礦山信息與計(jì)算機(jī)應(yīng)用講義

安徽理工大學(xué)采礦工程專業(yè)

礦山信息與計(jì)算機(jī)應(yīng)用講義

Thepurposeofcomputingisin-sight,notnumbers.

授課人：授課人：常聚才二零零六年六月

一、教學(xué)大綱說(shuō)明

（1）課程性質(zhì)與目的）本課程是采礦專業(yè)信息及計(jì)算機(jī)方向的一門主要專業(yè)課。目地

是使學(xué)生獲得必要的礦業(yè)信息理論基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用技能，了解礦業(yè)信息理論和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的

技術(shù)發(fā)展概況和應(yīng)用前景，為今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)、從事本專業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)管理工作和進(jìn)一步從

事科學(xué)研究工作打下良好的基礎(chǔ)。（2）課程的基本要求）要求學(xué)生了解計(jì)算機(jī)在礦業(yè)中

的主要應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，掌握必要的礦業(yè)信息理論和基礎(chǔ)知識(shí)。（3）本課程的重點(diǎn)）

掌握數(shù)值模擬方法的基本原理,能編寫FLAC模擬程序?qū)ο锏馈⒉蓤?chǎng)進(jìn)行模擬，了解專家系統(tǒng)

和計(jì)算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理及在礦業(yè)中的主要應(yīng)用。（4）本課程與其它相關(guān)課程的關(guān)系）

本課程應(yīng)該開設(shè)在煤礦開采學(xué)和礦山壓力及其控制等之后，與礦井設(shè)計(jì)與優(yōu)化、系統(tǒng)工程以

及采礦CAD等課程關(guān)系密切。

二、課程內(nèi)容

第一章緒論主要介紹當(dāng)前我國(guó)煤礦安全形式、目前計(jì)算機(jī)在煤礦中的主要應(yīng)用，以及

本課主要講述的內(nèi)容。第二章數(shù)值模擬2.1、數(shù)值模擬方法；2.2、FLAC數(shù)值模擬簡(jiǎn)介；

2.3、FLAC數(shù)值模擬原理；2.4、FLAC數(shù)值模擬特點(diǎn)；2.5、FLAC數(shù)值模擬基本命令；2.6、

FLAC數(shù)值模擬建模及編程;2.7、FLAC數(shù)值模擬運(yùn)行及分析。第三章人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)3.1、

人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)概述；3.2、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)定義和發(fā)展情況；3.3、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)基本

特性和原理；3.4、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在礦業(yè)工程中應(yīng)用。第四章采礦專家系統(tǒng)4.1、專家系

統(tǒng)概述；4.2、專家系統(tǒng)特征及原理；4.3、回采巷道支護(hù)專家系統(tǒng)；4.4、采煤工藝選擇

專家系統(tǒng)。第五章礦山信息5.1、礦山管理信息系統(tǒng)；5.2、礦山安全信息系統(tǒng)；5.3、礦

業(yè)地理信息系統(tǒng)

三、課程考核方式

（1）平時(shí)成績(jī)：10%,主要為出勤。（2）小論文：20%o要求：結(jié)合現(xiàn)代采礦技術(shù)，

利用所學(xué)知識(shí)及查閱相關(guān)資料，寫一篇關(guān)于計(jì)算機(jī)在煤礦中的應(yīng)用、發(fā)展趨勢(shì)的文章。論文

要求在2000字以上，在第七周結(jié)束時(shí)完成。（3）考試：開卷考試，70%o

四、主要參考書籍

（1）林在康、左秀峰等主編，《礦業(yè)信息及計(jì)算機(jī)應(yīng)用》，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社（2）

蔣宗禮等主編，《人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)論》，高等教育出版社（3）劉波、韓彥輝編著，《FLAC

原理、實(shí)例與應(yīng)用指南》，人民交通出版社（4）ItascaConsultingGroupInc.FLACusers

manual[R].USA:ItascaConsulting

GroupInc.,1997

i

目錄

1緒論……1L1我國(guó)煤礦安全形勢(shì)……11.2目前計(jì)算機(jī)在煤礦中主要應(yīng)用……

42數(shù)值模擬方法……62.1數(shù)值計(jì)算與系統(tǒng)模擬常用方法簡(jiǎn)介……62.2ELAC簡(jiǎn)

介...72.2.1FLAC定義.....72.2.2FLAC的發(fā)展.....8

2.2.3FLAC的應(yīng)用……82.3FLAC軟件的基本原理……82.4FLAC特點(diǎn)……10

2.5FLAC輸入命令……112.6FLAC數(shù)值模擬建模原則及步驟……252.6.1FLAC模型

的設(shè)計(jì)原則……252.6.2FLAC模型建立步驟……252.7FLAC數(shù)值模擬編程、運(yùn)行及分

析……283神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)……373.1神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí)……373.1.1概述……37

3.1.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定義和發(fā)展概況……373.1.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本特性……37

3.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理383.2.1人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)383.2.2BP網(wǎng)絡(luò)算

法……383.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在礦業(yè)工程中的應(yīng)用概況……413.3.1回采巷道圍分類神

經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)……423.3.2綜放面生產(chǎn)能力預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)……464專家系統(tǒng)……52

4.1專家系統(tǒng)概述……524.2專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理……524.2.1專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)……

524.2.2知識(shí)庫(kù)的知識(shí)表示(RULES)……554.3專家系統(tǒng)在礦業(yè)中的應(yīng)用……55

II

4.3.1專家系統(tǒng)在礦業(yè)中應(yīng)用概述……554.3.2回采巷道支護(hù)專家系統(tǒng)……57

4.3.3采煤工藝選擇的專家系統(tǒng)……595礦山信息技術(shù)……645.1空間信息技術(shù)在礦

山中的應(yīng)用……645.1.1空間信息技術(shù)的優(yōu)越性……645.1.2空間信息技術(shù)在礦山生

產(chǎn)管理中的應(yīng)用……655.2礦山管理信息系統(tǒng)……665.2.1礦山管理信息系統(tǒng)的總體

結(jié)構(gòu)……665.2.2礦山管理信息系統(tǒng)的開發(fā)……715.2.3實(shí)例分析……775.3礦井

生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)測(cè)與控制……795.3.1生產(chǎn)過(guò)程重要數(shù)據(jù)的采集與傳輸系統(tǒng)……805.3.2

生產(chǎn)狀況的監(jiān)測(cè)與顯示系統(tǒng)……815.4礦山地理信息系統(tǒng)……855.4.1地理信息系統(tǒng)

概念……855.4.2地理信息系統(tǒng)在礦山的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)……875.5虛擬現(xiàn)

實(shí)技術(shù)在礦業(yè)中應(yīng)用……905.5.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念……905.5.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦

業(yè)中主要應(yīng)用……91

III

1緒論

1.1我國(guó)煤礦安全形勢(shì)

煤炭工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，煤炭占我國(guó)一次能源消費(fèi)的75%左右，這個(gè)比例

在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)有大的改變。2006年全國(guó)煤炭產(chǎn)量初步統(tǒng)計(jì)為23.25億噸，其中

國(guó)有重點(diǎn)煤礦11.25億噸，占48%；地方國(guó)有煤礦3.08億噸，占13%；鄉(xiāng)鎮(zhèn)個(gè)體煤

礦8.92億噸，占39%o

32

1

1—國(guó)有重點(diǎn)煤礦11.25億噸2一國(guó)有地方煤礦3.08億噸3—鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤礦8.92

億噸

圖1.12006年各類煤礦產(chǎn)煤比例圖2006年全國(guó)煤礦共發(fā)生事故2945起，死亡人數(shù)

