采礦工程數(shù)值模擬技術(shù)研究進展

1、 采礦工程數(shù)值模擬技術(shù)研究進展摘要： 現(xiàn)在的采礦工程已不僅是開采問題, 而且還要注意圍巖穩(wěn)定性和巖層控制。由于開采中的圍巖具有很多的不確定因素, 采用一些傳統(tǒng)的分析方法解決些問題的弊端越來越大, 于是一些專門用于解決采礦工程問題的數(shù)值分析軟件應(yīng)運而生, 且發(fā)展迅速, 其兼容性和開放性越越好; 根據(jù)采礦工程的自身特點, 數(shù)值模擬在解決該問題的作用越來越大。一、 緒論近年來，計算機技術(shù)迅猛發(fā)展，使得數(shù)值計算方法在采礦工程問題分析中得到了廣泛運用，極大地促進了采礦工程學(xué)科的發(fā)展。其中，常用的數(shù)值計算方法有：有限差分法、有限元法、邊界元法、加權(quán)余量法、半解析元法、剛體元法、非連續(xù)變形分析法、離散元法、

2、無界元法和流行元方法等。數(shù)值模擬不僅能模擬巖體的復(fù)雜力學(xué)和結(jié)構(gòu)特性，也可以很方便地分析各種邊值問題和施工工藝過程對硐室或巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，并對工程巖體穩(wěn)定性進行預(yù)測。如果能從宏觀上準(zhǔn)確地把握巖體的力學(xué)特性，通過地應(yīng)力測試把握地應(yīng)力場，數(shù)值力學(xué)分析結(jié)果完全可以用于指導(dǎo)工程實踐。近年來，數(shù)值模擬技術(shù)得到了大力發(fā)展，已成為解決采礦工程和其他巖土工程問題的重要研究手段之一。1. 采礦工程的特點 采礦工程中巖土工程問題非常突出。在采礦工程進行過程中，工作面上的覆巖層受到破壞與損傷，是不可避免的。采礦工程工作的指導(dǎo)思想是材料和結(jié)構(gòu)破壞后的力學(xué)行為。其在開采過程中，主要考慮的問題有采場圍巖控制問題和巷道

3、圍巖控制問題。采場圍巖控制是指巖體結(jié)構(gòu)受到了什么樣的破壞，遭受破壞后其能否繼續(xù)趨于穩(wěn)定，若發(fā)生失穩(wěn)，則考慮其失穩(wěn)后的巖層結(jié)構(gòu)、形態(tài)變化。巷道圍巖控制是指開采礦后，覆巖在外力的作用下，發(fā)生移動、變形和損壞等現(xiàn)象，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力場的變化規(guī)律。該考察內(nèi)容包括開采工作對工作面周圍巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。2.采礦工程中存在的主要問題 采礦工程中巖土工程問題尤為突出，采場頂板垮落、覆巖移動及控制采動引起的高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制，深部開采的地溫和地壓都需要進一步的研究。采礦工程問題中，必須研究材料和結(jié)構(gòu)破壞后的力學(xué)行為，其存在的主要問題可分為兩大類： 1）巷道圍巖控制問題，即開采后覆巖移動、變形和破壞導(dǎo)致圍巖應(yīng)

4、力場的變化規(guī)律；開采對工作面周圍巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，以及采動影響下巷道圍巖控制機理及控制技術(shù)。2）采場圍巖控制問題，即巖體結(jié)構(gòu)是如何破斷的、破斷后的巖塊是否趨于穩(wěn)定狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后的形態(tài)變化。采動應(yīng)力場是指礦體采出后圍巖內(nèi)重新分布的應(yīng)力場，它是巖體變形破裂運動之源。但由于原巖應(yīng)力狀態(tài)及開采后應(yīng)力場難以測定，其有關(guān)的理論描述和現(xiàn)場測定均不成熟。受采動應(yīng)力場影響，采動巖體將發(fā)生變形直至破裂，破裂后的塊狀圍巖體將形成堆砌結(jié)構(gòu)，其失穩(wěn)即造成巖體運動，直至再形成穩(wěn)定的塊狀堆砌結(jié)構(gòu)。3.數(shù)值模擬方法在采礦工程中的有效應(yīng)用 綜合考慮采礦工程的特點與數(shù)值模擬方法的發(fā)展歷程，采礦工程專用數(shù)值模擬軟件必須考慮

