题 和 耦 合 场 ，同时 程 序 具 有 开 放 性 。
就 岩 土 工 程 而 言 ， 采 矿 工 作 面 上 覆 岩 层 的 损 伤 、断 裂 和 失 稳 是 不 可 避 免 的 ，一 定 要 防 止 这 类 现 象 发 生 。 目前 的 固 体 力学 还 只 能对 较 为 理 想 的 弹 性 、塑 性 和 损 伤 体 进 行 町 靠 的 变形 与受 力分 析 ，而 在 采 场 覆 岩 的 变 形 、运 动 与 受 力 分 析 中 ，更 多 的是 材 料 或 结 构 破 坏 后 的 力 学 行 为 ． 以 及 结
矿山开采过程中的岩体稳定数值模拟与分析
根据矿区实际情况，建立三维模型，包括矿体 、围岩和节理裂隙等
边界条件
根据工程实际情况，设置模型的边界条件，包括 位移约束和应力边界条件
初始条件
根据地质勘察资料，设置模型的初始应力场和位移 场
模拟过程
进行开挖模拟，分析不同开挖阶段的岩体变形和 应力分布情况
结果分析
对模拟结果进行分析，包括位移场、应力场、塑性区分 布等，评估岩体的稳定性
监测预警系统
建立监测预警系统，实时监测岩体的位移、应力、应变等参数，及 时发现失稳征兆。
数值分析预测
通过数值模拟分析，预测岩体的应力分布和变形趋势，提前预警可 能发生的失稳。
经验判断法
根据地质勘察和工程实践经验，判断岩体失稳的可能性，采取相应的 预防措施。
岩体稳定性控制措施
锚杆支护
采用锚杆对岩体进行加 固，提高岩体的整体稳
研究不足与展望
目前数值模拟在矿山开采过 程中对岩体稳定性的分析仍 存在一定的局限性，如模型 简化、边界条件设定、参数 选取等方面存在不确定性， 需要进一步完善和改进模拟 方法。
采场顶板和采空区处理是矿 山开采过程中的重要问题， 但目前数值模拟在解决这些 问题时仍存在一些挑战，如 大变形、非线性、多场耦合 等问题的处理需要进一步研 究和探索。
02
矿山开采基本原理与技 术
矿山开采方法
01
02
03
露天开采
将矿体周围的岩体剥离， 将矿石运出。
地下开采
通过矿井进入矿体，将矿 石运出。
特殊开采方法
如溶浸法、原地破碎法等 。
岩体工程地质性质
岩体的物理性质
01
如密度、孔隙率、含水率等。
岩体的力学性质
数值模拟在采矿工程中的应用
数值模拟在采矿工程中的应用在采矿工程中，围岩的稳定性和岩层的控制工作格外重要，数值模拟具有较强的开放性和兼容性，能够有效解决传统分析方法中存在的问题，因此，在采矿工程中得到了较为广泛的应用。
文章就来分析一下当前采矿工程中的需要注意的问题和数值模拟在采矿工程中的具体应用。
标签：数值模拟；采矿工程；问题；应用随着计算机技术的迅速发展，数值模拟发在采矿工程中得到了越来越广泛的应用。
数值模拟方法主要包括有限元法、有限差分法、半解析元法、边界元法、刚体元法、加权余量法、离散元法、非连续变性分析法、流行元法和无界元法等，其中，有限元法的应用是最广泛的。
有限元法最早应用与航空航天领域，二十世纪六十到七十年代开始，有限元算法的分析软件开始被研究和开发出来，但是，这些分析软件都不是针对采矿工程开发的，因此，在采矿工程中进行应用时面临着较大的困难。
而后，针对采矿工程行业的数值分析软件就应运而生了，这些软件的自动建模能力较强，而且程序的开放性较强。
1 当前采矿工程中存在的问题1.1 采场的围岩控制问题采场围岩控制问题主要指的是岩体结构的破断问题、岩块的稳定状态、结构失稳后的形态变化情况等的控制。
采场围岩的坚固性是随着工作面的推进增加的，然后从连续体破断为块体，块体重新排列后会形成自然结构，自然结构在覆岩自重的作用下运用和变化，最终会出现失稳的情况，造成地表塌陷。
采动应力指的是矿体采出以后，在围岩内重新形成的压力场，采动应力也是岩体出现破裂、变形和运动的根源。
然而，由于原岩应力和开采后应力场得测定存在困难，因此，采动应力无论是在现场测定还是理论方面都不够成熟。
在采动应力的影响下，采动岩体会出现变形甚至破裂的情况，破裂后的块状围岩体会形成堆砌结构，如果堆砌结构失稳，将会出现岩体运动，然后形成新的块状堆砌结构。
对于大部分煤矿采动覆岩来说，及时垮落的情况是常见的也是必须存在的，不然，工作面的安全将会受到严重威胁。
然而，覆岩的垮落对形成采场来压，使岩层内部出现离层和缝隙，从而使水体和气体产生位移，最终造成地表塌陷，对地面道路、建筑、环境和水体造成严重危害。
数值模拟方法在采矿工程中的应用
采矿工程中的岩土工程问题有自身 的特点，主要表现在采矿领域的大部分 围岩稳定性问题都涉及开采引起的强烈 影响。引起围岩应力重新分布带来的高 应力作用以及围岩的大范围移动和严重 破裂，导致研究问题的复杂化。
随着数值模拟软件功能的逐渐强 大，采矿工程问题的研究手段越来越多， 但是由于大多数的采矿工程问题处于地 下，存 在 着 很 多 的 不 确 定 因 素。还 有 很 多的采矿工程问题需要通过数值模拟的 手段进行深入的研究。只有充分了解采 矿工程的特殊性，才能更好地应用数值 模拟软件，真正做到数值模拟与现场监 测相结合。世
二是巷道围岩控制问题，即开采后 覆岩移动、变形和破坏导致围岩应力场 的变化规律 ；开采对工作面周围巷道围 岩稳定性的影响，以及采动影响下巷道 围岩控制机理及控制技术。如受相邻工 作 面 开 采 影 响 时，巷 道 的 合 理 布 置，支 承压力对巷道围岩稳定性的影响，并根 据巷道周岩石的移动变形特征和围岩状 况选择合理的支护方式和参数。随着矿 体的采出，在采场两侧和前后方围岩内 均要形成采动应力集中，特别是垂直方 向上的支承压力集中，峰值可达（3 ～ 5） γH（其中 γ 为岩体的体积力 ；H 为采
（作者单位 ：江西理工大学）
参考文献
[1] 武生智，俞焕然 . 连续介质力学，甘肃，兰 州大学出版社，2006.
