采矿工程中数值模拟技术探讨

　　在采矿工程中，不仅仅要重视其开采问题，同时还应该重视围岩稳定性以及岩层的控制，因在开采过程中，其围岩自身具有很多不明确因素，以往所采用的传统分析方法在解决这些问题的时候，容易出现很多的弊端。文章就针对这些问题，就采矿工程中数值模拟技术进行详细地探讨，结合采矿工程的特点，对数值模拟技术进行分析。

　　随着信息技术的不断发展，在采矿工程中开始逐渐应用数值模拟技术，这在很大程度上推动了我国采矿工程事业的发展。数值模拟技术不仅可以模拟岩体结构特性与复杂力学，同时还便于对各种边值问题的分析以及施工过程对巷道围岩稳定性的影响进行分析，预测工程岩体的稳定性。目前，随着这种数值模拟技术的大力发展，已经逐渐成为了解决采矿工程问题以及其他岩土工程问题的主要研究手段之一。下面文章就采矿工程模拟技术来进行探讨。

　　一、采矿工程中存在的问题

　　在采矿工程中，因涉及到的内容非常的广泛，导致其存在着很多的问题，其中尤为突出的就是岩土工程问题。不管是采场顶板垮落、深部开采的地温与地压，还是覆岩移动以及采动所引起的高应力软岩巷道围岩的控制均需要进一步进行研究。在采矿工程中，其存在的问题主要分为以下两种：

　　(一)采场围岩控制

　　采场围岩控制问题的表现主要如下：岩体结构是怎样被破断的，破断以后的岩块是否处于一种稳定状态以及结构失稳以后其形态的变化等。采动应力场主要是指矿体被采出以后，围岩内应力场的重新分布，它是岩体变形破裂运动的源泉，但是因原岩应力自身的状态以及其在开采以后，难以测定应力场，再加上其现场测定与相关的理论描述都不是很成熟，因受采动应力场的影响，其采动岩体就会发生一定的变形，一直到破裂，这些破裂后的块状围岩体就会形成一种堆砌结构，由于其自身失稳导致岩体运动，一直到再形成稳定的块状堆砌结构为止。

　　(二)巷道围岩控制

　　巷道围岩控制问题是指开采以后覆岩的移动、变形以及破坏导致围岩应力场发生变化，即开采对于工程附近巷道围岩自身稳定性的影响，以及在采动影响下，巷道围岩的控制机理与技术。若受相邻工作面开采的影响，应该根据支承压力对于道围岩稳定性所产生的影响，结合围岩的实际状况与巷道周围岩石移动变形的特征来选用合理的参数以及支护方式，合理布置巷道。随着矿体的不断采出，在采场的两侧与前后方的围岩内，都要形成一种集中采动应力，其中垂直方向上的集中支承压力，其峰值应该达到3—5γH，其中γ是岩体体积力。在采矿工程中，这种数值模拟技术不仅可以模拟岩体结构特征以及其复杂的力学，同时还便于解决在现场检测过程中所需的大量人力与物力不能完成的问题，以及现有的力学理论不可求解的一些复杂形体问题等，并且还可预测和预报矿山岩体的稳定性。

　　二、采矿工程数值模拟技术的分析

　　(一)数值模拟技术的概述

　　数值模拟又称为计算机模拟，通过电子计算机，利用数值计算与图像显示方法，研究工程问题、自然界各类问题以及物理问题。

　　数值模拟技术实施的步骤主要为：第一，构建反映问题本质的数学模型，简而言之就是构建反映问题的各量间微方程以及其相应的定解条件。这一步骤为数值模拟技术的出发点，若无完善且正确的数学模型，其数值模型技术就无法进行;第二，在构建数学模型以后，采取相应的数值计算方式，其计算方式不仅包含了微分方程离散化方法以及求解方式，同时还包括建立贴体坐标和处理边界条件等;第三，明确坐标系与计算方式以后，开始编制程序和计算，最后待完成计算工作以后，将这些数据通过图像的方式显示出来。

　　(二)采矿工程数值模拟技术

　　采矿工程数值模拟涉及到设计基本原理与一些特殊情况方面的内容，必须要用很少的现场特定数据，来分析和设计岩土内或者岩土上其结构与开挖。由于岩土自身的强度特性以及变形存在着较大的变化，要想获得岩土现场所有数据根本是不可能的，只能部分了解。因用于分析与设计的数据比较有限，岩土力学中的数值模型主要是用来对影响整个系统力学行为主导机理的理解。其步骤主要如下：

　　第一，明确模型分析的目的。模型详细程度往往主要依赖于分析目的，如其目的明确，只需构建一个粗糙的模型，使其能够产生出解释系统力学行为的机理即由于采矿工程问题涉及到很多复杂影响因素，在明确其目的的时候，应该从其全局观点出发，如果有必要可以再进行细化。

　　第二，物理系统概念图的构建。在给定的相应条件下，必须要具备相应的问题概念图，以此对系统预期行为进行初步估计。在创建该图的时候，应该综合考虑系统的稳定性、主导力学所反映的内容是属于线性还是为非线性、系统是否被物理结构所限定、其边界是否延伸至无线等，基于这些问题来明确数值模型的特征。

　　第三，简单且理想化模型的构建和运行。在构建数据模型之前，应该先进行简单且理想化模型的构建以及运行，通过该模型来产生一些初步结果，通过这些结果，促使人们能够对系统概念图进行深入的理解，待简单模型运行以后，可能还需重复上述的步骤二。

　　第四，相关数据的收集。在模型分析中所需数据类型主要包括以下几种：几何特征，比如地下巷道的断面、岩体的结构等;地质构造的位置，比如断层、节理系和层面等;材料的特性，比如弹塑性和后破坏性;初始条件，比如现场应力状态、饱和度和空隙压力等;外部荷载。由于其存在着大量不明确的因素，在研究和分析的时候，其参数范围必须要合理，通过大量模拟结果显示，运行简单模型便于参数范围的明确，同时还能对所需数据的获取所实施的现场试验提供相应的指导。

　　第五，准备一系列详细的模型来进行运行。一般数值模拟分析会涉及到一系列计算机模拟，因此在构建数值模型的时候，应该着重考虑以下几个方面的内容：完成模型计算所需的时间，参数变化的影响，模型运行中间状态的保存，物理数据的比较，监测位置的设置等。

　　第六，模型计算的完成以及结果的提出。在运算过程中应该不时停下，对其进行检测，以此保证其响应是预期的。当确信模型为正确运行的时候，可按照顺序一起来计算几个模型的数据，在顺序运行的任何一个时间段内，均可中断计算，对其结果进行仔细地审查，接着再继续进行运行或者适当修改模型。最后通过图形的方式将结果显示出来，其图形结果应该以某一种格式显示为主，确保其能够直接和现场的测试结果进行比较。

　　结束语

　　综上所述，由于在采矿工程中，其采矿领域大部分的围岩稳定性问题均会涉及到开采所引起的强烈影响，造成围岩应力重新分布，以此引发高应力作用和围岩大范围移动以及严重的破裂。针对这些问题，在采矿工程中应用数值模拟技术的时候，必须要事先充分了解工程项目自身所具备的特殊性，收集相关的数据和资料，正确应用数值模拟软件，结合数值模拟以及现场监测，采取相应的措施，以此确保采矿工程的开采工作顺利进行，实现最大化的经济效益以及社会效益。

　　作者：冯斌 王良平 来源：中国科技博览 2013年31期