5、到采礦工程的特點及其開采過程中會遇到的問題，數(shù)值模擬方法反映了采礦工程的專業(yè)色彩。因開采礦過程中引發(fā)的覆巖移動是具有其特殊的規(guī)律的，所以我們在充分考慮采礦工程特點的基礎(chǔ)上，充分研究采礦工程數(shù)值力學(xué)分析法的各方面，研究內(nèi)容包括數(shù)值計算法、模型合理范圍等。二、數(shù)值模擬方法的現(xiàn)狀1、隨著工程設(shè)計、科研等要求的不斷提高以及計算機計算能力的快速發(fā)展，數(shù)值力學(xué)分析已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析問題的常規(guī)手段，其主要作用表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）研究工程問題內(nèi)在的力學(xué)機理（2）增加工程和產(chǎn)品的可靠性（3）在工程和產(chǎn)品的設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題（4）經(jīng)過分析計算，采用優(yōu)化設(shè)計方案，降低工程和產(chǎn)品的成本（5）集成盡快確

6、定工程問題的設(shè)計方案，加速產(chǎn)品開發(fā)（6）模擬物理試驗方案，減少試驗次數(shù)，從而減少試驗經(jīng)費。 目前各種數(shù)值方法的分析軟件很多，如國際著名的有限分析軟件有ADINA、ANSYS、MSC等，這些軟件功能大而全，但因不是專門為巖土工程問題開發(fā)，在解決巖土及采礦工程問題時，如分析軟巖巷道的大變形和采礦工程中頂板垮落等問題時，經(jīng)常很難計算，于是專門為巖土和采礦工程數(shù)值分析開發(fā)的軟件應(yīng)運而生，如 FIAC、UDEC、RFPA等。目前數(shù)值力學(xué)分析軟件的發(fā)展表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）與CAD軟件的無縫。用CAD軟件設(shè)計的圖形能直接將模型傳送到數(shù)值分析軟件中建模并進行分析計算。（2）強大可靠的自動建模能力。對大多

7、數(shù)數(shù)值分析軟件來說，模型細(xì)化是建模的關(guān)鍵一步。模型離散后的網(wǎng)格質(zhì)量直接控制求解時間，結(jié)果誤差大小。（3）由求解線性問題發(fā)展到非線性。（4）由求解結(jié)構(gòu)場發(fā)展到耦合場。（5）程序的開放性。 三、 數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應(yīng)用1、.采礦工程中存在的主要問題采礦工程中巖土工程問題尤為突出，采場頂板垮落、覆巖移動及控制采動引起的高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制，深部開采的地溫和地壓都需要進一步的研究。采礦工程問題中，必須研究材料和結(jié)構(gòu)破壞后的力學(xué)行為，其存在的主要問題可分為兩大類： 一是采場圍巖控制問題，即巖體結(jié)構(gòu)是如何破斷的、破斷后的巖塊是否趨于穩(wěn)定狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后的形態(tài)變化。二是巷道圍巖控制問題，即開采后

8、覆巖移動、變形和破壞導(dǎo)致圍巖應(yīng)力場的變化規(guī)律；開采對工作面周圍巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，以及采動影響下巷道圍巖控制機理及控制技術(shù)。2、.數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應(yīng)用 對采礦工程數(shù)值模擬方法的各方面展開研究。從數(shù)值模擬方法的發(fā)展歷程和采礦工程問題的特點看，采礦工程數(shù)值模擬方法必須要反映采礦工程問題的特點，在數(shù)值模擬軟件的取向更偏重于能反映采礦工程問題特點的專業(yè)化軟件。實際上，開采引起的覆巖移動變形有其自身的規(guī)律和特殊性，因此要結(jié)合采礦工程問題的特點，對采礦工程數(shù)值力學(xué)分析方法的各個方面，包括數(shù)值計算方法、模型的合理范圍和邊界條件等需要進行專門的研究。 （1）新型開采工藝研究 隨著環(huán)境保護意識和經(jīng)濟

