数值计算方法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。随着计算机技术的发展，数值计算在采矿问题分析中得到广泛的应用。其中应用最多的数值方法有：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、离散元法等。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;围岩稳定;岩层控制

1、引言

随着计算机技术的发展，数值计算在采矿和岩土工程问题分析中得到了广泛的应用。其中应用最多的数值方法有：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、离散元法等。从20世纪60～70年代开始国际上很多机构开始开发有限元算法的分析软件，其中国际著名的有限元分析软件有ADINA、ANSYS、MSC等。但由于不是专门为岩土和采矿工程而开发，在解决某些岩土和采矿问题，如分析软岩巷道的大变形和采矿工程中顶板垮落等问题时经常很难计算，于是专门为岩土和采矿工程数值分析软件应运而生，如FLAC、UDEC、RFPA等。这些软件都可以与CAD软件无缝集成，具有自动建模能力，可求解非线性问题和耦合场，同时程序具有开放性。

2、数值模拟方法基本原理

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。岩体是一种脆性极强的材料，往往在受力不大时就发生破坏与断裂，大多数软件基于岩体的此特性，通过引进“基元”与“相变”的微观概念，建立了弹性损伤力学这一数学模型。

3、数值模拟方法在采矿工程中的应用

3.1数值模拟的步骤

采矿工程中的数值模拟可分为以下步骤：1）确定模型分析目的;2）创建物理系统的概念图;3）建立和运行简单的理想化模型;4）收集具体问题的数据;5）准备一系列详细的模型来运行;6）完成模型计算;7）提出结果用于解释。按照以上的步骤，可以有效解决采矿工程中的岩土工程问题。

3.2存在的主要问题

采矿工程中岩土工程问题尤为突出，如煤矿冲击地压、瓦斯突出、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、煤炭地下气化和煤柱的长期稳定性等问题，都需要研究。而采矿工程问题中，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：

（1）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。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。对于煤矿采动覆岩来说，大部分覆岩的及时垮落是必须的，但覆岩的垮落将对采场形成来压;岩层内部造成裂隙和离层，引起气体和水体的运移;地表沉陷造成地面建筑、道路、水体及环境的严重破坏。因此，必须研究覆岩的活动规律及岩层控制技术。

（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，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。有些巷道受一次采动影响即全部毁坏，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使用即可。

3.3 采矿工程中数值模拟的应用

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上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變形有其自身的规律和特殊性，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：1）水资源保护，形成“保水开采”技术;2）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;3）瓦斯抽放，形成“煤与瓦斯共采”技术;4）煤层巷道支护与减少矸石排放技术;5）地下气化技术。

（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现象对工程岩体稳定性的影响、研究消除或减轻这些危害的技术措施。

（3）热力学分析。近年来，大力发展煤炭的洁净利用，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量含水层，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，都涉及到流体或固体、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）固体与气体的耦合作用。瓦斯突出是煤矿常见的一种动力现象，煤层中的瓦斯具有很高的吸附性。对于这种固体与气体的耦合作用如何进行数值模拟需要结合其它方法进行研究。

4、结语

采矿工程中的岩土工程问题有其自身的特点，主要表现在采矿领域的大部分围岩稳定性都涉及到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移动和严重破裂，导致研究的复杂化。但是由于采矿工程问题多处于地下，存在很多不确定因素，还有很多问题需要通过数值模拟的手段进行更深入的研究。

参考文献：

[1]蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2002.

[2]谢文兵，陈晓祥，郑陌生.采矿工程问题数值模拟研究与分析[M].徐州：中国矿业大学出版社，2005.

[3]赵德深，陈雄，覃丽坤等.采动覆岩离层的数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2005（24）.

作者简介：杨桂松（1984.10-），男，汉族，河南焦作人，专科，助理工程师，毕业于河南工程技术学校，研究方向：采矿工程。