4746人，其中國(guó)有重點(diǎn)煤礦起數(shù)415起占14.1%,死亡人數(shù)704人占14.8%；國(guó)有地方煤

礦起數(shù)381起占12.9%,死亡人數(shù)611人占12.9%；鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦起數(shù)2149起占73.0%,死

亡人數(shù)3431人占72.3%o

圖1.206年全國(guó)各類煤礦事故起數(shù)比例圖1.306年全國(guó)各類煤礦死亡人數(shù)比例

2006年全國(guó)煤炭產(chǎn)量初步統(tǒng)計(jì)為23.25億噸，百萬(wàn)噸死亡率為2.041,其中國(guó)有重點(diǎn)煤

礦11.25億噸，百萬(wàn)噸死亡率0.626；地方國(guó)有煤礦3.08億噸，百萬(wàn)噸死亡率1.981；

鄉(xiāng)鎮(zhèn)個(gè)體煤礦8.92億噸，百萬(wàn)噸死亡率3.847。

圖1.406年全國(guó)各類煤礦產(chǎn)量及死亡率對(duì)比圖

1

2006年生產(chǎn)原煤23.25億噸，百萬(wàn)噸死亡率為2.041；2005年生產(chǎn)原煤21.1億噸,

百萬(wàn)噸死亡率為2.836；2004年生產(chǎn)原煤19.56億噸，百萬(wàn)噸死亡率為3.08；2003年生

產(chǎn)原煤17.36億噸，百萬(wàn)噸死亡率為3.71；2002年生產(chǎn)原煤13.93億噸，百萬(wàn)噸死亡率

為5o

圖1.5近五年全國(guó)煤礦產(chǎn)量及死亡率對(duì)比圖美國(guó)煤礦百萬(wàn)噸死亡率0.039、南非為

0.13、波蘭為0.26、印度為0.42、俄羅斯為0.46,2003年全世界煤炭產(chǎn)量約50億噸，

煤礦事故死亡總?cè)藬?shù)約8000人。當(dāng)年我國(guó)的煤炭產(chǎn)量約占全球的35%,而事故死亡人數(shù)占

80%.

圖1.62004年世界主要產(chǎn)煤國(guó)死亡率對(duì)比圖從全國(guó)范圍看，我國(guó)煤礦事故死亡人數(shù)、

事故頻率以及重特大事故的次數(shù)仍維持在較高水平，與世界主要產(chǎn)煤國(guó)家相比，仍然存在相

當(dāng)大的差距。主要表現(xiàn)在：a、事故總量大，事故頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1990-2004年的15年間，

全國(guó)煤礦事故死亡人數(shù)98278人，平均每年死亡人數(shù)6551人，2005年盡管有所下降，但

仍高達(dá)5986人。2005年全國(guó)共發(fā)生煤礦安全事故3341起，死亡5986人，其中一次死

亡10人以上的特大事故58起，死亡1739人。2004年全國(guó)共發(fā)生煤礦安全事故3639起,

死亡6027人，其中一次死亡（10人以上的特大事故41起，死亡979人。（實(shí)例））2003

年全世界煤炭產(chǎn)量約50億噸，煤礦事故死亡總?cè)藬?shù)約8000人。當(dāng)年我國(guó)的煤炭產(chǎn)量約占

全球的35%,而事故死亡人數(shù)占80%。b、重特大事故尚未得到有效遏制。1990-2003年，全

國(guó)共發(fā)生一次死亡10人以上的特大事故846起，死亡16212人,平均每年發(fā)生60.4起，

死亡1158人，平均6天發(fā)生一起，死亡19人。

2

c、小煤礦事故多發(fā)。長(zhǎng)期以來(lái)，小煤礦一直是我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)，而且嚴(yán)重

影響煤礦安全的整體水平。近幾年，小煤礦事故平均死亡人數(shù)占全國(guó)煤礦事故死亡人數(shù)70%,

事故次數(shù)也占全國(guó)煤礦事故死亡人數(shù)的60%以上。2005年，小煤礦事故死亡人數(shù)占我國(guó)煤

礦事故死亡人數(shù)的比例達(dá)到77%（4457人），事故次數(shù)占全國(guó)煤礦事故次數(shù)的74%（2575

次）。d、煤炭行業(yè)職業(yè)危害嚴(yán)重，職業(yè)衛(wèi)生形勢(shì)嚴(yán)峻。全國(guó)煤礦共有職業(yè)病患者約60萬(wàn)

人，每年新增塵肺病患者約7萬(wàn)人。世界主要產(chǎn)煤國(guó)家已基本解決的煤礦傳統(tǒng)性職業(yè)危害，

如塵肺病、急性和慢性職業(yè)中毒、作業(yè)場(chǎng)所噪聲傷害等，但在我國(guó)，煤炭職業(yè)危害仍然嚴(yán)重

威脅著勞動(dòng)者的健康和生命安全。煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)嚴(yán)峻的主要原因：a、我國(guó)能源結(jié)構(gòu)

的特點(diǎn)以及煤炭供需矛盾突出為煤炭安全工作帶來(lái)了較大壓力。煤炭是我國(guó)的主要能源，國(guó)

民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求也呈快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。2005年全國(guó)產(chǎn)煤21.1億噸，尚

未能完全滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的需求，而其中有安全保障能力的只有12億噸，供需矛盾

的客觀存在造成2005年有近9億噸煤炭是在沒(méi)有安全保障的條件下生產(chǎn)的。b、煤炭開采

條件差，自然災(zāi)害嚴(yán)重。我國(guó)井工開采的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的95%,大中型煤礦的平均開采深度

達(dá)到400米以下，開采深度超過(guò)600米的有117處。我國(guó)煤炭成礦地質(zhì)條件復(fù)雜，自然

災(zāi)害非常嚴(yán)重。在大中型煤礦中，地質(zhì)構(gòu)造屬于復(fù)雜或極復(fù)雜的煤礦占33%左右，屬于簡(jiǎn)單

的只占23%左右；水文地質(zhì)條件屬于復(fù)雜或極復(fù)雜類型的煤礦占25%左右，屬于簡(jiǎn)單的煤礦

占39%左右；有36處大中型煤礦的正常涌水量超過(guò)1000m3/h,最高的達(dá)4000m3/h以上；

煤與瓦斯突出礦井占19.27%,高瓦斯礦井占28.65%；90%左右的煤礦具有煤塵爆炸危險(xiǎn)，

其中70%左右的煤礦煤塵具有強(qiáng)爆炸性；有自然發(fā)火危險(xiǎn)程度嚴(yán)重或較嚴(yán)重的煤礦占70%

左右;具有沖擊地壓危險(xiǎn)的煤礦27處。c、煤礦生產(chǎn)力水平低。一是全國(guó)小煤礦25000處，

占煤礦總數(shù)的90%,其中一半以上是靠原始的生產(chǎn)方式開采。二是投入不足，安全欠賬多，

礦井整體技術(shù)裝備水平低。據(jù)對(duì)45戶國(guó)有大礦統(tǒng)計(jì)，截止2003年底，安全欠賬高達(dá)164

億元，其中安全工程欠賬占52%,安全設(shè)施欠賬占48%?三是煤炭生產(chǎn)人才匱乏，目前煤

礦職工中，初中以下文化程度占60%以上，大專以上及工程技術(shù)人員占職工總?cè)藬?shù)的比例不

到3%,而發(fā)達(dá)國(guó)家高達(dá)60%以上。1999-2002年，9所原煤炭高校共有畢業(yè)生37931人，

到煤炭行業(yè)就業(yè)的只有3538人，占9.3%。四是煤礦職工的職業(yè)技能培訓(xùn)亟待加強(qiáng)。煤礦

生產(chǎn)一線的工人，缺乏職業(yè)技能培訓(xùn)，安全教育缺乏針對(duì)性，違章作業(yè)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。d、安