[2] 蔡美峰 . 金属矿山采矿设计优化与地压控 制，北京，科学出版社，2001.
[3] 谢文斌，陈晓祥 . 采矿工程问题数值模拟 研 究 与 分 析，徐 州，中 国 矿 业来自大 学 出 版 社，2005．
70 世界有色金属 2010 June
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深），甚至还要高。在深部开采时，如采 场两侧巷道围岩受支承压力峰值影响， 必将给巷道围岩控制造成严重困难。现 场资料表明，有些巷道受一次采动影响 即可全部毁坏，有时则使巷道围岩的变 形呈流变状态，并且在一般的支护条件 下难以克服。由于工作面周围巷道服务 时间短，此类巷道虽变形较大，但只要在 巷道服务期内能保证巷道的正常安全。 2. 数值模拟方法在采矿工程中的应用
数值模拟在采矿工程中的应用
数值模拟在采矿工程中的应用1. 前言数值模拟是一种重要的科学计算方法，已广泛应用于各个领域，包括采矿工程领域。
采矿工程是指对地下矿产资源进行开采、利用和管理的一门工程学科，更加科学和精细的采矿方案设计，是当前采矿工程的迫切需求之一。
在采矿工程中，数值模拟方法可以为工程院校的教学模拟、矿山建模仿真、矿山开采工艺优化等提供很好的技术支撑。
2. 数值模拟在支护结构设计中的应用地下采掘工程中，采掘面的稳定性是一个非常重的问题，其中地下支护结构设计是影响采掘面稳定性的关键因素之一。
为了保证采矿工程的安全和稳定，需要采取一系列的支护措施，如硬岩锚杆支护、注浆加压和灌浆支护等。
而数值模拟方法可以对地下支控结构应力和变形特性进行仿真，有效引导及指导支控方案的设计。
通过计算得到的应力和变形特性，优化支控结构的构造和材料，挑选合适的安装位置以及控制支护施工质量，提高矿井安全系数和支护系统的稳定性。
3. 数值模拟在矿山坍塌预测中的应用随着资源开采的不断深入，地下矿山中巨大的岩层可能产生塌陷、冒顶或延伸，从而导致矿山的不稳定，并威胁到采矿工作人员的生命安全。
为了避免这种情况的发生，需要对地下矿山的稳定性进行预测和控制。
数值模拟可以对地下采矿工程中的各种因素进行考虑和分析，进而预测矿山坍塌的可能性和范围，指导采矿工程的重点管理和分析优化。
计算机模拟技术可以在不同时间点、不同状态下，对地下开采的变形和应力分布、岩石坚固程度等进行全面计算，从而更加全面呈现矿山的稳定性特征，提高工程实际应用效果。
4. 数值模拟在地下煤自燃预测与防治中的应用地下煤储量资源丰富，是中国的传统能源之一，但煤炭的自燃现象却时有发生，威胁到采矿区域的安全和环保。
煤的自燃是由于煤的长期在空气中接触而产生的氧化反应，进而引发自燃。
为了防止煤的自燃现象的发生，需要对矿井的情况进行实时监控和管理。
数值模拟可以对矿井内的氧气、潮气量进行准确的预测，以及地下水管道的温度、湿度，进而判断矿井的自燃倾向性并进行相应的防止措施，确保矿山安全稳定生产。
数值模拟在采矿工程中的应用
数值模拟在采矿工程中的应用介绍在采矿工程中，数值模拟是一种重要的工具，用于模拟和预测矿山开采过程中的各种物理现象和工程问题。
通过建立数学模型和运用数值计算方法，数值模拟可以帮助工程师和矿业专家更好地理解矿山开采过程中的挑战和潜在风险，从而制定有效的工程方案和管理策略。
本文将全面、详细、完整地探讨数值模拟在采矿工程中的应用。
采矿工程中的数值模拟应用1. 岩石力学分析1.1 应力分布模拟 1.2 变形和位移模拟 1.3 初始应力场确定 1.4 支护结构模拟2. 瓦斯抽采模拟2.1 瓦斯涌出规律模拟 2.2 瓦斯扩散与稀释模拟 2.3 瓦斯抽采效果模拟 2.4 煤与瓦斯突出模拟3. 坍塌与冒顶模拟3.1 坍塌机理模拟 3.2 支护结构选型与设计模拟 3.3 冒顶预测与治理模拟 3.4 冒顶风险评估模拟4. 矿井水文地质模拟4.1 地下水涌出模拟 4.2 矿井涌水分析模拟 4.3 围岩渗流场模拟 4.4 围岩稳定性评估模拟数值模拟方法和工具1. 有限元分析1.1 原理和基本步骤 1.2 应用案例分析2. 离散元法2.1 原理和基本步骤 2.2 应用案例分析3. 流体力学模拟3.1 瓦斯和水流动模拟 3.2 坍塌和冒顶模拟 3.3 支护结构与地下水模拟数值模拟在采矿工程中的优势和挑战1. 