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。

受采动应力场影响，采动岩体将发生变形直至破裂，破裂后的块状围岩体将形成堆砌结构，其失稳即造成岩体运动，直至再形成稳定的块状堆砌结构。

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为采数值模拟方法在采矿工程中的应用在采矿工程中，数值模拟方法不仅能模拟岩体复杂的力学和结构特征，还能很方便地解决现场监测需要大量人力、物力而无法完成的、现有力学理论不能求解的复杂形体问题，并对矿山岩体稳定性进行预测与预报。

2、数值模拟软件的发展现状
（1）ansys、adina、msc、abaqus 等软件。

这几款为国际著名的有限元分析软件，这些软件在机械制造、空气动力学等诸多领域，预计的精度非常高，在早期阶段，采矿工程主要使用这些软件，但是由于岩土工程的力学特性和非连续性，这些软件在解决岩土工程问题时，不是很方便，甚至很难运行下去，故现在使用较少。

（2）flac 软件。

flac2d 是一种二维的显式有限差分程序，flac 主要用来模拟土层，岩石及其他材料的力学行为，由全部运动方程(包括惯性联)的显式时步求解，占用内存较小。

针对采矿工程实际问题，flac最重要的是可以跟踪渐进的破坏和坍塌，这点是有限元软件所不能比拟的。

flac 软件在采矿工程中的主要用途如下：利用节理面来估计断层的影响，利用结构单元来模拟各种岩体加固系统，研究材料剪切带局部化及其演化过程以及估计地下爆破载荷的影响等等。

同时，用户可以利用fish 创建自己的本构模型，并直接在软件中测试它们对材料特性的假设，避免了单独写程序来测试它们，节省了时间。

另外，flac3d 是三维的程序，对于模拟复杂
问题非常有效。

（3）udec 软件。

udec 是基于离散单元法用于模拟非连续系统的二维数值程序。

udec 可以模拟静态或动态载荷作用下非连续介质的响应，它非常适合研究与非连续特性直接相关的潜在破坏模式。

尤其是地质构造相当清楚的情况下，最好使用它。

同flac 一样，udec 实用显式求解方法，允许进行静态或动态分析。

udec 软件在采矿工程中的主要用途如下：断裂滑移引起开挖周围岩石破坏，通过在模型边界上施加动态应力或速率彼研究爆破的影响，采用结构单元模拟诸如注浆、岩锚和喷浆等岩石加固以及采用连续屈服节理模型研究地震诱发的断层滑移等。

另外，3dec 是udec 的三维推广。

（4）pfc 软件。

pfc2d 是通过离散单元方法来模拟圆形颗粒介质的运动及其相互作用，它可以模拟颗粒间的相互作用问题、大变形问题、断裂问题等。

在采矿工程中主要用途如下：在槽、管、料斗、筒仓中松散物体的流动问题以及矿山冒落法开采中的岩体断裂、坍塌、破碎和岩块的流动问题等。

（5）rfpa 软件。

它是一种基于有限元应力分析和统计损伤理论的材料破裂过程分析数值计算方法，是一个能够模拟材料渐进破裂直至失稳全过程的数值试验工具。

该方法的一个重要特色是考虑了材料性质的非均性，是一种通过非均匀性模拟非线性、通过连续介质力学方法模拟非连续介质力学问题的材料破裂过程分析新型
数值分析方法。

在采矿工程中的主要用途如下：模拟煤与瓦斯的突出工程，分析井筒掘进工作面附近应力分布，研究锚杆作用机理以及研究采场上覆岩层移动规律等。

3、采矿工程数值模拟重点
3.1 采矿工程问题的特点
与岩土工程相比，采矿工程中，工作面上覆岩层损伤，破坏，失稳是不可避免的。

目前的固体力学还只能对理想的弹性，塑性和损伤体进行可靠的变形和受力分析，但是采矿工程更为重视的是材料和结构破坏后的力学行为，它所关心的问题主要如下：（1）采场围岩控制问题。