全生產(chǎn)法律法規(guī)以及安全監(jiān)管機(jī)制不完善。一是立法滯后?，F(xiàn)有的法律法規(guī)還不完備，有的

缺乏針對(duì)性，有的已不適應(yīng)當(dāng)前煤礦發(fā)展的需要，可操作性差；二是有法不依，執(zhí)法不嚴(yán)，監(jiān)

管不力的現(xiàn)象依然存在；三是煤礦從業(yè)人員的法律意識(shí)淡薄；四是國(guó)家對(duì)煤炭行業(yè)的宏觀調(diào)

控乏力，政府對(duì)煤炭工業(yè)的行業(yè)監(jiān)管弱化，專業(yè)人員比例小，監(jiān)管職責(zé)不明確。e、煤礦重

大安全技術(shù)問(wèn)題難以解決。受單個(gè)企業(yè)和科研院所經(jīng)濟(jì)實(shí)力限制，難以對(duì)涉及行業(yè)技術(shù)發(fā)展

共性、基礎(chǔ)性和前瞻性的重大課題開展技術(shù)攻關(guān)。目前我國(guó)煤礦在“一通三防”、防治水、礦

井深部地壓、沖擊地壓、高溫?zé)岷椭ёo(hù)（“十一五”攻關(guān)）等方面存在許多技術(shù)難題，嚴(yán)重

威脅著煤礦安全生產(chǎn)。f、煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)管理存在問(wèn)題。①安全生產(chǎn)意識(shí)不強(qiáng)，部分煤

礦經(jīng)營(yíng)者沒(méi)有牢固樹立“安全第一”、“以人為本”的思想，重生產(chǎn)輕安全，重效益輕安全。

對(duì)《安全生產(chǎn)法》所確立的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位安全保障制度不落實(shí)。鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦特別是個(gè)體性質(zhì)的

煤礦以及合股、參股經(jīng)營(yíng)的煤礦，為了小團(tuán)體的利益，追求煤礦利潤(rùn)的最大化，造成煤礦盲

目追求產(chǎn)量、突擊生產(chǎn)、超能力生產(chǎn)。②礦井生產(chǎn)系統(tǒng)安全可靠性差。國(guó)有大中型煤礦中有

1/3以上的礦井存在水平接續(xù)問(wèn)題，鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦這種情況更加嚴(yán)重；現(xiàn)有生產(chǎn)礦井不執(zhí)行“三

量平衡”,存在采掘接替緊張、生產(chǎn)系統(tǒng)不合理的現(xiàn)象。③現(xiàn)有煤礦職工培訓(xùn)不能滿足要求，

職工自我保護(hù)能力和意識(shí)弱。這就迫切需要進(jìn)一步用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)改造傳統(tǒng)煤炭產(chǎn)業(yè)，使煤

炭工業(yè)技術(shù)面貌有一個(gè)根本性

3

的轉(zhuǎn)變。近幾年隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于礦業(yè)系統(tǒng)中?如計(jì)算機(jī)

隨機(jī)模擬技術(shù)在礦井生產(chǎn)系統(tǒng)分析中的應(yīng)用，世界各產(chǎn)煤大國(guó)均根據(jù)本國(guó)具體條件開發(fā)許多

大型的生產(chǎn)系統(tǒng)模擬軟件。我國(guó)也開發(fā)了類似的模型，如生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)劃編制模型、膠帶輸送

及運(yùn)輸系統(tǒng)模擬模型，我校開發(fā)的煤水提運(yùn)系統(tǒng)模擬模型等。這些模型己相當(dāng)成熟并已在許

多大型礦井工程中得到應(yīng)用，取得了明顯效果。

1.2目前計(jì)算機(jī)在煤礦中主要應(yīng)用

列舉部分：（DExcel的主要應(yīng)用：快速求解一元線性回歸、一元非線性回歸、行列

式、方程及矩陣運(yùn)算，編寫數(shù)據(jù)庫(kù)的基本操作。（2）規(guī)劃論中的線性規(guī)劃、規(guī)劃和非線

性規(guī)劃的基本知識(shí)和用Excel快速求解線性規(guī)劃的0T計(jì)算機(jī)解法。學(xué)習(xí)用非線性規(guī)劃進(jìn)

行采區(qū)參數(shù)優(yōu)化，用微分極植法和拉格朗日乘數(shù)法求解巷道最優(yōu)斷面。（3）運(yùn)籌學(xué)中的多

目標(biāo)決策、對(duì)策論、系統(tǒng)可靠性、專家系統(tǒng)、層次分析。（4）計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)：包括均勻

隨機(jī)數(shù)、指數(shù)分布隨機(jī)數(shù)、正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生方法和計(jì)算機(jī)程序。（5）采礦CAD的

應(yīng)用：主要繪制采礦工程中的基本圖紙。礦井開拓平、剖面圖，采區(qū)布置平、剖面圖，井底

車場(chǎng)平、剖面圖，采掘工程平面圖，井上下對(duì)照?qǐng)D，通風(fēng)系統(tǒng)圖，地質(zhì)和水文地質(zhì)圖，井

下運(yùn)輸系統(tǒng)圖，井下機(jī)電設(shè)備圖，井下供電系統(tǒng)圖，井下排水系統(tǒng)圖，井下管線系統(tǒng)圖，

井下通訊系統(tǒng)圖，安全避災(zāi)路線圖，巷道斷面、交叉點(diǎn)、車場(chǎng)、砸1室施工圖，其它施工圖。（6）

VB在煤礦中的應(yīng)用：煤層地質(zhì)條件的開采工藝性評(píng)價(jià)、計(jì)算保護(hù)煤柱尺寸、進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

解算等。（7）計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)：FLAC、ANSYS、UDEC、RFPA的數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用。（8）

計(jì)算機(jī)在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用：復(fù)雜礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的解算、礦井環(huán)境系統(tǒng)的實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)、災(zāi)

變時(shí)期的通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流狀態(tài)分析及最優(yōu)控制、礦山救災(zāi)專家系統(tǒng)等。（9）人工智能在礦業(yè)

工程中的應(yīng)用：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)。（10）可視化模擬：放頂煤開采頂煤運(yùn)移規(guī)律,

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在綜采支架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。（11）空間信息技術(shù)。以衛(wèi)星遙感技術(shù)、計(jì)處機(jī)

技術(shù)、信息高速公路、系統(tǒng)科學(xué)為支撐的“3S”技術(shù)即遙感（RemoteSensing:RS）、全球

定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem:GPS）>地理信息系統(tǒng)（GeographicInformation

System:GIS）是空間信息技術(shù)的核心和主體，在資源開采、環(huán)境保護(hù)和監(jiān)測(cè)、規(guī)劃決策與

管理等方面都有廣泛應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的高新技術(shù)支持。將空間信息技術(shù)應(yīng)用于

礦山的生產(chǎn)與管理，利用現(xiàn)代化高新技術(shù)支持進(jìn)行礦山生產(chǎn)與管理是信息社會(huì)的必然要求。

（12）數(shù)據(jù)庫(kù)管理信息系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理信息系統(tǒng)是在采礦工業(yè)中應(yīng)用最早也是最成熟的計(jì)

算機(jī)技術(shù)，它的研制與應(yīng)用使得大量數(shù)據(jù)能在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)、加工、查詢、更新和修改。

目前它已被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、礦山設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理等日常生產(chǎn)活動(dòng)。在這些實(shí)際應(yīng)用中，

有的是僅僅應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)管理信息系統(tǒng)，有的是把數(shù)據(jù)庫(kù)管理信息系統(tǒng)與其它應(yīng)用軟件結(jié)合起

來(lái)應(yīng)用。目前新開發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理信息系統(tǒng)是智能數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)(IDS)，這種數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)在

