【摘要】現(xiàn)在的采礦工程已不僅是開采問題，而且還要注意圍巖穩(wěn)定性和巖層控制。隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值計算在采礦問題分析中得到廣泛的應用。其中應用最多的數(shù)值方法有：有限差分法、有限元法、邊界元法、加權余量法半解析元法、剛體元法、非連續(xù)變形分析法、離散元法等。根據(jù)采礦工程的自身特點，數(shù)值模擬在解決該問題的作用越來越大。

【關鍵詞】采礦工程;數(shù)值模擬;圍巖穩(wěn)定;巖層控制

1、引言

隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值計算在采礦和巖土工程問題分析中得到了廣泛的應用。其中應用最多的數(shù)值方法有：有限差分法、有限元法、邊界元法、加權余量法半解析元法、剛體元法、非連續(xù)變形分析法、離散元法等。從20世紀60～70年代開始國際上很多機構(gòu)開始開發(fā)有限元算法的分析軟件，其中國際著名的有限元分析軟件有ADINA、ANSYS、MSC等。但由于不是專門為巖土和采礦工程而開發(fā)，在解決某些巖土和采礦問題，如分析軟巖巷道的大變形和采礦工程中頂板垮落等問題時經(jīng)常很難計算，于是專門為巖土和采礦工程數(shù)值分析軟件應運而生，如FLAC、UDEC、RFPA等。這些軟件都可以與CAD軟件無縫集成，具有自動建模能力，可求解非線性問題和耦合場，同時程序具有開放性。

2、數(shù)值模擬方法基本原理

數(shù)值分析軟件都是基于彈性理論解決巖體非線性變形與破壞問題的數(shù)值方法。巖體是一種脆性極強的材料，往往在受力不大時就發(fā)生破壞與斷裂，大多數(shù)軟件基于巖體的此特性，通過引進“基元”與“相變”的微觀概念，建立了彈性損傷力學這一數(shù)學模型。

3、數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應用

3.1數(shù)值模擬的步驟

采礦工程中的數(shù)值模擬可分為以下步驟：1）確定模型分析目的;2）創(chuàng)建物理系統(tǒng)的概念圖;3）建立和運行簡單的理想化模型;4）收集具體問題的數(shù)據(jù);5）準備一系列詳細的模型來運行;6）完成模型計算;7）提出結(jié)果用于解釋。按照以上的步驟，可以有效解決采礦工程中的巖土工程問題。

3.2存在的主要問題

采礦工程中巖土工程問題尤為突出，如煤礦沖擊地壓、瓦斯突出、采場頂板垮落、覆巖移動及控制、采動引起的高應力軟巖巷道圍巖控制、深部開采的地溫和地壓、煤炭地下氣化和煤柱的長期穩(wěn)定性等問題，都需要研究。而采礦工程問題中，必須研究材料和結(jié)構(gòu)破壞后的力學行為，其存在的主要問題可分為兩大類：

（1）采場圍巖控制問題，即巖體結(jié)構(gòu)是如何破斷的，破斷后的巖塊是否趨于穩(wěn)定狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后的形態(tài)變化。采動應力場是指礦體采出后圍巖內(nèi)重新分布的應力場，它是巖體變形-破裂-運動之源。對于煤礦采動覆巖來說，大部分覆巖的及時垮落是必須的，但覆巖的垮落將對采場形成來壓;巖層內(nèi)部造成裂隙和離層，引起氣體和水體的運移;地表沉陷造成地面建筑、道路、水體及環(huán)境的嚴重破壞。因此，必須研究覆巖的活動規(guī)律及巖層控制技術。

（2）巷道圍巖控制問題，即開采后覆巖移動、變形和破壞導致圍巖應力場的變化，隨著礦體的采出，在采場兩側(cè)和前后方圍巖內(nèi)均要形成采動應力集中，特別是垂直方向上的支承壓力集中，峰值可達（3～5）γH（其中γ為巖體的體積力;H為采深），甚至還要高。在深部開采時，如采場兩側(cè)巷道圍巖受支承壓力峰值影響，必將給巷道圍巖控制造成嚴重困難。有些巷道受一次采動影響即全部毀壞，有時則使巷道圍巖的變形呈流變狀態(tài)，并且在一般的支護條件下難以克服。由于工作面周圍巷道服務時間短，此類巷道雖變形較大，但只要在巷道服務期內(nèi)能保證巷道的正常安全使用即可。

3.3 采礦工程中數(shù)值模擬的應用

采礦工程數(shù)值模擬方法必須要反映采礦工程問題的特點，在數(shù)值模擬軟件的取向上更偏重于能反映采礦工程問題特點的專業(yè)化軟件。實際上，開采引起的覆巖移動變形有其自身的規(guī)律和特殊性，要結(jié)合采礦工程問題的特點，對采礦工程數(shù)值力學分析方法的各個方面，包括數(shù)值計算方法、模型的合理范圍和邊界條件等需要進行專門的研究。

（1）新型開采工藝研究。隨著環(huán)境保護意識和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展理念的增強，提出了煤礦綠色開采技術，其內(nèi)容主要包括：1）水資源保護，形成“保水開采”技術;2）土地與建筑物保護開采技術，如離層注漿、充填與條帶開采技術;3）瓦斯抽放，形成“煤與瓦斯共采”技術;4）煤層巷道支護與減少矸石排放技術;5）地下氣化技術。

（2）各種動力災害及控制技術研究。地震波及各種動力源對各種巖土工程帶來極大的危害，煤礦井下經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯突出和沖擊地壓，進一步采用數(shù)值模擬方法從機理上分析這些現(xiàn)象對工程巖體穩(wěn)定性的影響、研究消除或減輕這些危害的技術措施。

（3）熱力學分析。近年來，大力發(fā)展煤炭的潔凈利用，煤炭地下氣化、圍巖的活動規(guī)律及巖層控制問題需要采用數(shù)值力學分析方法進行熱力學分析。要深入研究該問題，首先要研究煤層及圍巖在煤炭地下氣化過程中的力學特性。

（4）固體與液體的耦合作用。淺部地下巖層存在大量含水層，煤礦井下開采引起大量含水層失水，如底板突水等;此外井巷支護中的注漿加固、堵水等，都涉及到流體或固體、液體和氣體的多種耦合作用，研究該問題同樣需要采用數(shù)值模擬方法進行分析。

（5）固體與氣體的耦合作用。瓦斯突出是煤礦常見的一種動力現(xiàn)象，煤層中的瓦斯具有很高的吸附性。對于這種固體與氣體的耦合作用如何進行數(shù)值模擬需要結(jié)合其它方法進行研究。

4、結(jié)語

采礦工程中的巖土工程問題有其自身的特點，主要表現(xiàn)在采礦領域的大部分圍巖穩(wěn)定性都涉及到開采引起的強烈影響，引起圍巖應力重新分布帶來的高應力作用以及圍巖的移動和嚴重破裂，導致研究的復雜化。但是由于采礦工程問題多處于地下，存在很多不確定因素，還有很多問題需要通過數(shù)值模擬的手段進行更深入的研究。

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作者簡介：楊桂松（1984.10-），男，漢族，河南焦作人，專科，助理工程師，畢業(yè)于河南工程技術學校，研究方向：采礦工程。