数值模拟在采矿工程中的应用

第６卷第６期　矿　业　工　程　２００８年１　２月　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　・岩土工程・　数值模拟在采矿工程中的应用　岳　滨　郭忠林　（昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明６５００９３）　摘要：现在的采矿工程已不仅是开采问题，而且还要注意围岩稳定性和岩层控制。由于开采中的围　具有很多的不确定因素，采用一些传统的分析方法解决这些问题的弊端越来越大，于是一些专门用于解决　采矿工程问题的数值分析软件应运而生，且发展迅速，其兼容性和开放性越来越好；根据采矿工程的自身　特点，数值模拟在解决该问题的作用越来越大。　关键词：采矿工程；数值模拟；围岩稳定；岩层控制　中图分类号：ＴＤ　８Ｏ一９／ｏ　２４２．１　文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—８５５０（２００８）０６—０００５—０２　０　引言　２　数值模拟方法在采矿工程中的应用　近几十年来，随着计算机技术的发展，数值计算方法　２．１数值模拟的步骤　在采矿和岩土工程问题分析中得到了广泛的应用。其中应　采矿工程中的数值模拟可分为以下步骤：１）确定模型　用最多的数值方法有：有限差分法、有限元法、边界元法、　分析目的；２）创建物理系统的概念图；３）建立和运行简　加权余量法、半解析元法、剐体元法、非连续变形分析法、　单的理想化模型；４）收集具体问题的数据；５）准斋…系　离散元法、无界元法和流形元法等。而这些方法中有限元　列详细的模型来运行；６）完成模型计算；７）提出结果用　法应用最为广泛。它最早应用于航空航天领域，用来求解　于解释。　线形结构问题。从２Ｏ世纪６ｏ～７Ｏ年代开始国际上很多机　按照以上的步骤，可以有效解决采矿工程中的岩上工　构开始开发有限元算法的分析软件，其中国际著名的有限　程问题。　元分析软件有ＡＤＩＮＡ、ＡＮＳＹＳ、ＭＳＣ等。但由于不是专　２．２存在的主要问题　门为岩土和采矿工程而开发，在解决某些岩土和采矿问题，　采矿工程中岩土工程问题尤为突出，如煤矿冲击地压、　如分析软岩巷道的大变形和采矿工程中顶板垮落等问题时　瓦斯突出、采场顶板垮落、覆岩移动及控制　采动引起的　经常很难计算，于是专门为岩土和采矿工程数值分析开发　高应力软岩巷道围岩控制、深部开采的地温和地压、煤炭　的软件应运而生．如ＦＩ　ＡＣ、ＵＤＥＣ、ＲＦＰＡ等。这些软件　地下气化和煤柱的长期稳定性等问题，都需要进一步的研　都可以与ＣＡＤ软件无缝集成，具有可靠的自动建模能力．　究。　可求解非线性问题和耦合场，同时程序具有开放性。　就岩土工程而言，采矿工作面上覆岩层的损伤、断裂　１　数值模拟方法基本原理　和失稳是不可避免的，一定要防止这类现象发生。目前的　固体力学还只能对较为理想的弹性、塑性和损伤体进行町　大部分数值分析软件都是基于弹性理论解决岩体非线　靠的变形与受力分析，而在采场覆岩的变形、运动与受力　性变形与破坏问题的数值方法。在对岩体这种特殊质地材　分析中，更多的是材料或结构破坏后的力学行为．以及结　料分析时，其采用了宏观非线性与微观线弹性的划分原则。　构破坏和失稳的全过程，而且工作面周围不同区域的　体，　从微观看，岩体单元相对较均质，具有较强的弹性变形特　其力学性能变化差别很大，采动岩体是一种连续与非连续　征；另一方面，由于节理、裂隙的存在，微元问的接触又　相耦合的复杂介质。对一般的岩土工程问题，材料和结构　呈现出非连续性；从宏观上看，岩体是一种脆性极强的材　破坏意味着报废，因而无任何研究价值；而采矿工程问题　料，往往在受力不大时就发生破坏与断裂。大多数软件正　中，必须研究材料和结构破坏后的力学行为，其存在的主　是基于岩体的此特性，通过引进“基元”与“相变”的微　要问题可分为两大类：　观概念，建立ｒ弹性损伤力学这一数学模型。　