9、可持續(xù)發(fā)展理念的增強，提出了煤礦綠色開采技術(shù)，其內(nèi)容主要包括：水資源保護，形成“保水開采”技術(shù)；土地與建筑物保護開采技術(shù)，如離層注漿、充填與條帶開采技術(shù)；瓦斯抽放，形成“煤與瓦斯共采”技術(shù)；煤層巷道支護與減少矸石排放技術(shù)；地下氣化技術(shù)。上述技術(shù)的許多方面屬前沿性的研究課題，在缺乏試驗設(shè)備和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的情況下，需要采用數(shù)值模擬方法進行理論性和前瞻性的研究，研究煤礦新型開采工藝，除研究開采引起的覆巖移動變形規(guī)律及巖層控制技術(shù)外，還涉及到材料力學(xué)特性的研究，如充填材料的特性等。 （2）各種動力災(zāi)害及控制技術(shù)研究 地震波及各種動力源對各種巖土工程帶來極大的危害，煤礦井下經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯突出和沖擊地壓，進

10、一步采用數(shù)值模擬方法從機理上分析這些動力現(xiàn)象對工程巖體穩(wěn)定性的影響、研究消除或減輕這些動力危害的技術(shù)措施。 （3）熱力學(xué)分析近年來，大力發(fā)展了煤炭的潔凈利用。煤炭地下氣化、圍巖的活動規(guī)律及巖層控制問題需要采用數(shù)值力學(xué)分析方法進行熱力學(xué)分析。要深入研究該問題，首先要研究煤層及圍巖在煤炭地下氣化過程中的力學(xué)特性。（4）固體與液體的耦合作用淺部地下巖層存在大節(jié)含水層，煤礦井下開采引起大量含水層失水，如底板突水等；此外井巷支護中的注漿加固、堵水等。這些問題都涉及到流體或固體、液體和氣體的多種耦合作用，研究該問題同樣需要采用數(shù)值模擬方法進行分析。（5）深部開采軟巖巷道同巖控制及技術(shù)研究隨著采深的增大，高

11、應(yīng)力軟巖巷道支護問題更加突出，需要進一步研究深部開采條件下的巷道圍巖控制機理及技術(shù)。一般受采動強烈影響后，巷道圍巖多呈現(xiàn)極不均勻的移動變形。需要結(jié)合數(shù)值模擬方法研究受采動影響巷道的周巖移動變形特征，并采取相應(yīng)的圍巖控制技術(shù)措施。（6）巖體蠕變特性對工程巖體穩(wěn)定性的影響巖體蠕變特性是巖體強度隨時間變化的一個固有特性，特別是軟巖，問題更加突出。我國軟巖礦井分布十分廣泛，全國大多數(shù)礦區(qū)都存在此類問題。此外在地鐵隧道、水利等各領(lǐng)域也都存在類似的問題，巖體蠕變特性的研究和分析對保證各類巖土工程的長期穩(wěn)定性至關(guān)重要。近幾年隨著礦井的衰老，許多礦井“三下”采煤的問題越來越突出，尤其是采用條帶式、房柱式還是采

12、用充填開采，都存在一個煤柱或充填體的長期穩(wěn)定性問題，迫切需要采用數(shù)值模擬方法對此進行深入研究。（7）采礦工程問題的三維數(shù)值模擬 地下開采圍巖的力學(xué)行為是一個涉及時間和空間的復(fù)雜問題，用傳統(tǒng)的平面模型難以反映問題的實質(zhì)，有時很難建模，如工作面推進過程中，開采對工作面周圍巷道圍巖穩(wěn)定性的影響問題，因此需要建立立體模型來反映采礦過程中的力學(xué)問題。由于三維數(shù)值模擬比較費時、費力，比較好的處理辦法是將三維數(shù)值模擬和平面問題結(jié)合起來進行研究。三、充分采動與非充分采動充分采動是指地下煤層采出后，地表下沉值達到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有最大值時的采動稱充分采動。此后開采工作面的尺寸再繼續(xù)擴大時，地表的影響范圍相應(yīng)擴

