采礦工程中數(shù)值模擬技術(shù)探討論文
在采礦工程中，不僅僅要重視其開采問題，同時(shí)還應(yīng)該重視圍巖穩(wěn)定性以及巖層的控制，因在開采過程中，其圍巖自身具有很多不明確因素，以往所采用的傳統(tǒng)分析方法在解決這些問題的時(shí)候，容易出現(xiàn)很多的弊端。文章就針對(duì)這些問題，就采礦工程中數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)地探討，結(jié)合采礦工程的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行分析。
隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，在采礦工程中開始逐漸應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)，這在很大程度上推動(dòng)了我國采礦工程事業(yè)的發(fā)展。數(shù)值模擬技術(shù)不僅可以模擬巖體結(jié)構(gòu)特性與復(fù)雜力學(xué)，同時(shí)還便于對(duì)各種邊值問題的分析以及施工過程對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)工程巖體的穩(wěn)定性。目前，隨著這種數(shù)值模擬技術(shù)的大力發(fā)展，已經(jīng)逐漸成為了解決采礦工程問題以及其他巖土工程問題的主要研究手段之一。下面文章就采礦工程模擬技術(shù)來進(jìn)行探討。
一、采礦工程中存在的問題
在采礦工程中，因涉及到的內(nèi)容非常的廣泛，導(dǎo)致其存在著很多的問題，其中尤為突出的就是巖土工程問題。不管是采場(chǎng)頂板垮落、深部開采的地溫與地壓，還是覆巖移動(dòng)以及采動(dòng)所引起的高應(yīng)力軟巖巷道圍巖的控制均需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。在采礦工程中，其存在的問題主要分為以下兩種：
(一)采場(chǎng)圍巖控制
采場(chǎng)圍巖控制問題的表現(xiàn)主要如下：巖體結(jié)構(gòu)是怎樣被破斷的，破斷以后的巖塊是否處于一種穩(wěn)定狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)以后其形態(tài)的變化等。采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)主要是指礦體被采出以后，圍巖內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的重新分布，它是巖體變形破裂運(yùn)動(dòng)的源泉，但是因原巖應(yīng)力自身的狀態(tài)以及其在開采以后，難以測(cè)定應(yīng)力場(chǎng)，再加上其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定與相關(guān)的'理論描述都不是很成熟，因受采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的影響，其采動(dòng)巖體就會(huì)發(fā)生一定的變形，一直到破裂，這些破裂后的塊狀圍巖體就會(huì)形成一種堆砌結(jié)構(gòu)，由于其自身失穩(wěn)導(dǎo)致巖體運(yùn)動(dòng)，一直到再形成穩(wěn)定的塊狀堆砌結(jié)構(gòu)為止。
(二)巷道圍巖控制
巷道圍巖控制問題是指開采以后覆巖的移動(dòng)、變形以及破壞導(dǎo)致圍巖應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，即開采對(duì)于工程附近巷道圍巖自身穩(wěn)定性的影響，以及在采動(dòng)影響下，巷道圍巖的控制機(jī)理與技術(shù)。若受相鄰工作面開采的影響，應(yīng)該根據(jù)支承壓力對(duì)于道圍巖穩(wěn)定性所產(chǎn)生的影響，結(jié)合圍巖的實(shí)際狀況與巷道周圍巖石移動(dòng)變形的特征來選用合理的參數(shù)以及支護(hù)方式，合理布置巷道。隨著礦體的不斷采出，在采場(chǎng)的兩側(cè)與前后方的圍巖內(nèi)，都要形成一種集中采動(dòng)應(yīng)力，其中垂直方向上的集中支承壓力，其峰值應(yīng)該達(dá)到3—5γH，其中γ是巖體體積力。在采礦工程中，這種數(shù)值模擬技術(shù)不僅可以模擬巖體結(jié)構(gòu)特征以及其復(fù)雜的力學(xué)，同時(shí)還便于解決在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程中所需的大量人力與物力不能完成的問題，以及現(xiàn)有的力學(xué)理論不可求解的一些復(fù)雜形體問題等，并且還可預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)礦山巖體的穩(wěn)定性。
二、采礦工程數(shù)值模擬技術(shù)的分析
(一)數(shù)值模擬技術(shù)的概述
數(shù)值模擬又稱為計(jì)算機(jī)模擬，通過電子計(jì)算機(jī)，利用數(shù)值計(jì)算與圖像顯示方法，研究工程問題、自然界各類問題以及物理問題。
數(shù)值模擬技術(shù)實(shí)施的步驟主要為：第一，構(gòu)建反映問題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)而言之就是構(gòu)建反映問題的各量間微方程以及其相應(yīng)的定解條件。這一步驟為數(shù)值模擬技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)，若無完善且正確的數(shù)學(xué)模型，其數(shù)值模型技術(shù)就無法進(jìn)行;第二，在構(gòu)建數(shù)學(xué)模型以后，采取相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方式，其計(jì)算方式不僅包含了微分方程離散化方法以及求解方式，同時(shí)還包括建立貼體坐標(biāo)和處理邊界條件等;第三，明確坐標(biāo)系與計(jì)算方式以后，開始編制程序和計(jì)算，最后待完成計(jì)算工作以后，將這些數(shù)據(jù)通過圖像的方式顯示出來。