新的數(shù)據(jù)加入原數(shù)據(jù)庫(kù)后，原數(shù)據(jù)庫(kù)可以自動(dòng)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組織或安排，以保證對(duì)數(shù)

據(jù)查詢和處理的有效性和快速性。(13)進(jìn)化計(jì)算(EvolutionaryComputation)是對(duì)生物進(jìn)

化過(guò)程與機(jī)制的模擬，它是一類全局優(yōu)化自適應(yīng)概率搜索技術(shù)，它包括3種典型的計(jì)算模

型。遺傳算法(GeneticAlgorithms)>進(jìn)化策略(EvolutionStrategies)>進(jìn)化規(guī)劃

(EvolutionaryProgramming),其中遺傳算法的的應(yīng)用最普遍。(14)遺傳算法。遺傳算法

是根據(jù)大自然遺傳的“適者生存”原則，模擬生物進(jìn)化過(guò)程來(lái)完

4

成優(yōu)化搜索，通過(guò)將實(shí)際問(wèn)題編碼，然后進(jìn)行一系列遺傳操作，如復(fù)制、交叉和突變等

達(dá)到問(wèn)題的優(yōu)化。遺傳算法應(yīng)用于礦業(yè)領(lǐng)域中，主要目的是改善人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能，用于

礦山壓力預(yù)報(bào)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)建模、礦石品位估算等等。預(yù)計(jì)遺傳算法還可以應(yīng)用于礦業(yè)的

優(yōu)化決策、生產(chǎn)調(diào)度、礦業(yè)知識(shí)系統(tǒng)的自動(dòng)學(xué)習(xí)、圖像處理等方面。如英國(guó)諾丁漢大學(xué)的

B.Denby等利用遺傳算法優(yōu)化了露天開采程序和開采境界。(15)圖像分析技術(shù)也逐漸應(yīng)

用于采礦工業(yè)中。利用攝像或CT探測(cè)技術(shù)獲取圖像，由計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析處理，從中

獲取某些特征參數(shù)或信息。該技術(shù)可用于地質(zhì)勘探、礦物鑒別、礦巖節(jié)理與斷層識(shí)別、露天

礦爆堆塊度分析等等。(16)模糊系統(tǒng)(FuzzySystems)是對(duì)人腦的模糊性“軟件”思維能

力的模擬，它以模糊集合論為基礎(chǔ)，利用人類模糊性語(yǔ)言描述的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)來(lái)分析和解決問(wèn)題。

采礦工業(yè)中存在很多模糊的不確定信息，礦業(yè)專家的很多經(jīng)驗(yàn)和推理方法也很難用精確的公

式來(lái)表達(dá)，為了解決這類問(wèn)題，人們引入了模糊理論。模糊理論在礦業(yè)中的應(yīng)用可分兩大類:

數(shù)值計(jì)算和不確定性推理，智能模糊系統(tǒng)主要指后一種應(yīng)用。(17)通信技術(shù)在采礦工業(yè)

中的應(yīng)用信息的傳輸和共享需借助通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。除了普通電話以外，目前在采礦工業(yè)中

應(yīng)用的通信技術(shù)主要有兩種，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)(包括衛(wèi)星通信在內(nèi))。在采礦

工業(yè)中，計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)主要是作為MIS系統(tǒng)的平臺(tái)，用于企業(yè)的經(jīng)營(yíng)與管理。無(wú)線通信技

術(shù)主要應(yīng)用于礦山企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度。發(fā)展趨勢(shì)：發(fā)展趨勢(shì)：(1)煤礦安全監(jiān)察、檢測(cè)檢

驗(yàn)關(guān)鍵設(shè)備：無(wú)線通訊、遙測(cè)遙控、人員定位等技術(shù)裝備。(2)人工生命與機(jī)器人技術(shù)在

采礦工業(yè)中的應(yīng)用。人工生命是指用計(jì)算機(jī)、機(jī)械等人工媒體模擬或構(gòu)造表現(xiàn)自然生命行為

特點(diǎn)的仿真系統(tǒng)或模型系統(tǒng)。它的研究需要將信息科學(xué)與生命科學(xué)結(jié)合，為人工智能研究開

辟了新的途徑。典型的人工生命的例子有：計(jì)算機(jī)病毒、機(jī)器人等。在采礦工業(yè)中，將來(lái)

可望采用的高新技術(shù)是機(jī)器人技術(shù)。以往，計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能在礦業(yè)中主要是作為輔助

分析問(wèn)題的“軟”手段。只有將軟件與硬件結(jié)合，將信息科技直接應(yīng)用于采礦生產(chǎn)實(shí)踐，研

制出智能化的采礦設(shè)備或采礦機(jī)器人，才能使人們徹底從艱辛、危險(xiǎn)的采礦作業(yè)中解脫出來(lái)。

除了溶浸法采礦外，這是一條實(shí)現(xiàn)無(wú)人化采礦的途徑。采礦機(jī)器人除了自動(dòng)完成采掘和運(yùn)輸

操作以外，還能識(shí)別礦體和巖石特征，可能發(fā)生的災(zāi)害，通過(guò)決策分析采取相應(yīng)的行動(dòng)；并

能與其它機(jī)器人和地面人員溝通。采礦機(jī)器人的研制成功還有很長(zhǎng)的一段路要走。

5

2

數(shù)值模擬方法

2.1數(shù)值計(jì)算與系統(tǒng)模擬常用方法簡(jiǎn)介

巖石移動(dòng)規(guī)律的研究有理論分析法、實(shí)驗(yàn)研究方法與數(shù)值模擬方法。理論分析為實(shí)驗(yàn)研

究與數(shù)值模擬提供了指導(dǎo)，對(duì)比較簡(jiǎn)單的問(wèn)題通過(guò)分析推導(dǎo)可以得到解析解或閉合形式解,

但能得到這種解的情況很少。對(duì)巖體介質(zhì)物理性質(zhì)的認(rèn)識(shí)離不開實(shí)驗(yàn)研究。現(xiàn)場(chǎng)原位實(shí)驗(yàn)與

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、實(shí)驗(yàn)寶的巖石試件實(shí)驗(yàn)與相似材料的模型實(shí)驗(yàn)，都是我們逐漸認(rèn)識(shí)工程巖體介質(zhì)

不可缺少的途徑。實(shí)驗(yàn)研究為我們解決實(shí)際工程問(wèn)題提供了有利的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)研究的重要性

和必要性是不言而喻的，但實(shí)驗(yàn)成本及費(fèi)用的昂貴，實(shí)驗(yàn)研究可重復(fù)性的困難使得人們尋找

較經(jīng)濟(jì)的手段輔助實(shí)驗(yàn)研究，甚至代替部分實(shí)驗(yàn)。數(shù)值方法正好可承擔(dān)此任務(wù)。近幾年特

別是數(shù)值模擬廣泛的應(yīng)用與采礦工程中，例如ansys,flac等數(shù)值模擬軟件的成功應(yīng)用。數(shù)

值方法引入巖石移動(dòng)規(guī)律的研究之后就成為了一種非常有效的研究手段，而且隨著計(jì)算機(jī)及

計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值方法必將越來(lái)越顯示其重要性。在室內(nèi)、室外實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上建立起

的正確的數(shù)學(xué)力學(xué)模型后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)研究對(duì)象的變形分析、強(qiáng)度分析及穩(wěn)定性分析，而且

還可以就不同的工況重復(fù)數(shù)值實(shí)驗(yàn)，估算研究對(duì)象的安全系數(shù)。數(shù)值分析的可重復(fù)性及經(jīng)濟(jì)

性使其與室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究相互補(bǔ)充，也使得研究成果可靠，使研究成本降低。什么是數(shù)值

模擬方法？數(shù)值模擬方法數(shù)值模擬方法是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)造數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)求解大