优势1.1 减少实地试验成本 1.2 提高工程设计的准确性 1.3 优化工程方案和管理策略1.4 预测和控制工程风险2. 挑战2.1 数值模型的建立与验证 2.2 参数与输入数据的准确性 2.3 模型计算复杂度与计算资源需求 2.4 模型结果的解释与应用数值模拟在采矿工程中的现实应用与案例分析1. 煤矿坍塌预测模拟1.1 模拟案例介绍 1.2 模拟方法和工具 1.3 模拟结果和分析2. 高瓦斯矿井瓦斯抽采模拟2.1 模拟案例介绍 2.2 模拟方法和工具 2.3 模拟结果和分析3. 深部金属矿山地压控制模拟3.1 模拟案例介绍 3.2 模拟方法和工具 3.3 模拟结果和分析4. 地下水涌出和水害模拟4.1 模拟案例介绍 4.2 模拟方法和工具 4.3 模拟结果和分析结论数值模拟在采矿工程中具有重要地位和应用前景。
数值模拟技术及其在工程领域中的应用
数值模拟技术及其在工程领域中的应用数值模拟技术是一种重要的计算方法，它利用计算机模拟物理现象，通过数学方法得到物理参数数值解。
数学模型往往可以描述一些复杂的物理现象，例如流体力学、结构力学、热力学等。
在工程领域中，数值模拟技术具有重要的应用价值，可以帮助工程师和设计师更加准确地预测物理现象、分析数据、评估风险和提高效率。
一、数值模拟技术的分类数值模拟技术主要分为以下几个类别：1. 有限元法：将复杂的结构系统划分为有限个单元，对每个单元进行数学建模，通过组合单元的计算结果得到整个系统的结果。
2. 有限体积法：将研究区域划分为立体网格单元，对每个单元进行数学建模，采用控制体积法对离散方程的项进行沿体积元周边的积分，得到每个单元内节点的物理量。
3. 边界元法：将结构区域划分为有界的曲面，对曲面上的每个点求解函数值，通过叠加所有点来得到整个系统的结果。
4. 蒙特卡罗法：运用概率统计方法，建立物理模型，模拟相应的物理现象，通过大量的随机模拟得到物理量的概率分布。
二、数值模拟技术在工程领域中的应用数值模拟技术广泛应用于工程领域，其中涉及流体力学、结构力学、热力学等各个方面。
下面从几个典型的工程案例中来说明它们的应用。
1. 桥梁结构优化桥梁的结构设计必须兼顾美观、经济、稳定等多个方面，这就要求设计师能够在各个方面进行权衡。
采用数值模拟技术，可以对桥梁设计进行优化。
例如，模拟桥梁在风吹、车辆行驶和地震等多个复杂载荷下的响应，得到桥梁的最小稳定质量。
模拟还可以帮助设计师预测桥梁的耐久性和寿命，并根据不同的载荷和外界环境情况，优化桥梁的结构和材料。
2. 船舶水动力学分析数值模拟技术在船舶设计中也有着广泛的应用。
船舶的水动力学分析可以帮助设计师更好地评估船舶的阻力和稳定性。
当船舶航行在高速流体中时，它会感受到阻力和浮力，这些阻力和浮力会对船舶的性能产生影响。
数值模拟技术可以模拟船舶在不同的流体环境中运动的情况，通过计算阻力、浮力等各种评估参数，帮助设计师更好地提高船舶性能。
数值模拟在采矿工程中的应用
浅谈数值模拟在采矿工程中的应用摘要：现在的采矿工程已不仅是开采问题, 而且还要注意围岩稳定性和岩层控制。
由于开采中的围岩具有很多的不确定因素, 采用一些传统的分析方法解决些问题的弊端越来越大, 于是一些专门用于解决采矿工程问题的数值分析软件应运而生, 且发展迅速, 其兼容性和开放性越越好; 根据采矿工程的自身特点, 数值模拟在解决该问题的作用越来越大。
关键词：采矿工程；数值模拟；发展现状近年来，计算机技术迅猛发展，使得数值计算方法在采矿工程问题分析中得到了广泛运用，极大地促进了采矿工程学科的发展。
其中，常用的数值计算方法有：有限差分法、有限元法、边界元法、加权余量法、半解析元法、刚体元法、非连续变形分析法、离散元法、无界元法和流行元方法等。
数值模拟不仅能模拟岩体的复杂力学和结构特性，也可以很方便地分析各种边值问题和施工工艺过程对硐室或巷道围岩稳定性的影响，并对工程岩体稳定性进行预测。
如果能从宏观上准确地把握岩体的力学特性，通过地应力测试把握地应力场，数值力学分析结果完全可以用于指导工程实践。
近年来，数值模拟技术得到了大力发展，已成为解决采矿工程和其他岩土工程问题的重要研究手段之一。
1、采矿工程中存在的主要问题采矿工程中岩土工程问题尤为突出，采场顶板垮落、覆岩移动及控制采动引起的高应力软岩巷道围岩控制，深部开采的地温和地压都需要进一步的研究。
