采矿工程数值模拟技术研究进展.doc

采矿工程数值模拟技术研究进展 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。由于开采中的围岩具有很多的不确定因素, 采用一些传统的分析方法解决些问题的弊端越来越大, 于是一些专门用于解决采矿工程问题的数值分析软件应运而生, 且发展迅速, 其兼容性和开放性越越好; 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。 绪论 近年来，计算机技术迅猛发展，使得数值计算方法在采矿工程问题分析中得到了广泛运用，极大地促进了采矿工程学科的发展。其中，常用的数值计算方法有：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、无界元法和流行元方法等。数值模拟不仅能模拟岩体的复杂力学和结构特性，也可以很方便地分析各种边值问题和施工工艺过程对硐室或巷道围岩稳定性的影响，并对工程岩体稳定性进行预测。如果能从宏观上准确地把握岩体的力学特性，通过地应力测试把握地应力场，数值力学分析结果完全可以用于指导工程实践。近年来，数值模拟技术得到了大力发展，已成为解决采矿工程和其他岩土工程问题的重要研究手段之一。 1. 采矿工程的特点 采矿工程中岩土工程问题非常突出。在采矿工程进行过程中，工作面上的覆岩层受到破坏与损伤，是不可避免的。采矿工程工作的指导思想是材料和结构破坏后的力学行为。其在开采过程中，主要考虑的问题有采场围岩控制问题和巷道围岩控制问题。采场围岩控制是指岩体结构受到了什么样的破坏，遭受破坏后其能否继续趋于稳定，若发生失稳，则考虑其失稳后的岩层结构、形态变化。巷道围岩控制是指开采矿后，覆岩在外力的作用下，发生移动、变形和损坏等现象，导致围岩应力场的变化规律。该考察内容包括开采工作对工作面周围巷道围岩稳定性的影响。 2.采矿工程中存在的主要问题 采矿工程中岩土工程问题尤为突出，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都需要进一步的研究。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）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。。 2）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。但由于原岩应力状态及开采后应力场难以测定，其有关的理论描述和现场测定均不成熟。受采动应力场影响，采动岩体将发生变形直至破裂，破裂后的块状围岩体将形成堆砌结构，其失稳即造成岩体运动，直至再形成稳定的块状堆砌结构。 3.数值模拟方法在采矿工程中的有效应用 综合考虑采矿工程的特点与数值模拟方法的发展历程，采矿工程专用数值模拟软件必须考虑到采矿工程的特点及其开采过程中会遇到的问题，数值模拟方法反映了采矿工程的专业色彩。因开采矿过程中引发的覆岩移动是具有其特殊的规律的，所以我们在充分考虑采矿工程特点的基础上，充分研究采矿工程数值力学分析法的各方面，研究内容包括数值计算法、模型合理范围等。 二、数值模拟方法的现状 1、随着工程设计、科研等要求的不断提高以及计算机计算能力的快速发展，数值力学分析已经成为解决复杂工程分析问题的常规手段，其主要作用表现在以下几个方面： （1）研究工程问题内在的力学机理 （2）增加工程和产品的可靠性 （3）在工程和产品的设计阶段发现潜在的问题 （4）经过分析计算，采用优化设计方案，降低工程和产品的成本 （5）集成尽快确定工程问题的设计方案，加速产品开发 （6）模拟物理试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费。 目前各种数值方法的分析软件很多，如国际著名的有限分析软件有ADINA、ANSYS、MSC等，这些软件功能大而全，但因不是专门为岩土工程问题开发，在解决岩土及采矿工程问题时，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开发的软件应运而生，如 FIAC、UDEC、RFPA等。目前数值力学分析软件的发展表现在以下几个方面： （1）与CAD软件的无缝。用CAD软件设计的图形能直接将模型传送到数值分析软件中建模并进行分析计算。 （2）强大可靠的自动建模能力。对大多数数值分析软件来说，模型细化是建模的关键一步。模型离散后的网格质量直接控制求解时间，结果误差大小。 （3）由求解线性问题发展到非线性。 （4）由求解结构场发展到耦合场。 （5）程序的开放性。 三、 数值模拟方法在采矿工程中的应用 1、.采矿工程中存在的主要问题 采矿工程中岩土工程问题尤为突出，采场顶板垮落、覆岩移动及控制采动引起的高应力软