規(guī)數(shù)值模擬方法模的代數(shù)聯(lián)立方程組來(lái)模擬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的反映過(guò)程的。數(shù)值方法的突出優(yōu)點(diǎn)

就是能夠較好地考慮諸如介質(zhì)的各向異性、非均質(zhì)特性及其隨時(shí)間的變數(shù)值方法的突出優(yōu)點(diǎn)

化、復(fù)雜邊界條件和介質(zhì)不連續(xù)等復(fù)雜地質(zhì)條件。在地下工程問(wèn)題分析中，常用的數(shù)值方法

有：有限元、邊界元、離散元等。（1）有限無(wú)法有限元法分析問(wèn)題的一般步驟為：①將結(jié)

構(gòu)離散化，即將所分析的結(jié)構(gòu)分割成有限元單元體，使相鄰單元僅在節(jié)點(diǎn)處相連接，分析對(duì)

象由這個(gè)單元結(jié)合體代替原有結(jié)構(gòu)。②單元分析。離散后的單元，其尺寸一般較小，可以假

設(shè)一個(gè)位移插值函數(shù)（或形函數(shù)），稱為位移模式，利用這一模式可以將單元內(nèi)部任一點(diǎn)的位

移用單元節(jié)點(diǎn)的位移來(lái)表達(dá)。有了位移模式，求得單元內(nèi)位移以后，可由兒何關(guān)系求出單元

內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)變，利用本構(gòu)關(guān)系可由應(yīng)變求得應(yīng)力。③求單元?jiǎng)偠榷剃?。④集合剛度矩?/p>

及載荷向量，并引入支撐條件組成有限元方程組。⑤求解有限元方程，求得節(jié)點(diǎn)位移。⑥

計(jì)算單元內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)變及應(yīng)力。（2）差分法遵循力的平衡原理，加上組成結(jié)構(gòu)材料的本

構(gòu)關(guān)系和應(yīng)變、位移的幾何協(xié)調(diào)關(guān)系可以導(dǎo)出微分方程。用差分來(lái)近似地表示各階微分。對(duì)

于每一個(gè)間距點(diǎn)可建立差分方程，結(jié)合邊界條件則可得到以各間距點(diǎn)上函數(shù)值為基本未知量

的代數(shù)方程組，解此方程組可得各間距點(diǎn)上的函數(shù)值。（3）加權(quán)殘位法大量工程的分析問(wèn)

題，往往可歸結(jié)為在一定邊界條件或初始條件下求解微分方程。在實(shí)際工程中，由于結(jié)構(gòu)的

復(fù)雜性和邊界條件的不規(guī)則性，通常需借助于數(shù)值解。加權(quán)殘值法的基本思想是假設(shè)包含有

待定常數(shù)的試函數(shù)，這一試函數(shù)當(dāng)然不一定是，而且往往不是原微分方程的精確解，代回原

方程時(shí)便出現(xiàn)誤差，即殘值（殘值為零便是精確解）。可以按一定的規(guī)則去消除殘值，消除

6

殘值的過(guò)程可以得到一系列代數(shù)方程，求解這些代數(shù)方程組，使可求得試函數(shù)中的待定

系數(shù)，從而求得近似解。（4）邊界無(wú)法邊界元法是一種解偏微分方程定解問(wèn)題的數(shù)值方法，

其特點(diǎn)是只對(duì)邊界進(jìn)行離散，可以降低問(wèn)題的維數(shù)，從而提高了計(jì)算效率，節(jié)省工作量。此

外還可適用于無(wú)限域、應(yīng)力集中等問(wèn)題，因而受到重視。邊界元法要采用彈性力學(xué)問(wèn)題的基

本解，所以實(shí)質(zhì)上也是種半解析數(shù)值方法。（5）離散單元法離散單元法由P.A.Cundall

于1971年提出，這是一種不連續(xù)體的數(shù)值模型。這種方法基于牛頓運(yùn)動(dòng)定律，它可以用于

模擬節(jié)理系統(tǒng)、塊體系統(tǒng)、顆粒系統(tǒng)等在平衡條件及動(dòng)態(tài)條件下的變形過(guò)程。目前離散單元

用于邊坡滑動(dòng)、地下嗣室的坍塌等分析，結(jié)合圖形技術(shù)可模擬運(yùn)動(dòng)及破壞過(guò)程。離散單元

將分析對(duì)象劃分為各個(gè)塊體單元（離散單元），各單元間是不連續(xù)的，可以互相鑲嵌排列，在

空間有一定的位置，或處于平衡狀態(tài)。當(dāng)有外力作用或某些邊界失去支撐時(shí)，某些單元在外

力和重力作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，使單元體系狀態(tài)發(fā)生變化，直到建立新的平衡。平面問(wèn)題的離散

單元有兩種狀態(tài)：一種是互相接觸時(shí)處于平衡狀態(tài)，這時(shí)要建立力和位移的關(guān)系。各單元之

間的接觸有多種形態(tài)，但本質(zhì)上可分為點(diǎn)接觸及面接觸，面接觸可視為兩點(diǎn)接觸。關(guān)于力和

位移的關(guān)系，假定正向壓力的大小與塊體間的疊合量成正比；切向力與相應(yīng)滑移有關(guān)。對(duì)于

正向力假定單元間不能受拉；對(duì)于切向力，則要滿足破壞準(zhǔn)則，如Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。單

元的第二種狀態(tài)是在不平衡力作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，采用差分格式，直接計(jì)算

速度；由速度求位移，即得單元的新的位置。這樣，每一迭代過(guò)程都產(chǎn)生新的位置并導(dǎo)致新

的接觸力。合力與合力矩產(chǎn)生線加速度和角加速度，塊體的速度和位移可由整個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)增

量的積分獲得，這個(gè)過(guò)程直到獲得新的平衡狀態(tài)或進(jìn)入破壞狀態(tài)為止。拉格朗日元（6）拉

格朗II元法拉格朗日元法源于流體力學(xué)。在流體力學(xué)中研究流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方法有兩種：'

種為定點(diǎn)觀察的方法，稱為歐拉法；另?種為隨流觀察的方法，稱為拉格朗日法。后者是研

究每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間而變化的情況，即著眼于某一流體質(zhì)點(diǎn)，研究它在任意一段時(shí)間內(nèi)走

出的軌跡、所具有的速度、壓力等。將拉格朗日法移植到固體力學(xué)中，在所研究的區(qū)域劃分

成網(wǎng)格，現(xiàn)在網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)就相當(dāng)于流體的質(zhì)點(diǎn)，然后按時(shí)步用拉格朗II法來(lái)研究網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的

運(yùn)動(dòng)，這種方法就稱為拉格朗日元法。這種方法最適用于求解非線性大變形問(wèn)題，它按時(shí)步

采用動(dòng)力松弛的方法來(lái)求解，不需要形成剛度矩陣，不用求解大型聯(lián)立方程組，占用內(nèi)存較

少，便于用微機(jī)求解較大的工程問(wèn)題。然而，這些理論方法本身以及采用的方法，都有各自

的局限性。例如，有限元和邊界元都有介質(zhì)連續(xù)和小變形的限制，且有限元要解大型矩陣，

需要大量的內(nèi)存。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的離散元程序，一般都假定離散的塊體為剛性體，這僅適合于處

理的應(yīng)力的情況；同時(shí):這種離散元求解時(shí)所花的時(shí)間也相當(dāng)可觀。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的快

速拉格朗日分析（FastLagrangianAnalysisofContinua,簡(jiǎn)稱ELAC）,則是在較好的吸

取了上述方法的優(yōu)點(diǎn)和克服其缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上形成的一種新型的數(shù)值分析方法。下面我們著重

