数值模拟在采矿工程中的应用

吴昊

摘 要：在采矿工程中，围岩的稳定性和岩层的控制工作格外重要，数值模拟具有较强的开放性和兼容性，能够有效解决传统分析方法中存在的问题，因此，在采矿工程中得到了较为广泛的应用。文章就来分析一下当前采矿工程中的需要注意的问题和数值模拟在采矿工程中的具体应用。

关键词：数值模拟；采矿工程；问题；应用

随着计算机技术的迅速发展，数值模拟发在采矿工程中得到了越来越广泛的应用。数值模拟方法主要包括有限元法、有限差分法、半解析元法、边界元法、刚体元法、加权余量法、离散元法、非连续变性分析法、流行元法和无界元法等，其中，有限元法的应用是最广泛的。有限元法最早应用与航空航天领域，二十世纪六十到七十年代开始，有限元算法的分析软件开始被研究和开发出来，但是，这些分析软件都不是针对采矿工程开发的，因此，在采矿工程中进行应用时面临着较大的困难。而后，针对采矿工程行业的数值分析软件就应运而生了，这些软件的自动建模能力较强，而且程序的开放性较强。

1 当前采矿工程中存在的问题

1.1 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。然而，覆岩的垮落对形成采场来压，使岩层内部出现离层和缝隙，从而使水体和气体产生位移，最终造成地表塌陷，对地面道路、建筑、环境和水体造成严重危害。因此，采矿工程人员要掌握覆岩的活动规律，研究岩层控制技术，有效解决地表塌陷带来的问题。

1.2 巷道围岩的控制问题

巷道围岩的控制问题主要指开采以后覆岩的变形、移动和破坏对围岩应力场得影响、工作面周围巷道围岩的稳定性受到开采的影响程度、巷道围岩在采动影响下的控制技术等。在相邻工作面开采的影响下，巷道围岩的稳定性会受到支撑压力的影响，因此，要从巷道围岩的移动变形特征出发，并且结合围岩的实际状况，对支护方式和具体参数进行科学选择。

2 数值模拟在采矿工程中的应用

2.1 采矿工程的数值模拟方法分析

根据采矿工程问题的特点和数值模拟方法的发展过程可以看出，采矿工程数值模拟方法要将采矿工程的特点充分反映出来，数值模拟软件基本上是能够反映采矿工程问题的特点的专业化软件。覆岩移动变形是由开采引起的，有着自己的规律和特点，因此，要从采矿工程问题的特点出发，研究采矿工程数值力学的分析方法，主要的研究层面有模型的合理范围、数值的计算方法和边界条件等。

2.2 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。

2.3 热力学研究

如今，煤炭的清洁利用成为一个重点发展方面，对围岩的活动规律、煤炭的地下气化以及岩层控制问题进行分析时，需要利用数值力学分析法中的热力学分析。在进行研究分析之前，要对煤层和围岩在煤炭地下气化过程当中的力学特性有明确把握。

2.4 岩体蠕变特性影响工程岩体的稳定性

岩体强度会随着时间而发生变化，而岩体蠕变特性是岩体强度的固有特性，而且，软岩的岩体蠕变特性更为突出。我国的软岩矿井有着相当广泛的分布，因此，大多数矿区工程岩体的稳定性都会受到岩体蠕变特性的影响，另外，这种情况在水利工程、地铁隧道等各个领域都普遍存在。因此，要对岩体蠕变特性进行详细的研究和分析，以提高各种岩土工程的稳定性。近几年来，矿井面临衰老的危机，多数矿井在采煤过程中都存在着较大问题，房柱式开采、条带式开采和填充式开采等，都不能保证煤柱和填充题的长期稳定性，因此，要利用数值模拟方法对岩体蠕变特性进行深入研究。

2.5 三维数值模擬的应用

地下开采围岩的力学行为与空间和时间等都有着紧密联系，如果仅采用传统的平面模型并不能将问题的实质充分反映出来，而且建模过程中存在着较大困难。因此，需要建立有效的立体模型，对采矿工程中的问题进行研究和分析。如果使用三维数值模拟，需要花费较多的时间和人力，因此，最好的方式是把平面问题与三维数值模拟进行结合。

3 结束语

采矿工程的围岩稳定性受到开采过程的影响，会使围岩应力重新分布，从而产生高应力，最终导致围岩的破裂和大范围移动，使研究面临着较大困难。数值模拟软件具有较强的开放性，能够对采矿工程问题的特点进行深入研究。但是，在研究过程中，也面临着一些不确定因素。因此，采矿单位要认识到数值模拟的重要性，分析当前采矿工程中存在的主要问题，并且将数值模拟技术合理应用到采矿工程研究过程中。

参考文献

[1]岳滨，郭忠林.数值模拟在采矿工程中的应用[J].矿业工程，2010（06）.

[2]吴国兴.数值模拟方法在采矿工程中的应用[J].世界有色金属，2010（06）.

[3]于波.数值模拟在采矿工程中的应用[J].黑龙江科技信息，2014（02）.

[4]施建俊，孟海利，汪旭光.数值模拟在矿山的应用[J].中国矿业，2009（07）.