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摘要：随着我国计算机技术的发展，数值计算方法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、无界元法和流形元法等。
关键词：数值模拟；采矿工程；问题；应用；
采矿工程并不单纯是开采问题，需要注意围岩稳定性以控制岩层。因围岩在开采过程中的不确定因素众多，采用传统分析方法解决存在较大的弊端。因此用于解决采矿工程问题的一种数值分析软件得到迅速发展，并具有良好的开放性和兼容性。
一、数值模拟方法原理
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，构建完成弹性损伤力学数学模型实现数值模拟功能。
二、我国当前采矿工程中存在的问题
1.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.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。
三、数值模拟方法在采矿工程中的应用
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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆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。如今，环境保护成为一项重要工作，如何实现经济的可持续发展是矿业部门需要考虑的问题，在这种背景下，煤矿绿色开采技术就应运而生了。煤炭绿色开采技术主要内容有：第一，水资源保护技术，主要是保水开采技术。第二，建筑物和土地保护开采技术，包括填充技术、离层注浆技术、条带开采技术等。第三，瓦斯抽放技术，主要是煤与瓦斯共采技术。第四，煤层巷道支护技术与控制矸石排放技术。第五，地下气化技术。煤炭绿色开采技术的众多方面都是前沿性的研究课题，由于试验设备不足，现场检测结果不准确，需要使用数值模拟的方式对其开展具有前瞻性的分析和研究。对新型煤炭开采工艺进行研究时，不仅要对开采引起的覆岩移动变形规律和岩层控制技术进行研究，还要对填充材料的特性等材料力学特性进行深入研究。
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。当岩体结构非常复杂并且发生断裂时，要用物理光弹模拟得到岩体跨塌过程中的应力场是不可能的，但用数值模拟方法却很容易做到。（图1）
图1 岩层断裂后应力分布的光弹图
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。
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。
参考文献：
[1]杨峰.浅谈数值模拟在采矿工程中的应用.2017.
[2]谢晓祥，采矿工程问题数值模拟研究与分析.2017.
[3]谢晓祥. 采矿工程问题数值模拟研究与分析，2016.
[4]刘才旺. 数值模拟方法在采矿工程中的应用，2016.
[5]张晓波.浅谈数值模拟在采矿工程中的应用 .2017.
论文作者:李强
论文发表刊物:《防护工程》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/18
标签：围岩论文; 采矿工程论文; 数值论文; 巷道论文; 方法论文; 技术论文; 工作面论文; 《防护工程》2018年第20期论文;