介紹FLAC模擬軟件的應(yīng)用。

2.2FLAC簡(jiǎn)介

2.2.1FLAC定義

FLAC其實(shí)是快速拉格朗日分析（FastLagrangianAnalysisofContinua）的簡(jiǎn)稱，是

一種用于工程力學(xué)計(jì)算的顯式有限差分程序。該程序可模擬土、巖石等材料的力學(xué)行為。它

利用拉格朗日有限差分原理編制，以牛頓第二定律為基礎(chǔ)，可以對(duì)連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行非連續(xù)大變

形分析，特別適用于

7

求解巖土工程中的大變形問(wèn)題。

600m

500m

圖2.1FLAC劃分的三維網(wǎng)格圖

314.17m

圖2.2綜放面煤層內(nèi)垂直應(yīng)力分布三維視圖

2.2.2

FLAC的發(fā)展

（1）由美國(guó)ITASCA咨詢集團(tuán)公司開發(fā)，首先由Cundall在20世紀(jì)80年代提出并

將其程序化、實(shí)用化。（2）在20世紀(jì)90年代，得以廣泛應(yīng)用。我國(guó)20世紀(jì)90年代

初才引進(jìn)該軟件。FLAG中可以模擬的模型：中可以模擬的模型：（1）零空模型（Mull）：代

表網(wǎng)格中的孔洞（開挖單元）；（2）應(yīng)變硬化/軟化模型（SS）：代表非線性，不可逆剪切破碎與

壓縮；（3）粘彈性蠕變模型；（4）界面模型（界面為平面，沿界面允許滑動(dòng)和分開）：模擬斷

層、節(jié)理和摩擦邊界；（5）水利模型：模擬可變形空隙體與粘性流動(dòng)的全藕荷；（6）結(jié)構(gòu)單

元模型：模擬巖土體加固、襯砌、錨桿、混凝土噴層、可縮支柱及鋼拱等。（7）軸對(duì)稱幾何

模型：模擬圍堰、船閘及層狀材料側(cè)向載荷的影響；（8）動(dòng)態(tài)分析模型：其代碼能用于各種

工程動(dòng)態(tài)問(wèn)題，諸如地震分析、壩的穩(wěn)定、主結(jié)構(gòu)間的作用與液化、爆破載荷的影響等；（9）

熱力模型：模擬材料中的瞬態(tài)熱流，熱應(yīng)力的發(fā)生以及進(jìn)行熱與力的藕合計(jì)算等；（10）繪

圖功能：通過(guò)其重復(fù)占位程序，用戶能繪制各種圖形與表格，其中計(jì)算時(shí)步函數(shù)關(guān)系曲線的

繪制特別有助于弄清楚何時(shí)到達(dá)平衡與破裂狀態(tài)，并在瞬態(tài)計(jì)算（如地下水流計(jì)算）或動(dòng)態(tài)計(jì)

算（如地震運(yùn)動(dòng)計(jì)算）中進(jìn)行變量化監(jiān)控。

2.2.3FLAC的應(yīng)用

在國(guó)內(nèi)主要用與巖土力學(xué)分析；例如礦體滑坡、煤礦開采沉陷預(yù)測(cè)、水利樞紐巖體穩(wěn)定

性分析、采礦巷道穩(wěn)定性研究等。現(xiàn)在已經(jīng)逐步發(fā)展到應(yīng)用于地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題的研究，主要測(cè)

定工程地質(zhì)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、大陸動(dòng)力學(xué)。在國(guó)外該軟件開始主要泛用于巖土力學(xué)?，F(xiàn)在主

要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面的研究，如工程地質(zhì)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、大陸動(dòng)力學(xué)、成礦學(xué)。

2.3FLAC軟件的基本原理

FLAC軟件的基本原理即是拉格朗II差分法，是一種利用拖帶坐標(biāo)系分析大變形問(wèn)題的

數(shù)值方法。并利用差分格式按時(shí)步積分求解。拉格朗日元法源于流體力學(xué)，在流體力學(xué)中

有兩種主要的研究方法。一種是定點(diǎn)觀察法，亦

8

稱歐拉法；另一種是隨機(jī)觀察法，稱為拉格朗II法。后者是研究每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間而

變化的狀態(tài)，即研究一物體質(zhì)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、壓力等特征。把拉格朗

II元法移植到固體力學(xué)中，把所研究的區(qū)域劃分成網(wǎng)格，其結(jié)點(diǎn)就相當(dāng)于流體質(zhì)點(diǎn)。然后按

時(shí)步用拉格朗日元法來(lái)研究網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。拉格朗日元法是一種利用拖帶坐標(biāo)系分析大變

形問(wèn)題的數(shù)值方法并利用差分格式按時(shí)步積分求解。隨著構(gòu)形的不斷變化、不斷更新坐標(biāo),

允許介質(zhì)有較大的變形。模型經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分，物理網(wǎng)格影射成數(shù)字網(wǎng)格，數(shù)字網(wǎng)格上的某個(gè)

結(jié)點(diǎn)就與物理網(wǎng)格上相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)。對(duì)于某個(gè)結(jié)點(diǎn)而言在每個(gè)時(shí)刻它受到來(lái)自其周

圍區(qū)域的合力的影響。如果合力不等于零，結(jié)點(diǎn)就具有了失穩(wěn)力，就要產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。假定結(jié)點(diǎn)

上集中有臨接該結(jié)點(diǎn)的質(zhì)量，于是在失穩(wěn)力的作用下，根據(jù)牛頓第二定律，結(jié)點(diǎn)就要產(chǎn)生加

速度，進(jìn)而可在一個(gè)時(shí)步中求得速度和位移的增量。對(duì)于每個(gè)區(qū)域而言，可以根據(jù)其周圍結(jié)

點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度求得它的應(yīng)變率。然后根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系求得應(yīng)力增量。由應(yīng)力增量求出t

和t+At時(shí)刻各個(gè)結(jié)點(diǎn)的不平衡力和各個(gè)結(jié)點(diǎn)在t+At時(shí)的加速度。對(duì)加速度進(jìn)行積分,

即可得到結(jié)點(diǎn)的新的位移值。由此可以求得各結(jié)點(diǎn)的新的坐標(biāo)值。同時(shí)由于物體的變形，單

元要發(fā)生局部的平均整旋和整旋。只要計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)力改正值，最后通過(guò)應(yīng)力疊加就可以得

到新的應(yīng)力值，到此計(jì)算為一個(gè)循環(huán)，然后按時(shí)步進(jìn)行下一輪的計(jì)算。如此一直進(jìn)行到問(wèn)

題收斂。FLAC程序采用最大不平衡力來(lái)刻劃FLAC計(jì)算的收斂過(guò)程。如果單元的最大不平

衡力隨著時(shí)步增加而逐漸趨于極小值，則計(jì)算是穩(wěn)定的，否則，計(jì)算就是不穩(wěn)定的。

應(yīng)變率

本構(gòu)方程

對(duì)于每個(gè)單元

新的應(yīng)力

高斯定理

對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)速度

Fi=oijnjL

運(yùn)動(dòng)定律

節(jié)點(diǎn)力

圖2.3拉格郎日元法原理圖下圖給出了FLAC顯示靜態(tài)分析求解流程。現(xiàn)說(shuō)明如下：

建立FLAC模型

建立模型平衡狀態(tài)

檢查模型反應(yīng)

檢查模型反應(yīng)

求解FLAG模型

改變模型條件

實(shí)施附加改變

問(wèn)題結(jié)果圖2.4FLAC顯示靜態(tài)分析求解流程圖

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（1）建立FLAC模型：實(shí)施FLAG算法，首先要建立FLAC平面應(yīng)變模型，包括生成網(wǎng)