采矿工程问题中，必须研究材料和结构破坏后的力学行为，其存在的主要问题可分为两大类：一是采场围岩控制问题，即岩体结构是如何破断的、破断后的岩块是否趋于稳定状态以及结构失稳后的形态变化。
如采场坚硬基本顶随着工作面的推进，不断地由连续体破断成块体，块体重新排列后的自然结构再受覆岩自重的作用，不断变化、运动和失稳直到引起地表沉陷。
采动应力场是指矿体采出后围岩内重新分布的应力场，它是岩体变形破裂运动之源。
但由于原岩应力状态及开采后应力场难以测定，其有关的理论描述和现场测定均不成熟。
计算机技术在采矿工程中的应用
计算机技术在采矿工程中的应用摘要：以往采矿工程由于技术问题和资金问题，部分地势复杂交通偏远的优质矿物质资源被雪藏。
如今计算机技术飞速发展，打破了传统采矿工程无计可施的困境。
其中虚拟现实技术、3S集成技术的应用、数值模拟技术等被广泛应用到采矿工程中。
使矿井内的环境更加清晰明了，未知安全隐患预测更加精准。
管理人员可以通过地面分析矿井内的环境情况，对井下的矿工直接下达指令，通过虚拟建模、数值分析、现场勘测等，将未知的采矿环境转换的更加立体现实，采矿工程深受其利。
关键词：计算机技术；采矿工程；应用采矿工程具有项目庞大、涉及技术种类较多、风险因素较高、资金投入量大、开采周期长等特点，以往由于采矿技术落后、设备简陋、监管能力有限等原因，造成采矿工程事故频发，不仅影响工程进度、折损成本资金，就连矿工的人身安全也得不到保障。
自网络和科技飞速发展以来，计算机技术被应用到采矿工程的监测和管理中，不仅提高了开采效率也保障了矿工的人身安全，采矿工程通过计算机技术合理管控成本，改革生产技术，提高了采矿工程的经济效益。
1.计算机技术在采矿工程中的应用现状以往采矿工程面临空间和时间上的严重阻碍，无论从采矿技术上还是交通运输上都面临着巨大的挑战，矿井下环境的未知凶险也使开采工作备受阻碍。
随着计算机技术的不断创新发展和完善，为采矿工程带来了新的曙光。
特别是大部分矿山位置多处交通不便利地势复杂的山石地带，更使开发商望而生畏。
本身采矿工程就耗费大量的人力、物力、财力等，资金投资周期长，资金回笼又较慢，都制约了采矿工程的发展，部分地理优势较弱的矿上一直苦于无人投资开发。
但是随着计算机技术的创新发展，能够切实可行的解决采矿工程中诸多不确定因素，将矿山周围环境以精准的数据分析跃然纸上，使投资者能够更清晰看到采矿工程的价值和前景。
自计算机技术问世以来，提高了采矿技术的硬件设备和软件实力，使综合采矿技术更加现代化和科技化，计算机技术的广泛应用使采矿工程空间布局合理，缩短了采矿时间，进而节约了采矿成本，加快了投资资金回笼，使投资者更愿意投入精力和资金用于兴建采矿工程。
ANSYS在煤矿开采数值模拟中应用研究
第25卷 增刊 岩 土 力 学 V ol.25 Supp.2 2004年11月 Rock and Soil Mechanics Nov. 2004收稿日期唐巨鹏1976年生博士研究生现主要从事矿山岩体力学理论和数值计算研究1000(2004) 增０５ ANSYS 在煤矿开采数值模拟中应用研究唐巨鹏, 潘一山(辽宁工程技术大学 力学与工程科学系, 辽宁 阜新 123000 )摘要阜新五龙矿和北京大台井为例对煤矿开采引起的地表沉陷分别针对所处的地质条件和赋煤状况模拟计算了地表沉陷曲线和最大沉陷位置最大沉陷位移逐步向开采方向前移的规律最大沉陷位移为3.7 m´ǫ́¾®¸©Î±Ð±²Éú·¨Ãº²ãÇã½ÇÖ»ÓÐÔÚ60ºÍƲɾàÀë²Å¶Ôú²ã¶¥°å·¨Ïò×î´óѹӦÁ¦¾ßÓÐÃ÷ÏÔÓ°ÏìÎ÷Öв¿Î»ÒÆÓÖ´óÓÚϲ¿Î»ÒÆ时而下巷道支撑压力作用范围最大为25 m ¶¥°åÏÂÏïµÀ³¬Ç°Ö§³ÅѹÁ¦·åֵλÖÃΪ 5.3 m¸ÃÊýֵģÄâÊǺÏÀíµÄ˵Ã÷ANSYS 在煤矿开采领域是一种有效的数值模拟工具ANSYSÊýֵģÄâTD 713.1文献标识码用于岩土工程方面的计算软件主要有FLACPLAXIS ASKAËüÃǸ÷ÓÐÓÅÊƵ¥Ôª½ÚµãÊý¶àºó´¦ÀíÍ걸µÈÖî¶àÓŵã¶ø¿ªÊ¼Ó¦ÓÃÓÚú¿ó¿ª²ÉÖеÄÔÖº¦Ô¤²â2001年袁灯平[1]利用岩 土 力 学 2004年ANSYS 对煤矿开采沉陷进行了模拟2003年王忠昶[3]对软岩矿层条带开采合理采留宽度进行了ANSYS 