13、大，但地表最大下沉值不再增加，地表移動盆地將出現(xiàn)平底。通常把地表移動盆地內(nèi)只有一個點的下沉值達到最大下沉值的采動情況，稱為充分采動，此時的開采稱為臨界開采。地表有多個點的下沉值達到最大下沉值的采動情況，稱為超充分采動，此時的開采稱為超臨界開采。超充分采動時，靜態(tài)地表移動盆地將出現(xiàn)平底。采空區(qū)尺寸(長度和寬度)小于該地質(zhì)采礦條件下的臨界開采尺寸時，地表任意點的下沉值均未達到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大下沉值，稱這種采動為非充分采動。工作面沿一個方向(走向或傾向)達到臨界開采尺寸，而另一個方向未達到臨界開采尺寸時，也屬于非充分采動，見圖1-1(a)。圖1-1 充分采動角及確定方法示意圖(a)走向充分

14、傾向非充分采動；(b)充分采動角確定方法 實際觀測表明，采空區(qū)的長度和寬度均達到和超過1.21.4H0(H0認(rèn)為平均開采深度)時，地表可達到充分采動。 充分采動的范圍用充分采動角(以表示)確定。充分采動角的確定方法是：在充分采動條件下，在地表移動盆地的主斷面上，移動盆地平底的邊緣(在地表水平線上的投影點)和同側(cè)采空區(qū)邊界連線與煤層在采空區(qū)一側(cè)的夾角稱為充分采動角。下山一側(cè)的充分采動角以表示，上山一側(cè)的充分采動角以表示，走向方向的充分采動角以表示，見圖1-1。由走向和傾向充分采動角共同圈定的范圍為充分采動區(qū)，該區(qū)域內(nèi)巖體的下沉值均達到該地質(zhì)采礦條件下的最大值。四、巖層移動范圍通常用邊界角、移動角

15、圈定移動盆地的邊界。(一)用邊界角確定移動盆地最外邊界是以地表移動和變形都為零的盆地邊界點所圈定的邊界。考慮到觀測誤差，一般取下沉為l0 mm的點為邊界點，見圖1-3中ABCD。在充分采動或接近充分采動的條件下，地表移動盆地主斷面上盆地邊界點至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為邊界角。當(dāng)有松散層存在時，應(yīng)先從盆地邊界點用松散層移動角畫線和基巖與松散層交接面相交，此交點至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為邊界角。按不同斷面，見圖1-3，邊界角分為走向邊界角0、下山邊界角0、上山邊界角0、急傾斜煤層的底板邊界角0。(二)用移動角確定危險移動邊界是以盆地內(nèi)地表移動與變形對建筑物有

16、無危害而劃分的邊界。對建筑物有無危害的標(biāo)準(zhǔn)是以臨界變形值來衡量的。針對一般磚木結(jié)構(gòu)建筑物確定的一組臨界變形值是：i3mmm、2mmm、k0.2mmms。用這個指標(biāo)圖定的范圍以外，為地表移動和變形對建筑物不產(chǎn)生明顯損害的地帶，在圈定的范圍以內(nèi)為地表移動和變形對建筑物特產(chǎn)生有害影響的地帶，如圖1-2中A'B'C'D'所示圖1-2 地表移動盆地與邊界角、移動角示意圖在充分采動或接近充分采動的條件下，地表移動盆地主斷面上傾斜、曲率和水平變形三個臨界變形值中員外邊的一個臨界變形值點至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為移動角。當(dāng)有松散層存在時，應(yīng)從最外邊的臨界變形

17、值點用松散層移動角畫線和基巖與松散層交接面相交，此交點至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為移動角。根據(jù)不同斷面，移動角分為走向移動角、下山移動角、上山移動角和急傾斜煤層的底板移動角。五、工作面推進100m圍巖應(yīng)力變化及其特點圖1-3顯示了工作面推進100 m，即位于7#煤層煤柱邊緣的正下方時，9#煤層頂板xy方向剪應(yīng)力分布。由圖可見，xy方向剪應(yīng)力在煤柱下方的分布極不規(guī)則，最大正值達5MPa，最小負(fù)值為-10 MPa，正負(fù)值之間的間距很小，由于剪應(yīng)力的跳躍性變化，必然在圍巖中形成應(yīng)力勢能的集聚造成煤巖體的破壞，所以，煤柱下方的煤巖層為工作面開采時最容易發(fā)生沖擊礦壓或煤巖體突出的區(qū)域。

