采矿工程数值模拟技术研究进展 - 图文

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。

一、 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：

一是采场围岩控制问题，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。

二是巷道围岩控制问题，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、.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。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

随着环境保护意识和经济可持续发展理念的增强，提出了煤矿绿色开采技术，其内容主要包括：水资源保护，形成“保水开采”技术；土地与建筑物保护开采技术，如离层注浆、充填与条带开采技术；瓦斯抽放，形成“煤与瓦斯共采”技术；煤层巷道支护与减少矸石排放技术；地下气化技术。上述技术的许多方面属前沿性的研究课题，在缺乏试验设备和现场监测结果的情况下，需要采用数值模拟方法进行理论性和前瞻性的研究，研究煤矿新型开采工艺，除研究开采引起的覆岩移动变形规律及岩层控制技术外，还涉及到材料力学特性的研究，如充填材料的特性等。

（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。这些问题都涉及到流体或固体、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。

（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。

三、充分采动与非充分采动

充分采动是指地下煤层采出后，地表下沉值达到该地质采矿条件下应有最大值时的采动称充分采动。此后开采工作面的尺寸再继续扩大时，地表的影响范围相应扩大，但地表最大下沉值不再增加，地表移动盆地将出现平底。通常把地表移动盆地内只有一个点的下沉值达到最大下沉值的采动情况，称为充分采动，此时的开采称为临界开采。地表有多个点的下沉值达到最大下沉值的采动情况，称为超充分采动，此时的开采称为超临界开采。超充分采动时，静态地表移动盆地将出现平底。

采空区尺寸(长度和宽度)小于该地质采矿条件下的临界开采尺寸时，地表任意点的下沉值均未达到该地质采矿条件下应有的最大下沉值，称这种采动为非充分采动。工作面沿一个方向(走向或倾向)达到临界开采尺寸，而另一个方向未达到临界开采尺寸时，也属于非充分采动，见图1-1(a)。

图1-1 充分采动角及确定方法示意图

(a)走向充分倾向非充分采动；(b)充分采动角确定方法

实际观测表明，采空区的长度和宽度均达到和超过1.2~1.4H0(H0认为平均开

采深度)时，地表可达到充分采动。

充分采动的范围用充分采动角(以?表示)确定。充分采动角的确定方法是：在充分采动条件下，在地表移动盆地的主断面上，移动盆地平底的边缘(在地表水平线上的投影点)和同侧采空区边界连线与煤层在采空区一侧的夹角称为充分采动角。下山一侧的充分采动角以?1表示，上山一侧的充分采动角以?2表示，走向方向的充分采动角以?3表示，见图1-1。由走向和倾向充分采动角共同圈定的范围为充分采动区，该区域内岩体的下沉值均达到该地质采矿条件下的最大值。

四、岩层移动范围

通常用边界角、移动角圈定移动盆地的边界。 (一)用边界角确定

移动盆地最外边界是以地表移动和变形都为零的盆地边界点所圈定的边界。考虑到观测误差，一般取下沉为l0 mm的点为边界点，见图1-3中ABCD。在充分采动或接近充分采动的条件下，地表移动盆地主断面上盆地边界点至采空区边