三维流变模拟以山东华丰矿[4,5]ÏêϸµØ²ûÊöÁËÆäÔÚú¿ó¿ª²ÉÖеÄÓ¦Óÿª²ÉÒýÆðµØ±íϳÁ¹æÂÉÇúÏ߶¥µ×°åÓ¦Á¦³¡ÍƲɾàÀë¾Ý´ËµÃµ½ÁËÓëʵ¼Ê¿ª²ÉÏàÒ»ÖµÄÊýÖµ½á¹û¼´Ö¸³öµØ±íϳÁËÙ¶ÈÓë³å»÷µØѹ·¢Éú¾ßÓлù±¾Ïà¹ØÐÔ¹¤×÷Ã泬ǰ֧³ÅѹÁ¦×÷Ó÷¶Î§ºÍ´óСÒÔÉÏÊýÖµ½á¹ûΪʵ¼Ê¿ª²ÉÌṩÁË¿É¿¿¿ÆѧÒÀ¾Ý˵Ã÷ÀûÓÃANSYS 应用于煤矿开采研究领域是完全可行的它直接关系到人民生活和社会稳定搞清开采沉陷规律以下以山东华丰矿为例得到了不同开采阶段地表下沉曲线规律南北倾斜宽 2.2km¾®ÌïÃæ»ý16.9 km 2ÆäÖÐ4层煤是主采煤层开采水平为-750 m 区段斜长为150 m ×ÔÈ»¿åÂä·¨¶¥°å¹ÜÀíÕûÌåÐԺùÊÆäµØ±í³ÁÏݹæÂÉ·´Ó³ÁËÉϸ²ÀùÑÒ²ãÒƶ¯¹æÂÉ以平面应变模型建立模拟工作面推进过程中东23号站监测的地表下沉情况计见图1两端各留煤柱200 m图1 华丰矿东23号站测点与煤层开采沿走向剖面示意图 Fig,1 Section model of Huafeng coal mine East No.23measaring spot图2 模拟不同推采距离时地表沉陷曲线变化Fig.2 Curves of surface subsiding based on differentmining distance using numerical simulation2.3 结果分析ANSYS 模拟开采100 m 800 m 和1 100m 时地表沉陷曲线如图2所示随着工作面推进当开采500 m 时临近工作面推进方向一侧下沉明显地表最大下沉位移点靠近采空区上端一侧地表最大下沉位置向推采方向移动但此后地表下沉速度逐渐减缓最大下沉位置在推采750 m处上方此模拟结果与实际地表沉陷观测数据基本吻合这为开采造成的地表环境和人居建筑物破坏提供了崭新的预测手段近年来开采深度不断增加使得冲击地压频繁发生因此以下以阜新330增刊唐巨鹏等阐述其在冲击地压预测方面的应用东起F6断层北起-90 mÄÏÖÁ-780 m标高和各煤层可采边界线倾斜长 4.5 km煤层呈北厚南薄呈单斜构造785524可采储量1.4亿吨3.2 模型建立以311面实际情况建立的ANSYS 平面应变模型如图3所示孙五孙六煤层为待采煤层Y 向200 m且加载8.4 MPa 作为模拟上覆岩层自重当开采100 m 和400 m时易发生冲击地压危险工作面临近火成岩墙极易产生应力软化区开采400 m 时水泉层和孙五孙六煤层采空区两侧应力集中区贯通故在实际开采中4 ANSYS 优化俯伪斜采煤法 俯伪斜大倾角采煤法在我国煤炭开采实践中还不是很成熟伪倾角合理选择推进巷道数以保证生产顺利实施4.1 大台井地质条件与赋煤状况大台井煤层属侏罗纪煤层现开采煤层位于-110 m~-210 m水平煤平均真厚 1.5 m 煤层倾角70º沿煤层开采工作面与煤层水平倾角26ºÈýÏïµÀͬʱ¿ª²ÉµÄ²Éú·½Ê½Òò´ËÄ£ÐͳߴçȡΪX 向120 mZ向250 m H=2670如图5所示H３３１4.3 数值结果分析数值模拟煤层倾角为60º80º巷道数分别为2个和3个时三维有限元弹塑性模型所得应力场和位移场结果与初始状态进行比较推采距离对煤层顶板法向最大压应力的影响只在煤层倾角60ºµ×°å·¨Ïò×î´óѹӦÁ¦±ä»¯¹æÂÉÓ붥°åÏàͬÖв¿Î»ÒÆ´óÓÚϲ¿Î»ÒÆÈçͼ7所示图6 煤层倾角图7 三巷道开采100 m 时顶板Y 向位移场图Fig.7 Y displacement field of roof when three laneways.100 meters mined模拟结果得到如图8所示工作面超前支撑压力作用范围最小其作用范围均减少10 m 左右同时下端头位置和中巷道与工作面的拐角处是应力集中区开采时应提前采取措施图8 煤层倾角与工作面以典型矿井为例包括开采引起的地表沉陷通过根据实际情况建立的二维和三维立体有限元模型计算得到了如下结论动态地演示了沉陷过程和沉陷区范围变化最大沉陷位移逐步向开采方向前移大台井俯伪斜采煤法煤层倾角６０且顶底板法向最大位移规律为上部位移大于中部位移煤层倾角７０工作面超前支撑压力作用范围最小以上数值计算结果与现场实践基本吻合参 考 文 献 [1] 袁灯平董正筑. 