(二)采礦工程數(shù)值模擬技術(shù)
采礦工程數(shù)值模擬涉及到設(shè)計(jì)基本原理與一些特殊情況方面的內(nèi)容，必須要用很少的現(xiàn)場(chǎng)特定數(shù)據(jù)，來分析和設(shè)計(jì)巖土內(nèi)或者巖土上其結(jié)構(gòu)與開挖。由于巖土自身的強(qiáng)度特性以及變形存在著較大的變化，要想獲得巖土現(xiàn)場(chǎng)所有數(shù)據(jù)根本是不可能的，只能部分了解。因用于分析與設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)比較有限，巖土力學(xué)中的數(shù)值模型主要是用來對(duì)影響整個(gè)系統(tǒng)力學(xué)行為主導(dǎo)機(jī)理的理解。其步驟主要如下：
第一，明確模型分析的目的。模型詳細(xì)程度往往主要依賴于分析目的，如其目的明確，只需構(gòu)建一個(gè)粗糙的模型，使其能夠產(chǎn)生出解釋系統(tǒng)力學(xué)行為的機(jī)理即由于采礦工程問題涉及到很多復(fù)雜影響因素，在明確其目的的時(shí)候，應(yīng)該從其全局觀點(diǎn)出發(fā)，如果有必要可以再進(jìn)行細(xì)化。
第二，物理系統(tǒng)概念圖的構(gòu)建。在給定的相應(yīng)條件下，必須要具備相應(yīng)的問題概念圖，以此對(duì)系統(tǒng)預(yù)期行為進(jìn)行初步估計(jì)。在創(chuàng)建該圖的時(shí)候，應(yīng)該綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、主導(dǎo)力學(xué)所反映的內(nèi)容是屬于線性還是為非線性、系統(tǒng)是否被物理結(jié)構(gòu)所限定、其邊界是否延伸至無線等，基于這些問題來明確數(shù)值模型的特征。
第三，簡(jiǎn)單且理想化模型的構(gòu)建和運(yùn)行。在構(gòu)建數(shù)據(jù)模型之前，應(yīng)該先進(jìn)行簡(jiǎn)單且理想化模型的構(gòu)建以及運(yùn)行，通過該模型來產(chǎn)生一些初步結(jié)果，通過這些結(jié)果，促使人們能夠?qū)ο到y(tǒng)概念圖進(jìn)行深入的理解，待簡(jiǎn)單模型運(yùn)行以后，可能還需重復(fù)上述的步驟二。
第四，相關(guān)數(shù)據(jù)的收集。在模型分析中所需數(shù)據(jù)類型主要包括以下幾種：幾何特征，比如地下巷道的斷面、巖體的結(jié)構(gòu)等;地質(zhì)構(gòu)造的位置，比如斷層、節(jié)理系和層面等;材料的特性，比如彈塑性和后破壞性;初始條件，比如現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力狀態(tài)、飽和度和空隙壓力等;外部荷載。由于其存在著大量不明確的因素，在研究和分析的時(shí)候，其參數(shù)范圍必須要合理，通過大量模擬結(jié)果顯示，運(yùn)行簡(jiǎn)單模型便于參數(shù)范圍的明確，同時(shí)還能對(duì)所需數(shù)據(jù)的獲取所實(shí)施的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供相應(yīng)的指導(dǎo)。
第五，準(zhǔn)備一系列詳細(xì)的模型來進(jìn)行運(yùn)行。一般數(shù)值模擬分析會(huì)涉及到一系列計(jì)算機(jī)模擬，因此在構(gòu)建數(shù)值模型的時(shí)候，應(yīng)該著重考慮以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：完成模型計(jì)算所需的時(shí)間，參數(shù)變化的影響，模型運(yùn)行中間狀態(tài)的保存，物理數(shù)據(jù)的比較，監(jiān)測(cè)位置的設(shè)置等。
第六，模型計(jì)算的完成以及結(jié)果的提出。在運(yùn)算過程中應(yīng)該不時(shí)停下，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，以此保證其響應(yīng)是預(yù)期的。當(dāng)確信模型為正確運(yùn)行的時(shí)候，可按照順序一起來計(jì)算幾個(gè)模型的數(shù)據(jù)，在順序運(yùn)行的任何一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，均可中斷計(jì)算，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)地審查，接著再繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)行或者適當(dāng)修改模型。最后通過圖形的方式將結(jié)果顯示出來，其圖形結(jié)果應(yīng)該以某一種格式顯示為主，確保其能夠直接和現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。
結(jié)束語
綜上所述，由于在采礦工程中，其采礦領(lǐng)域大部分的圍巖穩(wěn)定性問題均會(huì)涉及到開采所引起的強(qiáng)烈影響，造成圍巖應(yīng)力重新分布，以此引發(fā)高應(yīng)力作用和圍巖大范圍移動(dòng)以及嚴(yán)重的破裂。針對(duì)這些問題，在采礦工程中應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)的時(shí)候，必須要事先充分了解工程項(xiàng)目自身所具備的特殊性，收集相關(guān)的數(shù)據(jù)和資料，正確應(yīng)用數(shù)值模擬軟件，結(jié)合數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，采取相應(yīng)的措施，以此確保采礦工程的開采工作順利進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)最大化的經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益。
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