格，給定邊界條件與初始條件，定義本構(gòu)模型與材料特性。例如，對(duì)于摩爾-庫(kù)侖塑性模型，

其材料特性常數(shù)為密度、體積模量、剪切模量、摩擦角、粘聚力、擴(kuò)散角和抗拉強(qiáng)度等。（2）

確定模型平衡狀態(tài):在給定邊界條件與初始條件的作用下,FLAC模型應(yīng)處于初始平衡狀態(tài)。

通過(guò)對(duì)最大不平衡力，節(jié)點(diǎn)速度或位移的監(jiān)控，用戶必須決定什么時(shí)候模型已經(jīng)達(dá)到平衡狀

態(tài)。（3）檢查模型反應(yīng)：FLAC模型的反應(yīng)是通過(guò)其顯示動(dòng)態(tài)代碼進(jìn)行監(jiān)控的。當(dāng)模型動(dòng)能

降低到可忽略值時(shí);靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)解即可得到。這是模型或者處于力平衡狀態(tài)，或者處于穩(wěn)

流狀態(tài)。（4）改變模型條件：FLAC在求解過(guò)程中任何點(diǎn)，均允許改變模型條件。這些改變

包括：材料的開挖、節(jié)點(diǎn)載荷或壓力的增加或刪除、任何單元材料模型或特性的改變、任

何節(jié)點(diǎn)的約束或解除約束。對(duì)于模型中的塑性材料單元，還要規(guī)定最大不平衡力的非零常數(shù)

值。（5）求解ELAC模型:FLAC采用顯示時(shí)間逼近法求解代數(shù)方程組，求解計(jì)算時(shí)步由FLAC

代碼自動(dòng)控制。然后用戶最后必須確定什么時(shí)候時(shí)步數(shù)已經(jīng)足夠（對(duì)于所需求的解）。

2.4FLAG特點(diǎn)

綜上可知FLAG有以下特點(diǎn)：（1）采用混合離散化方法模擬塑性破裂與塑性流動(dòng)，比采

用歸納枳分法更合理；（2）采用全動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程使FLAC在處理不穩(wěn)定問(wèn)題時(shí)不會(huì)遇到數(shù)值

困難：（3）采用顯式解法，在求解非線性應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系時(shí)，不需要存儲(chǔ)任何矩陣進(jìn)行修改，

與普通隱式解法相比，大大節(jié)約了機(jī)時(shí)：（4）FLAC按行與列（而不是按順序）的形式進(jìn)行

單元編號(hào)，這對(duì)于某些指定單元的研究很方便：（5）FLAC運(yùn)動(dòng)方程（含慣量項(xiàng)）的顯式時(shí)間

逼近解法允許進(jìn)行巖體的漸進(jìn)破壞與跨落。摩擦材料剪切帶的形成與定位以及工程材料的

大變形分析等。（6）在求解過(guò)程中，F(xiàn)LAC又采用了離散元的動(dòng)態(tài)松馳法，不需求解大型聯(lián)

立方程組（剛度矩陣），便于微機(jī)上實(shí)現(xiàn)。（7）它不但能處理一般的大變形問(wèn)題，而且能模

擬巖體沿某一軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的滑動(dòng)變形。（8）ELAC還能針對(duì)不同材料特性，使用相應(yīng)的

本構(gòu)方程來(lái)比較真實(shí)地反映實(shí)際材料的動(dòng)態(tài)行為。此外，該數(shù)值分析方法還可考慮錨桿、擋

土墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用。（9）對(duì)硬件配置要求較低，強(qiáng)大的前后處理功能，實(shí)

現(xiàn)對(duì)多種材料和多種工程狀況的模擬。（10）FLAC程序?qū)椝苄杂?jì)算過(guò)程作了改進(jìn)，增加

了巖體軟化特性內(nèi)容；巖土力學(xué)問(wèn)題包含了相當(dāng)廣泛的影響因素和物理力學(xué)過(guò)程，F(xiàn)LAC具

有模擬單獨(dú)過(guò)程或組合過(guò)程的能力。（11）由于FLAC采用宏語(yǔ)言FLACish（簡(jiǎn)稱FISH）,用

戶可以定義自己的新變量，函數(shù)（宏指令）或本構(gòu)模型并可直接在ELAC代碼中試驗(yàn)其模型,

亦可另外設(shè)計(jì)新程序。FISH是一個(gè)編譯程序，進(jìn)入程序通過(guò)FLAC數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成一個(gè)指

令表存放在FLAC存儲(chǔ)器中，無(wú)論何時(shí)FISH函數(shù)被調(diào)用，其編譯代碼被執(zhí)行。FISH允許：

（1）用戶規(guī)定網(wǎng)格特性變量（如模數(shù)隨深度呈線性遞增）；（2）用戶定義變量繪圖與打印，亦

即用戶設(shè)計(jì)繪圖：（3）執(zhí)行特殊網(wǎng)格生成程序；（4）數(shù)值試驗(yàn)伺服控制；（5）異常邊界條

件、時(shí)空變量給定；（6）參數(shù)研究自動(dòng)化；（7）用戶定義本構(gòu)模型等。幾點(diǎn)說(shuō)明：

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分析模式大小與RAM之關(guān)系

（1）（2）（3）（4）（5）（6）

應(yīng)力一正號(hào)代表張力，負(fù)號(hào)代表壓力剪應(yīng)力詳見下圖，圖中所示剪應(yīng)力為正號(hào)應(yīng)變一

正應(yīng)變表示伸長(zhǎng)，負(fù)應(yīng)變代表壓縮剪應(yīng)變一剪應(yīng)變的正負(fù)號(hào)與剪應(yīng)力相同孔隙壓力一孔隙

壓力永遠(yuǎn)為正重力一正號(hào)的重力物質(zhì)往下拉，負(fù)號(hào)的重力將物質(zhì)往上提。

2.5FLAG輸入命令

FLAG的輸入和一般的數(shù)值模擬的程序不一樣，它可以用交互的方式從鍵盤輸入各個(gè)命

令，也可以寫成命令文件，類似于批處理，由文件來(lái)驅(qū)動(dòng)。FLAC命令大小寫一樣。所有的

命令可以附帶若干個(gè)關(guān)鍵詞和有關(guān)的數(shù)值。在下面的命令解釋中，只有大寫的字母起作用，

小寫的字母寫不寫、寫多少個(gè)都沒(méi)有關(guān)系。i,j,m和n開始的變量i,j,m要求整型數(shù)，否

則要求實(shí)型數(shù)。實(shí)型數(shù)的小數(shù)點(diǎn)可以忽略，但是整型數(shù)不能帶小數(shù)點(diǎn)。數(shù)值間可以用空格

隔開，空格的數(shù)目不限，也可以用下面的分隔符隔開：（），/=〈》表示可選的參數(shù)，輸

入時(shí)括號(hào)不用輸入；……表示可以有任意個(gè)參數(shù)。山*號(hào)開始到行末為注釋，F(xiàn)LAC在執(zhí)

行時(shí)不理會(huì)。下面的FLAC命令按字母排列。關(guān)鍵詞=數(shù)值<關(guān)鍵詞=數(shù)值……><范

圍〉A(chǔ)pply可以有下面的關(guān)鍵詞：壓力PressureXForceX-方向的力XFYForceY-方向的

力YF賦給模型邊界條件：施加邊界力（結(jié)點(diǎn)）applyyf=T0i=l,21j=21或applysyy

=-10i=l,21j=21applyxf=-5i=21,j=l,21或applysxx=-5i=21,j=l,21

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j=21

i=21ATtach該命令可以將一條線上的結(jié)點(diǎn)和另一條線上的結(jié)點(diǎn)互相接合在一起，用以

形成復(fù)雜的AT網(wǎng)格形狀。文件名（*.dat,*.txt）寫成的命令文件可以用Call命令來(lái)調(diào)

