仿真技術(shù)在采礦工程教課中的作用

第第頁(yè)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(duì)所研究問(wèn)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(duì)問(wèn)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(shì)的工程問(wèn)題；（2）在解決復(fù)雜工程問(wèn)題過(guò)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(wèn)題，最終綜合各個(gè)仿真研究結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程問(wèn)題的全面研究；（3）注重計(jì)算過(guò)程中各個(gè)數(shù)值仿真結(jié)果之間或與現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際相互驗(yàn)證，相互校正，相互補(bǔ)充，達(dá)到對(duì)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(duì)工程問(wèn)題的各種現(xiàn)象的可視化仿真再現(xiàn)或是對(duì)未知問(wèn)題的可視化仿真探索研究。

多元數(shù)值仿真技術(shù)體系（見(jiàn)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(duì)不同的巖土工程問(wèn)題。巖體非線性連續(xù)大變形問(wèn)題主要利用有限差分法來(lái)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(dòng)問(wèn)題主要利用有限單元法來(lái)研究，并輔以其他2種數(shù)值計(jì)算方法；固體、氣體等流動(dòng)問(wèn)題主要利用離散元法來(lái)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)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(wú)法看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加深理解試件加載過(guò)程中應(yīng)力布與演化過(guò)程以及試件的破壞機(jī)制。圖2是巖石單軸壓縮過(guò)程仿真結(jié)果。

2.2井巷工程仿真

巷道穩(wěn)定性問(wèn)題一直是煤礦開(kāi)采過(guò)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(chǎng)實(shí)測(cè)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(duì)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(shí)對(duì)巷道變形破壞問(wèn)題進(jìn)行處理，達(dá)到了對(duì)原有知識(shí)的鞏固，加深了對(duì)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(shí)。

多元數(shù)值仿真技術(shù)解決巷道問(wèn)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(shì)的工程問(wèn)題，對(duì)于巷道支護(hù)元素失效而導(dǎo)致巷道破壞問(wèn)題，利用非線性大變形程序FLAC對(duì)不同圍巖條件下巷道變形過(guò)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(duì)比，選擇合理支護(hù)方案；對(duì)于巷道頂板冒落和片幫問(wèn)題，應(yīng)以離散元方法和巖石破裂過(guò)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(chǎng)仿真

采場(chǎng)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(dòng)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，同時(shí)，伴有采場(chǎng)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(duì)采場(chǎng)問(wèn)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(duì)采場(chǎng)支護(hù)穩(wěn)定性問(wèn)題、圍巖垮落問(wèn)題、動(dòng)力現(xiàn)象等，最終綜合各個(gè)仿真結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性全面研究。對(duì)于較復(fù)雜的采場(chǎng)問(wèn)題，如大傾角煤層開(kāi)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(chǎng)的應(yīng)力分布和巖層變形、移動(dòng)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(dòng)造成的圍巖運(yùn)移規(guī)律，加深對(duì)采場(chǎng)瓦斯、透水等災(zāi)害形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)。圖4是采場(chǎng)巖層破壞仿真結(jié)果。

3結(jié)束語(yǔ)

利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行輔助教學(xué)是對(duì)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(cè)的重要信息，可從多種仿真角度加深學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的理解，實(shí)現(xiàn)實(shí)物實(shí)驗(yàn)無(wú)法完成的內(nèi)容，提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。