多元数值仿真技术在采矿工程实验教学中的应用

解盘石，伍永平

（西安科技大学能源学院，西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安 710054）

多元数值仿真技术在采矿工程实验教学中的应用

解盘石，伍永平

（西安科技大学能源学院，西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安 710054）

为了克服传统采矿工程实验教学存在的局限性，提出了多元数值仿真实验方法，利用多种数值仿真方法对岩石力学特性、巷道与采场围岩稳定性进行数值仿真，实现了复杂实验的可重复、可视化，易操作，对巩固采矿工程学生专业知识和完善实验辅助教学手段具有重要意义。

采矿工程；实验教学；多元数值仿真；教学改革

采用数值仿真方法对采矿过程进行数值模拟，不仅具有通用性强、方便灵活、可重复等特点，而且可以得到许多在常规实验室实验中难以观测的重要信息，数值仿真可作为采矿工程专业实验教学的重要补充。以西安科技大学采矿工程实验教学为例，利用多元数值仿真方法对采矿工程岩石力学实验与巷道、采场相关实验进行辅助教学，使学生参与教学活动的主动性、创造性大为增强，加深了学生对专业知识的理解。

1 传统采矿工程实验课程教学手段的局限性

目前，在采矿工程实验教学中，主要依赖于现场观测和实验室实物实验［1］。现场观测对工程而言是非常必要的，但由于受到现场条件、人力、物力和财力的限制，这种方法很难在教学中实际操作。实物实验虽直观，但由于岩石破裂过程现象的复杂性，以及实验室观测手段、经费、时间等条件的限制，通常的岩石力学与采矿工程教学很难通过大量的实物实验向学生直观演示各种岩石变形、破坏的复杂现象。因此，数值仿真方法可能是辅助教学的有效手段。此外，在岩石力学方面，由于岩石介质的复杂性，传统的测试方法很难全面反映岩石在变形、损伤演化和宏观破坏过程中的应力场、变形场等重要信息，而数值仿真方法有可能取得较好的效果［2-4］。尽管材料破坏试验对于材料科学研究者和工程技术人员来说是十分重要的，但与工程结构破坏密切相关的工程力学现象，如矿山冲击地压、边坡失稳、混凝土结构（桥梁、大坝等）破坏、巷道破坏垮落等［5］，通过实验室小型试样的加载试验是难以理解的，因为这些破坏不仅与构成工程结构的材料性质有关，而且还涉及复杂的工程结构。工程结构的多样性给破坏分析带来的复杂性是难以通过实验室实验进行系统的观察研究的，数值仿真不失为很有前途的辅助手段。

2 多元数值仿真技术

多元数值仿真技术［6］是指针对所研究问题，充分发挥不同数值计算方法（有限差分法、有限元法、离散单元方法等）［7］的特点，运用2种或2种以上数值计算方法对问题进行全面研究，主要表现在：（1）注重利用各个数值计算方法去解决可发挥其优势的工程问题；（2）在解决复杂工程问题过程中，注重发挥各个数值计算方法特点，解决该工程中的一部分问题，最终综合各个仿真研究结果，实现对工程问题的全面研究；（3）注重计算过程中各个数值仿真结果之间或与现场工程实际相互验证，相互校正，相互补充，达到对工程实际的模拟追踪，实现数值仿真精细化；（4）注重对工程问题的各种现象的可视化仿真再现或是对未知问题的可视化仿真探索研究。

多元数值仿真技术体系（见图1）主要包括基于有限差分原理（FLAC）［8］、有限单元原理（RFPA）［9］、离散元原理（UDEC）［10］和颗粒元原理（PFC）［11］的数值计算技术，不同数值计算方法针对不同的岩土工程问题。岩体非线性连续大变形问题主要利用有限差分法来研究，并辅以有限单元和离散元数值计算方法；岩体非线性破坏运动问题主要利用有限单元法来研究，并辅以其他2种数值计算方法；固体、气体等流动问题主要利用离散元法来研究，并辅以其他2种数值计算方法等。

图1 多元数值仿真技术体系

3 多元数值仿真技术在采矿工程实验教学中的应用

3.1 基本岩石力学仿真实验

利用多元数值仿真技术可实现岩石力学基本实验中基本现象的计算机仿真再现（包括拉伸破坏、压缩破坏、剪力破坏、多点弯曲等），让学生看到力学实验中无法看到的实验现象，加深理解试件加载过程中应力分布与演化过程以及试件的破坏机制。图2是岩石单轴压缩过程仿真结果。