利用ANSYS 进行开采沉陷模拟分析[J].济南大学学报缪协兴张文泉. 软岩矿层条带开采合理采留宽度的ANSYS 三维流变模拟[J]2003,20 (2):110-112.下转第342页/ M P a部分的围岩上台阶步开挖完毕塑性区范围由上台阶步的拱脚处扩展到下台阶步拱脚部分扩大墙腰上部拱顶位置处并与围岩共同变形锚杆的应力处于弹性受拉状态均处于弹性工作状态该支护结构使用至今参 考 文 献[1] TB1003 铁路隧道设计规范[S].[2] 徐干成郑颖人，地下工程支护结构 [M]． 北京２００２． [3]朱百里计算土力学 [M].上海潘一山潘一山唐巨鹏. 阜新矿区深部冲击地压研究[A].见王来贵潘一山潘一山陈德怀. 俯伪斜分段密集采煤法三维有限元数值模拟研究[J].岩土力学, 2003, 24(S2):103-107.[9] 王国强. 实用工程数值模拟技术及其在ANSYS 上的实践[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2000.[10] ANSYS, Inc. ANSYS Advanced FLOTRAN[M]. Swan sonAnalysis System, IP Inc.北京: 美国ANSYS 公司北京办事处, 1997.[11] ANSYS, Inc. ANSYS Elements Reference[M]. NinthEdition. SAS, IP Inc.北京:美国ANSYS 公司北京办事处,1997.。
采矿工程问题数值模拟研究与分析
目录第一章绪论 (1)第一节数值模拟发展及其现状 (1)第二节岩土及采矿工程问题特点及数值模拟方法 (8)第二章 ITASCA软件特点及数值模拟方法 (18)第一节I TASCA软件及其特点 (18)第二节I TASCA软件数值计算方法 (29)第三节岩上和采矿工程问题的数值模拟步骤 (35)第三章模型边界的合理确定 (39)第一节开采引起的覆岩移动变形规律 (40)第二节单个巷道的影响范围 (49)第三节采动影响下模型边界位置的合理确定方法 (51)第四节模型边界位置对模拟结果的影响分析 (58)第四章模型边界条件及初始应力场的合理确定 (68)第一节模型边界条件的类型及其选择 (68)第二节采动影响的模型边界条件 (71)第三节模型边界条件对模拟结果的影响分析 (72)第四节初始地应力场的确定 (76)第五章岩体力学特性及其参数确定 (87)第一节岩体的力学特性 (87)第二节岩石与岩体力学参数的关系 (91)第三节岩石(体)力学参数的合理确定 (92)第六章软岩硐室围岩作用关系分析 (106)第一节工程概况 (106)第二节硐室围岩间接触关系反分析 (107)第三节支护与围岩的相互作用关系分析 (110)第四节软岩巷道中锚杆支护失效的机理 (117)第五节锚注加固机理分析 (120)第七章近距离厚煤层跨采对底板巷道围岩稳定性影响分析 (125)第一节工程背景 (125)第二节分析模型 (128)第三节近距离跨采围岩应力演化及特点 (129)第四节跨采巷道围岩位移规律及特点 (130)第五节底板巷道围岩控制技术 (136)第八章综放沿空留巷围岩稳定性影响分析 (144)第一节工程背景及技术关键 (144)第二节分析模型 (146)第三节综放沿空留巷围岩活动规律 (148)第四节综放沿空留巷围岩稳定性影响分析 (150)第五节综放沿空留巷围岩控制技术分析 (154)第九章锚杆支护参数对巷道围岩稳定性影响分析 (160)第一节工程地质条件 (160)第二节数值力学分析模型 (161)第三节锚网支护参数影响规律分析 (163)第四节相邻巷道掘进对巷道围岩稳定性的影响 (174)第十章不规则煤柱下工作面开采的三维数值模拟 (176)第一节工程概况 (176)第二节建立分析模型 (178)第三节开采对围岩应力变化的影响分析 (181)第一章绪论随着实测技术、非连续介质力学、大变形理论、物理模拟技术和计算机数值模拟的发展，使得人们可以从理论分析、现场实测、物理模拟和计算机模拟等不同侧面来研究采矿岩层控制中各种力学机理及围岩控制技术。
采矿工程中的数字化建模与优化设计分析