18、圖1-3 xy方向剪應(yīng)力圖1-4 xz方向剪應(yīng)力圖1-5 yz方向剪應(yīng)力圖1-6 垂直應(yīng)力圖1-4、圖1-5分別顯示了工作面推進100 m時，9#煤層頂板xy方向和yz方向的剪應(yīng)力分布。由圖可見，xz方向和yz方向剪應(yīng)力在煤柱下方9#煤層頂板中出現(xiàn)了應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)最大值分別達到5和4，其中，由于煤柱長邊與工作面走向方向一致，xz方向剪應(yīng)力集中系數(shù)高于yz方向的?？梢灶A(yù)見，xz方向剪應(yīng)力在煤巖體破壞中起主要作用。圖1-6是工作面推進100 m時，9#煤層頂板的垂直應(yīng)力分布田。由圖可見，在煤柱下方9#煤層頂板中形成明顯的應(yīng)力集中，垂直應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在工作面靠煤柱一側(cè)的煤巖體中，說明開采10

19、0 m(即工作面位于煤柱邊緣正下方)時，煤柱對9202工作面煤層垂直應(yīng)力影響十分強烈，應(yīng)力峰值達到原巖應(yīng)力的7倍，此時，如果煤巖體的自然屬性許可，在該煤巖體中發(fā)生沖擊地壓和煤巖體突出的可能性極大。由圖1-3圖1-6可以看出在工作面前方10 m處的煤巖體中，出現(xiàn)應(yīng)力集中的最大值，圖1-7圖1-9所示為工作面前方10 m處垂直剖面上各應(yīng)力分布圖。圖1-7 工作面前方10m處垂直剖面上xy方向剪應(yīng)力分布圖圖10-18 垂直應(yīng)力圖1-8工作面前方10m處垂直剖面上xz方向剪應(yīng)力分布圖圖1-9工作面前方10m處垂直剖面上yz方向剪應(yīng)力分布圖六、工作面開采過程中材料道圍巖應(yīng)力變化及其特點9202工作面材料

20、道距7#煤層中留設(shè)煤柱邊緣水平距離(沿x方向)為60 m，由圖10-20可以看出，隨著工作面與煤柱位置關(guān)系不同，工作面前方20m范圍內(nèi)，材料道下幫煤體內(nèi)的垂直應(yīng)力呈一定的規(guī)律變化，在工作面推進到距7#煤層中留設(shè)煤柱邊緣水平距離（沿y方向)為20m之前，垂直應(yīng)力分布基本相同，煤柱的影響只是在煤柱下方，垂直應(yīng)力變化不大，當(dāng)工作面推進到臨近煤柱邊緣正下方時，煤柱的影響越來越劇烈，應(yīng)力集中越來越明顯，最大應(yīng)力集中系數(shù)達到12，此時對巷道的維護極為不利。所以在工作面推進到煤柱下方時應(yīng)加強支護，而且要加快工作面的推進速度。圖1-10工作面開采過程中工作面前方20m范圍內(nèi)材料道下幫煤體內(nèi)的垂直應(yīng)力分布七、總結(jié)采礦工程中的巖土工程問題有自身的特點，主要表現(xiàn)在采礦領(lǐng)域的大部分圍巖穩(wěn)定性問題都涉及到開采引起的強烈影響。引起圍巖應(yīng)力重新分布帶來的高應(yīng)力作用以及圍巖的大范圍移動和嚴(yán)重破裂，導(dǎo)致研究問題的復(fù)雜化。 隨著數(shù)值模擬軟件功能的逐漸強大，采礦工程問題的研究手段越來越多，但是由于大多數(shù)的采礦工程問題處于地下，存在著很多的不確定因素。還有很多的采礦工程問題需要通過數(shù)值模擬的手段進行深入的研究。只有充分了解采礦工程的特殊性，才能更好地應(yīng)用