图2 岩石单轴压缩过程仿真

3.2 井巷工程仿真

巷道稳定性问题一直是煤矿开采过程中的一大难题，由于巷道形状、支护形式、所处地质环境等多种因素交叉影响，导致了巷道变形、破坏的诱因复杂。结合现场实测和理论分析手段，利用数值仿真技术再现巷道变形破坏规律和找出变形破坏主因，并可以模拟不同的支护方式对巷道进行不同方案支护效果分析，使学生在实验室就可以了解巷道失稳的规律，并利用已学知识对巷道变形破坏问题进行处理，达到了对原有知识的巩固，加深了对井下巷道的主要变形和冒顶、底臌、片帮等破坏形式的认识。

多元数值仿真技术解决巷道问题的主要思路：注重利用各个数值计算方法去解决可以发挥其优势的工程问题，对于巷道支护元素失效而导致巷道破坏问题，利用非线性大变形程序FLAC对不同围岩条件下巷道变形过程进行模拟，研究其支护元素（锚杆、钢梁等）的支护力学特性［12］并进行对比，选择合理支护方案；对于巷道顶板冒落和片帮问题，应以离散元方法和岩石破裂过程分析RFPA为主，研究围岩的破裂运移规律等。图3显示巷道顶板冒落仿真结果。

3.3 采场仿真

采场是采矿工程的主要作业空间，其岩体空间力学特征更为复杂，并伴有各中动力现象，支护体与围岩相互作用保障支护空间的稳定性，同时，伴有采场后方上覆岩层周期性的垮落。运用多元数值仿真技术对采场问题进行研究，应注重发挥各个数值计算方法特点，针对采场支护稳定性问题、围岩垮落问题、动力现象等，最终综合各个仿真结果，从而实现对采场稳定性全面研究。对于较复杂的采场问题，如大倾角煤层开采等，应注重各个数值仿真结果的相互验证，相互校正，相互补充，从而得到更接近实际采场的应力分布和岩层变形、移动特征，达到数值仿真精细化、可视化，让学生深入了解采矿活动造成的围岩运移规律，加深对采场瓦斯、透水等灾害形成机理的认识。图4是采场岩层破坏仿真结果。

图3 巷道顶板冒落数值仿真结果

图4 采场岩层破坏、移动数值仿真结果

4 结束语

利用计算机仿真技术进行辅助教学是对传统采矿工程教学改革的一种尝试，多元数值仿真技术不仅具有通用性强、方便灵活、可重复等特点，而且可以得到许多在常规实验中难以观测的重要信息，可从多种仿真角度加深学生对物理现象的理解，实现实物实验无法完成的内容，提高学生创新实践能力。

（References）

［1］钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2003.

［2］王述红，唐春安，朱万成，等.数值试验在岩石力学实验教学中的应用［J］.实验技术与管理，2003，20（6）：140-143.

［3］唐春安.采动岩体破裂与岩层移动数值试验［M］.长春：吉林大学出版社，2003.

［4］谢文兵.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.

［5］周维垣，杨强.岩石力学数值计算方法［M］.北京：中国电力出版社，2005.

［6］李鹏博，解盘石，李瑞斌，等.多元数值仿真技术在开采研究中的应用［J］.陕西煤炭，2011（2）：53-55.

［7］孔德森，栾茂田.岩土力学数值分析方法研究［J］.岩土工程技术，2005，19（5）：249-253.

［8］Itasca Consulting Group.FLAC3D（2.1）User’s Manual［M］.Inc Minnesota，USA，2002.

［9］大连力软科技有限公司.RFPA用户使用手册［M］.中国：大连力软科技有限公司，2003.

［10］Itasca Consulting Group.UDEC（3.1）User’s Manual［M］.Inc Minnesota，USA，2000.

［11］Itasca Consulting Group.PFC（3.0）User’s Manual［M］.Inc Minnesota，USA，2002.

［12］樊永宁，解盘石，来兴平，等.深部复杂应力环境下巷道破坏固流耦合数值模拟分析［J］.西安科技大学学报，2007，27（1）：1-4.

Application of multi-numerical-simulation technology in mining engineering experimental teaching

Xie Panshi，Wu Yongping
（Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention of Ministry of Education，School of Mineral Engineering.Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

In order to solve the disadvantages in mining engineering experiment teaching，this article puts forward the multi-numerical-simulation technology，using multi-simulation methods to analyse the rock mechanics characteristic，stability of rock around the roadway and working face，and realizes the repeatability，visualization and easy operation in complex experiment，which is very important for students to consolidate mining engineering knowledge and has the significance for perfecting the experiment aided teaching means.

mining engineering；experiment teaching；multi-numerical-simulation experiment；teachingreform

TD178；TP391.9

B

1002-4956（2013）03-0089-03

2012-06-21 修改日期：2012-08-30

国家自然科学基金（51074120）；国家青年科学基金（51204132）；西安科技大学培育基金（2010049）

解盘石（1981—），男，陕西三原，博士，工程师，从事复杂煤层开采与数值模拟方面的研究.

E-mail：tay584＠qq.com