采场围岩控制问题，即岩体结构是如何破断的、　破断后的岩块是否趋于稳定状态以及结构失稳后的形态变　收稿日期：２００８—０５—１　２　化。如采场坚硬基本顶随着工作面的推进，不断地由连续　作者简介：岳滨（１９８２～），男（汉族），河南永城人，在读研究　体破断成块体，块体重新排列后的自然结构再受覆岩自重　生，研究方向：采矿工程。　的作用，不断变化、运动和失稳直到引起地表沉陷。　６　矿　业　工　程　第６卷第６期　采动应力场是指矿体采出后围岩内重新分布的应力　场，它是岩体变形一破裂一运动之源。但由于原岩应力状　态及开采后应力场难以测定，其有关的理论描述和现场测　定均不成熟。受采动应力场影响，采动岩体将发生变形直　至破裂，破裂后的块状围岩体将形成堆砌结构，其失稳即　造成岩体运动，直至再形成稳定的块状堆砌结构。对于煤　矿采动覆岩来说，大部分情况下覆岩的及时垮落是必须　的。否则将对工作面的安全造成严重威胁。但覆岩的垮落　将对采场形成来压；岩层内部造成裂隙和离层，引起气体　和水体的运移；地表沉陷造成地面建筑、道路、水体及环　境的严重破坏。因此，必须研究覆岩的活动规律及岩层控　制技术。　巷道围岩控制问题，即开采后覆岩移动、变形和　破坏导致围岩应力场的变化规律；开采对工作面周围巷道　围岩稳定性的影响，以及采动影响下巷道围岩控制机理及　控制技术。如受相邻工作面开采影响时，巷道的合理布置，　支承压力对巷道围岩稳定性的影响，并根据巷道周岩的移　动变形特征和围岩状况选择合理的支护方式和参数。　随着矿体的采出，在采场两侧和前后方围岩内均要形　成采动应力集中，特别是垂直方向上的支承压力集中，峰　值可达（３～５）ｙＨ（其中　为岩体的体积力；Ｈ为采深），　甚至还要高。在深部开采时，如采场两侧巷道围岩受支承　压力峰值影响，必将给巷道围岩控制造成严重困难。现场　资料表明，有些巷道受一次采动影响即可全部毁坏，有时　则使巷道围岩的变形呈流变状态，并且在一般的支护条件　下难以克服。由于工作面周围巷道服务时间短，此类巷道　虽变形较大，但只要在巷道服务期内能保证巷道的正常安　全使用即可。　２．３采矿工程中数值模拟的应用　对采矿工程数值模拟方法的各方面展开研究。从　数值模拟方法的发展历程和采矿工程问题的特点看，采矿　工程数值模拟方法必须要反映采矿工程问题的特点，在数　值模拟软件的取向一ｋ更偏重于能反映采矿工程问题特点的　专业化软件。实际上，开采引起的覆岩移动变形有其自身　的规律和特殊性，因此要结合采矿工程问题的特点，对采　矿工程数值力学分析方法的各个方面，包括数值计算方法、　模型的合理范围和边界条件等需要进行专门的研究。　一～新型开采工艺研究。随着环境保护意识和经济可　持续发展理念的增强，提出了煤矿绿色开采技术，其内容　主要包括：１）水资源保护．形成“保水开采”技术；２）　土地与建筑物保护开采技术，如离层注浆、充填与条带开　采技术；３）瓦斯抽放，形成“煤与瓦斯共采”技术；４）　煤层巷道支护与减少矸石排放技术；５）地下气化技术。上　述技术的许多方面属前沿性的研究课题，在缺乏试验设备　和现场监测结果的情况下，需要采用数值模拟方法进行理　论性和前瞻性的研究　研究煤矿新型开采工艺，除研究开　采引起的覆岩移动变形规律及岩层控制技术外，还涉及到　材料力学特性的研究，如充填材料的特性等。　——各种动力灾害及控制技术研究。地震波及各种动　力源对各种岩土工程带来极大的危害，煤矿井下经常出现　瓦斯突出和冲击地压，进一步采用数值模拟方法从机理上　分析这些动力现象对工程岩体稳定性的影响、研究消除或　减轻这些动力危害的技术措施。　热力学分析。近年来，大力发展煤炭的洁净利用－　煤炭地下气化、围岩的活动规律及岩层控制问题需要采用　数值力学分析方法进行热力学分析。要深入研究该问题，　首先要研究煤层及围岩在煤炭地下气化过程中的力学特性。　固体与液体的耦合作用。浅部地下岩层存在大节　含水层，煤矿井下开采引起大量含水层失水，如底板突水　等；此外井巷支护中的注浆加固、堵水等。这些问题都涉　及到流体或固体、液体和气体的多种耦合作用，研究该问　题同样需要采用数值模拟方法进行分析。　