采矿工程中的数字化建模与优化设计分析数字化建模和优化设计在采矿工程中发挥着重要的作用，它们能够提高采矿效率、降低成本并确保采矿活动的安全性。
本文将介绍数字化建模和优化设计在采矿工程中的应用以及相关分析方法。
1. 数字化建模：数字化建模是采矿工程中的一项关键技术，它利用计算机技术和数学模型来描述矿床的地质特征和采矿活动的过程。
数字化建模可以包括以下几个方面的内容：地质建模：通过分析地质勘探数据，结合地质学知识和数学建模技术，建立地质模型，准确描述矿床的形态、分布、结构和性质。
矿井建模：利用地下采矿工程的相关数据，建立矿井模型，包括开拓工作面、支撑系统和通风系统等信息。
这将帮助工程师进行矿井规划、排水设计和通风优化等工作。
设备建模：将采矿设备的参数、性能和工作状态等信息进行建模，以模拟设备在采矿过程中的行为。
这将有助于优化设备配置、提高生产效率和降低能源消耗。
数字化建模可以提供直观、可视化的信息，为工程师和决策者提供了精确的数据支持，帮助他们进行决策和优化设计。
2. 优化设计分析：优化设计是通过分析和优化矿井系统、设备和工艺参数等来提高采矿效率和经济效益的过程。
优化设计的主要目标是最大化资源利用率、最小化成本和最大限度地降低环境影响。
以下是一些常见的优化设计分析方法：数学规划模型：利用线性规划、整数规划和非线性规划等数学方法，建立优化模型，求解最优解。
通过调整变量和约束条件，可以使目标函数（如最大化产量或最小化成本）达到最优值。
仿真模拟：利用计算机仿真技术，模拟矿山系统的运行过程，并通过参数调整和场景分析等方式来找到最佳操作策略。
这将有效降低实验成本、风险和时间，并提供决策支持。
模糊综合评价：将定性和定量指标进行模糊化处理，利用模糊综合评判方法来评价不同方案的优劣。
这将综合考虑多个因素的影响，并提供较为综合的评价结果。
数据挖掘和机器学习：通过分析大量的历史数据，挖掘数据中的规律和关联性，利用机器学习算法构建预测模型，从而指导优化设计过程。
数值模拟方法在工程中的应用
数值模拟方法在工程中的应用随着科学技术的快速发展，数值模拟技术成为了工程领域中必不可少的方法之一。
它可以将复杂的工程问题转化为数学模型，并用计算机对其进行求解，以获取定量的结果。
本文将会详细探讨数值模拟方法在工程中的应用，以及其重要性和优缺点。
一、数值模拟方法可以在若干领域中被应用，例如状态预测、流体力学、机器学习、计算机视觉等等。
在工程领域中，数值模拟方法也被广泛地应用到许多问题中，包括：1. 物理问题的求解：在工程领域中，物理问题的求解是数值模拟应用最广泛的领域之一。
它主要包含了模拟物体的力学过程、动力学过程以及热力学过程等等。
通过数值模拟，我们可以预测物体在受力下的变形、位移、应力等等的变化规律，也可以预测其在高温或高压环境下的热传导等等。
2. 电子电器系统的设计：另一个数值模拟广泛应用的领域是电子电器系统的设计。
数值模拟可以帮助我们预测电路的性能，例如电荷分布、电压分布、电流密度等等。
这些信息可以很容易地转化为实际建设中的电子电器系统。
3. 化学反应的模拟：在化学工程领域中，数值模拟可以将反应物的消耗量和生成量等数据量化为数学模型，以了解反应的详细过程和反应条件对反应过程的影响。
二、数值模拟方法在工程中的重要性数值模拟方法在工程中具有重要的地位，它能够帮助工程师们更好地理解和预测工程过程。
以下是数值模拟在工程中的主要优点：1. 降低成本：数值模拟可以在实验室之外进行，极大地降低了实验所需的人力、物力、时间以及成本等。
有时，一些实验是存在危险的，而数值模拟可以避免意外事故的发生，从而减少损失。
2. 支持决策：数值模拟可以基于实际的数据和科学指导，帮助我们做出更合理的决策和选择。
通常情况下，数值模拟能够给出比实验更详细的结果，使得决策者能够更好地了解问题的本质和对方案的影响。
3. 更好的设计：数值模拟可以帮助我们预测不同变量取值对设计的影响。
通过数值模拟技术，工程师们可以比较不同方案的效果，最终做出更好的设计。
数值模拟技术在《矿山压力及其控制》辅助教学中的应用