用，命令文件的最后一行必須是RETURN,以返回到交互方式。命令文件中不能有CALL命

令本身。Config關(guān)鍵詞FLAC用以解平面應(yīng)變問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)配置命令也可以用于解平面應(yīng)力

問(wèn)題或軸對(duì)稱問(wèn)題。需要時(shí)應(yīng)在形成網(wǎng)格之前發(fā)。關(guān)鍵詞有：平面應(yīng)力問(wèn)題P_STR軸對(duì)稱

問(wèn)題AXnCYC該命令同STEP為執(zhí)行n個(gè)時(shí)步的循環(huán)運(yùn)算。STEP,FixCall

X<Mark>〈范圍>YXY用此命令可以使〈范圍）內(nèi)結(jié)點(diǎn)的x-或y-方向的速度保持

不變。〈范圍》的格式可以是I=il,i2,J=jl,j2;i和j何者先輸入沒(méi)有關(guān)系。如果

要求位移固定，則必須將速度初始化為零（開始時(shí)速度的缺省值為零）。FIX和INIXVYV

可以聯(lián)合使用以提供一個(gè)剛性移XV,FIX動(dòng)的邊界條件。如果有MARK的關(guān)鍵詞，則只有在

此范圍內(nèi)被標(biāo)記的結(jié)點(diǎn)將被固定。賦給模型邊界條件：固定邊界（結(jié)點(diǎn)）Fixxi=l,j=l,21

Fixyi=l,21j=lj=21

Fixxi=l

i=21j=lFixy12

X<Mark>（范圍〉YXY該命令與FIX命令相反，用于放松對(duì)結(jié)點(diǎn)的約束。Gridicol

jrow此命令用以產(chǎn)生數(shù)目為icol列和jrow行的網(wǎng)格。對(duì)于640k內(nèi)存的FLAC版本，

如用摩爾-庫(kù)侖的本構(gòu)模型約可分兩千個(gè)單元。網(wǎng)格生成Gridi,j例如：grid30,20y

FReeFR

j=20x

i=30xl,ylx2,y2x3,y3x4,y4<Ratiorirj><range>用于在全域或局域中產(chǎn)生

網(wǎng)格。（xl,yl）的點(diǎn)放在左下側(cè)，（x2,y2）、（x3,y3）和（x4,y4）為順時(shí)針排列順時(shí)針排列。

如果點(diǎn)和前一個(gè)GE命令中的相同，則用SAMEGEn順時(shí)針排列來(lái)代替。如果網(wǎng)格不是均勻

排列，則用關(guān)鍵詞RATIO在I和J方向的比例系數(shù)分別為ri和RATIO,rj.y2（x2,y2）

3（x3,y3）GEnGE

j=20x1（x1,yl）i=304（x4,y4）

13

分區(qū)規(guī)劃網(wǎng)格。例如:Genxll,yllxI2,yI2xI3,yI3xI4,yI4i=l,10j=l,21（1區(qū)）

Genxlll,ylllxII2,yII2xII3,yII3xII4,yII4i=10,21j=l,21（H區(qū)）i=10,j=21

i=21,j=21

i=l,j=21

I

i=l,j=l

II

i=21,j=li=10

GEnGE

Circlexc,ycradArcxc,ycxb,ybthetaLinexl,ylx2,y2該命令產(chǎn)生園、弧或直

線?；〉膱A心為(xc,yc),起始點(diǎn)為(xb,yb),逆時(shí)針的角為ARCtheta度(1)弧線gen

arcxc,ycxb,ybtheta2(x2,y2)3(x3,y3)

(xb,yb)

(xc,yc)1(x1,yl)園的中心為(xc,yc),半徑為radCIRCLE(2)圓形gencircle

xc,ycrad

4(x4,y4)

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2(x2,y2)

3(x3,y3)

Rad

(xc,yc)

1(x1,yl)

4(x4,y4)

LINE

直線的兩端為(xl,yl)和(x2,y2).(3)直線genlinexl,ylx2,y22(x2,y2)(x2,y2)

3(x3,y3)

(xl,yl)

1(xl,yl)(4)任意形狀tab1xl,ylx2,y2...xn,ynxl,ylgentab12(x2,y2)

(xn,yn)

4(x4,y4)

3(x3,y3)

(xl,yl)1(x1,yl)

(x2,y2)

4(x4,y4)

用ARC等關(guān)鍵詞所形成的邊界系被標(biāo)記(參見命令MARK和UNMARK)過(guò)，標(biāo)記結(jié)點(diǎn)所

圍住的區(qū)域在以后用命令I(lǐng)NITAL,MODEL和PROPERTY時(shí)可以用關(guān)鍵詞REGION來(lái)說(shuō)明。

GEnADJust

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用此命令來(lái)微調(diào)網(wǎng)格，使之離散平滑。該命令可以連續(xù)使用以增進(jìn)平滑效果。HelpHis

幫助命令，可在屏幕上顯示命令表。

＜Nstep=n＞〈關(guān)鍵詞...I=ilJ=jl＞每隔NSTEP時(shí)步，記錄一下關(guān)鍵詞所示項(xiàng)目在

il和ji結(jié)點(diǎn)或單元的數(shù)值。NSTEP的缺省值為10.用戶應(yīng)記住所要求His(歷史)的順

序，因以后在打印或繪圖忖要用。歷史值在ELAC停止運(yùn)行時(shí)刪除，因此如果要保留的話，

要用到命令HISWRITEN((見下面)。可以用的關(guān)鍵詞有：?jiǎn)卧猧,j內(nèi)的最小主應(yīng)力和X-

軸所形成的夾角Ang單元i,j內(nèi)的孔隙壓力PP單元i,j的最大主應(yīng)力SIG1單元i,j

的最小主應(yīng)力SIG2單元i,j的xx-應(yīng)力SXXSYY單元i,j的yy-應(yīng)力SXY單元i,j

的xy-應(yīng)力X結(jié)點(diǎn)i,j的x-坐標(biāo)Y結(jié)點(diǎn)i,j的y-坐標(biāo)XDis結(jié)點(diǎn)i,j的x-位移

YDis結(jié)點(diǎn)i,j的y-位移Unbal最大不平衡力XVel結(jié)點(diǎn)i,j的x-速度YVel結(jié)點(diǎn)i,j

的y-速度XXA單元i,j三角形a的xx-應(yīng)力XYA單元i,j三角形a的xy-應(yīng)力YYA

單元i,j三角形a的yy-應(yīng)力XXB單元i,j三角形b的xx-應(yīng)力XYB單元i,j三角

形b的xy-應(yīng)力YYB單元i,j三角形b的yy-應(yīng)力XXC單元i,j三角形c的xx-應(yīng)

力XYC單元i,j三角形c的xy-應(yīng)力YYC單元i,j三角形c的yy-應(yīng)力XXD單元

i,j三角形d的xx-應(yīng)力XYD單元i,j三角形d的xy-應(yīng)力YYD單元i,j三角形d

的yy-應(yīng)力關(guān)鍵詞His關(guān)鍵詞可以是：將第nhis的歷史寫屏；DumpnhisWritenhis將

第nhis的歷史寫在文件FLAG.HIS上，該文件可在FLAC結(jié)束后打印出來(lái)。連續(xù)執(zhí)行HIS

WRITE命令可將結(jié)果順序?qū)懺贔LAG.HIS上，但是首次執(zhí)行此命令會(huì)將以前盤上所存的同

名文件沖掉；所有的歷史都清除掉。ResetHisunbalHiswrite1Hisxdisphiswrite2

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Initial

關(guān)鍵詞=值〈...〉〈范圍〉某些結(jié)點(diǎn)值可以給初值：PP空隙壓力Xx-坐標(biāo)Yy-

坐標(biāo)SXXxx