仿真技術(shù)在采礦工程教課中的作用

1、仿真技術(shù)在采礦工程教課中的作用 1多元數(shù)值仿真技術(shù) 多元數(shù)值仿真技術(shù)是指針對所研究問題，充分發(fā)揮不同數(shù)值計(jì)算方法（有限差分法、有限元法、離散單元方法等）的特點(diǎn)，運(yùn)用2種或2種以上數(shù)值計(jì)算方法對問題進(jìn)行全面研究，主要表現(xiàn)在：（1）注重利用各個(gè)數(shù)值計(jì)算方法去解決可發(fā)揮其優(yōu)勢的工程問題；（2）在解決復(fù)雜工程問題過程中，注重發(fā)揮各個(gè)數(shù)值計(jì)算方法特點(diǎn)，解決該工程中的一部分問題，最終綜合各個(gè)仿真研究結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對工程問題的全面研究；（3）注重計(jì)算過程中各個(gè)數(shù)值仿真結(jié)果之間或與現(xiàn)場工程實(shí)際相互驗(yàn)證，相互校正，相互補(bǔ)充，達(dá)到對工程實(shí)際的模擬追蹤，實(shí)現(xiàn)數(shù)值仿真精細(xì)化；（4）注重對工程問題的各種現(xiàn)象的可視化仿真再現(xiàn)

2、或是對未知問題的可視化仿真探索研究。 多元數(shù)值仿真技術(shù)體系（見圖1）主要包括基于有限差分原理（flac）、有限單元原理（rfpa）、離散元原理（udec）和顆粒元原理（pfc）的數(shù)值計(jì)算技術(shù)，不同數(shù)值計(jì)算方法針對不同的巖土工程問題。巖體非線性連續(xù)大變形問題主要利用有限差分法來研究，并輔以有限單元和離散元數(shù)值計(jì)算方法；巖體非線性破壞運(yùn)動問題主要利用有限單元法來研究，并輔以其他2種數(shù)值計(jì)算方法；固體、氣體等流動問題主要利用離散元法來研究，并輔以其他2種數(shù)值計(jì)算方法等。 2多元數(shù)值仿真技術(shù)在采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用 2.1基本巖石力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn) 利用多元數(shù)值仿真技術(shù)可實(shí)現(xiàn)巖石力學(xué)基本實(shí)驗(yàn)中基本現(xiàn)象的計(jì)

3、算機(jī)仿真再現(xiàn)（包括拉伸破壞、壓縮破壞、剪力破壞、多點(diǎn)彎曲等），讓學(xué)生看到力學(xué)實(shí)驗(yàn)中無法看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加深理解試件加載過程中應(yīng)力布與演化過程以及試件的破壞機(jī)制。圖2是巖石單軸壓縮過程仿真結(jié)果。 2.2井巷工程仿真 巷道穩(wěn)定性問題一直是煤礦開采過程中的一大難題，由于巷道形狀、支護(hù)形式、所處地質(zhì)環(huán)境等多種因素交叉影響，導(dǎo)致了巷道變形、破壞的誘因復(fù)雜。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測和理論分析手段，利用數(shù)值仿真技術(shù)再現(xiàn)巷道變形破壞規(guī)律和找出變形破壞主因，并可以模擬不同的支護(hù)方式對巷道進(jìn)行不同方案支護(hù)效果分析，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室就可以了解巷道失穩(wěn)的規(guī)律，并利用已學(xué)知識對巷道變形破壞問題進(jìn)行處理，達(dá)到了對原有知識的鞏固，加深了

4、對井下巷道的主要變形和冒頂、底臌、片幫等破壞形式的認(rèn)識。 多元數(shù)值仿真技術(shù)解決巷道問題的主要思路：注重利用各個(gè)數(shù)值計(jì)算方法去解決可以發(fā)揮其優(yōu)勢的工程問題，對于巷道支護(hù)元素失效而導(dǎo)致巷道破壞問題，利用非線性大變形程序flac對不同圍巖條件下巷道變形過程進(jìn)行模擬，研究其支護(hù)元素（錨桿、鋼梁等）的支護(hù)力學(xué)特性并進(jìn)行對比，選擇合理支護(hù)方案；對于巷道頂板冒落和片幫問題，應(yīng)以離散元方法和巖石破裂過程分析rfpa為主，研究圍巖的破裂運(yùn)移規(guī)律等。圖3顯示巷道頂板冒落仿真結(jié)果。 2.3采場仿真 采場是采礦工程的主要作業(yè)空間，其巖體空間力學(xué)特征更為復(fù)雜，并伴有各中動力現(xiàn)象，支護(hù)體與圍巖相互作用保障支護(hù)空間的穩(wěn)定性

5、，同時(shí)，伴有采場后方上覆巖層周期性的垮落。運(yùn)用多元數(shù)值仿真技術(shù)對采場問題進(jìn)行研究，應(yīng)注重發(fā)揮各個(gè)數(shù)值計(jì)算方法特點(diǎn)，針對采場支護(hù)穩(wěn)定性問題、圍巖垮落問題、動力現(xiàn)象等，最終綜合各個(gè)仿真結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)對采場穩(wěn)定性全面研究。對于較復(fù)雜的采場問題，如大傾角煤層開采等，應(yīng)注重各個(gè)數(shù)值仿真結(jié)果的相互驗(yàn)證，相互校正，相互補(bǔ)充，從而得到更接近實(shí)際采場的應(yīng)力分布和巖層變形、移動特征，達(dá)到數(shù)值仿真精細(xì)化、可視化，讓學(xué)生深入了解采礦活動造成的圍巖運(yùn)移規(guī)律，加深對采場瓦斯、透水等災(zāi)害形成機(jī)理的認(rèn)識。圖4是采場巖層破壞仿真結(jié)果。 3結(jié)束語 利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行輔助教學(xué)是對傳統(tǒng)采礦工程教學(xué)改革的一種嘗試，多元數(shù)值仿真技術(shù)不僅具有通用性強(qiáng)、方便靈活、可重復(fù)等特點(diǎn)，而且可以得到許多在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中難以觀測的重要信息，可從多種仿真角度加深學(xué)生對物理現(xiàn)象