输 最 大 量 的 信 息 ， 使 学 生 在 有 限 的 课 时 并 内 能理 解 接 受 。 （ ） 验 课 和 模 型 课 学 时 偏 少 。 矿 工 ３试 采 程 问题 实 质 上 是 空 间 力学 问题 ， 接 触 专 刚 业 课 的 学 生 往 往 空 间概 念 建 立 不 起 来 ， 不 同类 型 的 巷 道和 采 场 难 以 区分 ， 因此 ， 多 好 学 生 对 此 怨 声 载 道 ， 增 加 试 验 和 模 型 课 而 课 时 又 由于 某 种 原 因短 期 内 不 能 实 现 ， 因 此 ， 用 数 值模 拟 技 术作 为 《 山 压 力及 其 采 矿 控 制 》 程 的辅 助 教 学 手 段 ， 别 是 三 维数 课 特 值 模 拟 建 模 技 术 ， 以 把 复 杂 的 采 矿 空 间 可 问 题 展 现 在 学 生 面 前 ， 助 于 增 强 学 生 对 有 矿 山压 力 概 念 和 理 论 的理 解 和 记 忆 ， 也 这 从 一定 程 度 上 缓 解 了 目前 该 课 程试 验 课 和 模型课偏少的问题 。 （ ） 生 学 习积 极 性 低 。 矿 山压 力 及其 ４学 《 控 制 课 程 主 要研 究 的是 岩石 力学 问 题 ， 复 杂 的计 算 公 式 和 大 量 的理 论 分 析 结 果令 学 生 理 解 和 记 忆 均 十 分 困难 ， 以 提 起 学 习 难 的 兴趣 ， 生 对 课程 学 习 的积 极 性 不 高 。 学 而 数 值 模 拟 技 术 作 为辅 助 教 学 手 段 ， 助 于 有 学 生 理 解 和 记 忆 矿 山 压 力 现 象 ， 数 值 模 且 拟 一 般 结 合 实 际 的 工 程 实 例 ， 现 工 程 进 重 行 过 程 中 围岩 的 应 力 、 变 变 化过 程 ， 应 在课 程 教 学 时穿 插 的 数 值 模 拟结 果 分 析 可 以看 出 ， 生 对 软 件 能 够 实 现 这 么 强大 的 功 能 学 颇 感 新鲜 ， 而 就激 发 了学 生 学 习的 兴 趣 。 从
矿山数字孪生应用场景及典型案例
矿山数字孪生应用场景及典型案例矿山数字孪生是将现实世界中的矿山系统通过数字化技术进行建模和仿真，以实现对矿山系统的监测、优化和智能化管理。
矿山数字孪生应用场景广泛，可以应用于矿山开采、安全管理、设备维护等方面。
下面列举十个典型的矿山数字孪生应用场景及案例。
1. 矿山开采优化矿山数字孪生可以对矿山开采过程进行建模和仿真，通过预测和优化开采参数，实现矿石的高效采集。
例如，利用数字孪生技术可以模拟不同开采方案对矿山开采效益的影响，从而选择最优方案。
2. 矿山安全管理矿山数字孪生可以模拟矿山内部的各种安全因素，如气体浓度、地质构造等，通过监测和预警系统及时发现和预防事故发生。
例如，数字孪生可以实时模拟矿山中的气体浓度分布，预测高浓度区域，提前采取安全措施。
3. 设备维护与故障诊断矿山数字孪生可以对矿山设备进行建模和仿真，通过监测设备的工作状态和性能参数，实现设备的智能化维护和故障诊断。
例如，数字孪生可以模拟设备的工作过程，预测设备的寿命和故障发生的可能性，提前进行维护。
4. 能源管理能源的利用和供应策略，实现矿山的能源节约和环保。
例如，数字孪生可以模拟矿山的能源消耗模式，预测能源需求峰谷，提前进行调度和供应。
5. 环境保护矿山数字孪生可以模拟矿山开采对周围环境的影响，通过优化开采方案和环境治理措施，实现矿山的可持续发展。
例如，数字孪生可以模拟矿山开采对水质和土壤的影响，预测污染扩散范围，制定相应的环保措施。
6. 矿山物流管理矿山数字孪生可以模拟矿石的运输、储存和加工过程，通过优化物流路径和调度策略，实现矿石的高效运输和加工。
例如，数字孪生可以模拟矿山的物流网络，预测矿石运输的时间和成本，优化物流路径和调度计划。
7. 矿山人员管理矿山数字孪生可以模拟矿山内部的人员活动和协作情况，通过优化人员配备和工作流程，提高矿山的工作效率和安全性。
例如，数字孪生可以模拟矿山内部的人员分布和工作任务，预测人员的工作负荷和风险，优化人员配备和工作安排。
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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。
参考文献：
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作者简介：
李强，男，辽宁阜新人，大学本科学历，研究方向：采矿工程。