即岩体结构是如何破坏的，破坏的岩体是否趋于稳定以及结构失稳后的形态变化。

（2）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。

3.2 数值模拟方法在采矿工程中的应用
对采矿工程数值模拟方法的各方面展开研究。

从数值模拟方法的发展历程和采矿工程问题的特点看，采矿工程数值模拟方法必须要反映采矿工程问题的特点，在数值模拟软件的取向更偏重于能反映采矿工程问题特点的专业化软件。

实际上，开采引起的覆岩移动变形有其自身的规律和特殊性，因此要结合采矿工程问题的特点，对采矿工程数值力学分析方法的各个方面，包括数值计算方法、模
型的合理范围和边界条件等需要进行专门的研究。

（1）新型开采工艺研究随着环境保护意识和经济可持续发展理念的增强，提出了煤矿绿色开采技术，其内容主要包括：水资源保护，形成“保水开采”技术；土地与建筑物保护开采技术，如离层注浆、充填与条带开采技术；瓦斯抽放，形成“煤与瓦斯共采”技术；煤层巷道支护与减少矸石排放技术；地下气化技术。

上述技术的许多方面属前沿性的研究课题，在缺乏试验设备和现场监测结果的情况下，需要采用数值模拟方法进行理论性和前瞻性的研究，研究煤矿新型开采工艺，除研究开采引起的覆岩移动变形规律及岩层控制技术外，还涉及材料力学特性的研究，如充填材料的特性等。

（2）各种动力灾害及控制技术研究地震波及各种动力源对各种岩土工程带来极大的危害，煤矿井下经常出现瓦斯突出和冲击地压，进一步采用数值模拟方法从机理上分析这些动力现象对工程岩体稳定性的影响、研究消除或减轻这些动力危害的技术措施。

（3）热力学分析近年来，大力发展了煤炭的洁净利用。

煤炭地下气化、围岩的活动规律及岩层控制问题需要采用数值力学分析方法进行热力学分析。

要深入研究该问题，首先要研究煤层及围岩在煤炭地下气化过程中的力学特性。

（4）固体与液体的耦合作用浅部地下岩层存在大节含水层，煤矿井下开采引起大量含水层失水，如底板突水等；此外井巷支护中
的注浆加固、堵水等。

这些问题都涉及流体或固体、液体和气体的多种耦合作用，研究该问题同样需要采用数值模拟方法进行分析。

（5）深部开采软岩巷道同岩控制及技术研究随着采深的增大，高应力软岩巷道
支护问题更加突出，需要进一步研究深部开采条件下的巷道围岩控制机理及技术。

一般受采动强烈影响后，巷道围岩多呈现极不均匀的移动变形。

需要结合
数值模拟方法研究受采动影响巷道的周岩移动变形特征，并采取相应的围岩控
制技术措施。

（6）岩体蠕变特性对工程岩体稳定性的影响岩体蠕变特性是岩体强度随时间变化的一个固有特性，特别是软岩，问题更加突出。

我国软岩矿井分布十分广泛，全国大多数矿区都存在此类问题。

此外在地铁隧道、水利等各领域也都存在类似的问题，岩体蠕变特性的研究和分析对保证各类岩土工程的长期稳定性至关重要。

近几年随着矿井的衰老，许多矿井“三下”采煤的问题越来越突出，尤其是采用条带式、房柱式还是采用充填开采，都存在一个煤柱或充填体的长期稳定性问题，迫切需要采用数值模拟方法对此进行深入研究。

（7）采矿工程问题的三维数值模拟地下开采围岩的力学行为是一个涉及时间和空间的复杂问题，用传统的平面模型难以反映问题
的实质，有时很难建模，如工作面推进过程中，开采对工作面周围巷道围岩稳定性的影响问题，因此需要建立立体模型来反映采矿过程中的力学问题。

由于三维数值模拟比较费时、费力，比较好的处理办法是将三维数值模拟和平面问题结合起来进行研究。

4、结语
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只有充分了解采矿工程测相结合。