固体与气体的耦合作用。瓦斯突出是煤矿常见的　一种动力现象，煤层中的瓦斯具有很高的吸附性。对于这　种固体与气体的耦合作用如何进行数值模拟需要结合其它　方法进行研究。　深部开采软岩巷道同岩控制及技术研究。随着采　深的增大，高应力软岩巷道支护问题更加突出．需要进一　步研究深部开采条件下的巷道围岩控制机理及技术。一般　受采动强烈影响后，巷道围岩多呈现极不均匀的移动变形・　需要结合数值模拟方法研究受采动影响巷道的周岩移动变　形特征，并采取相应的围岩控制技术措施。　岩体蠕变特性对工程岩体稳定性的影响。岩体蠕　变特性是岩体强度随时间变化的一个固有特性，特别是对　软岩问题更加突出。我国软岩矿井分布十分广泛，全国大　多数矿区都存在此类问题。此外在地铁隧道、水利等各领　域也都存在类似的问题，岩体蠕变特性的研究和分析对保　证各类岩土工程的长期稳定性至关重要。近几年随着矿井　的衰老，许多矿井“三下”采煤的问题越来越突出，尤论　是采用条带式、房柱式还是采用充填开采，都存在一个煤　柱或充填体的长期稳定性问题，迫切需要采用数值模拟方　法对此进行深入研究。　采矿工程问题的三维数值模拟。地下开采围岩的　力学行为是一个涉及时间和空间的复杂问题，用传统的平　面模型难以反映问题的实质，有时很难建模，如工作面推　进过程中，开采对工作面周围巷道围岩稳定性的影响『口】题，　因此需要建立立体模型来反映采矿过程中的力学问题。由　于三维数值模拟比较费时、费力，比较好的处理办法是将　三维数值模拟和平面问题结合起来进行研究。　一岩体力学参数的合理确定方法。我国《国家工程　岩体分级标准》主要依据两项指标评价岩体的工程质量，　即岩石的强度和岩体的完整性。国际著名的岩体工程质量　分级标准——Ｂａ　ｒｔｏｎ分类标准，给出了定餐的评价体系，　以此来评价工程岩体的质量。但这些分类标准都没有给出　岩体力学参数的合理确定办法，实际上，数值模拟结果的　准确性。在很大程度上取决于岩体力学参数确定的可靠性。　因此需要研究岩体力学参数的合理确定办法，特别是对峰　后岩体和采动破碎岩体的力学特性进行研究。　６毪　２００８｛　６　矿　业　工　程　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　７　】２，】　锚杆与围岩相瓦作用机理分析　谷拴成　邵红旗　张礼魁　（１．西安科技大学建筑与土木　工程学院，陕西西安７１００５４；　２．铜川Ｉ建筑安装工程公司，陕西铜川Ｉ　７２７０００）　摘要：铺ｆｌ：足　体内部发挥支｝，ｌ和加　作刖的，如何　同岩的状态和变形特点相协凋，是决定锚　”史｝，ｌ效果的天键』目袭。ｊｆ；Ｊ　！ｊ－锚杆通过锚用力相　作Ｈｊ．通过分解锚Ⅲ力、研究其作用过程与特点及利　用锚中『　｜ｊｌ纠　卡Ｉ｛ｑ　作』ｆ】父系曲线　揭爪Ｊ　影响　调性的主要因素，分析比较了锚杆、注浆和支架支护的承　载　渊性．确认个Ｋ铺　锚朴的承载协调件优于其它支护形式等一些有实际意义的结论。　关键词：嘲　；铺ｆＩ　：　承载；　词性　中图分类号：ＴＩ）：｛５３．６　文献标识码：Ａ　文章编号：】６７１—８５５０（２００８）０６—０００７　０４　理沦。上述理论能较圆满地解释锚杆对围岩的稳定功能．　但大郁不同程度地仃在肴某些局限性，使锚杆支护在更广　随　锚”之ｌｆＪ　技术的不断发展，人仃Ｊ对锚　机　的研　究不断深入．常川的铺川支护　论：软弱危　々悬吊卿论、　状　体的　合　及　加　沦、松碎　的　合拱（　缩拱）理论　泛领域的应用尚缺乏允分而可靠的理论依据。。一　。本文拟　对铺杆支护机理作进一步的研究。　１　锚杆作用力的产生机理　锚杆是在围岩士体内部通过与嗣岩相互作用发挥支护　和加固作用的，其锚同作用体现为径向和切向锚吲力的作　论（增强　论）、ｔｆ】　点理沦、销钉理论；最大　强嫂强化　论、嗣　松动圈　水　应力　论、锚”戈　收稿Ｈ期：２００８　ｃ）６　０３　作者简介：符拴成（１（ｊ“：　）．男（汉族），陕婀扶风人，两安科技　建Ｉ　用，径向锚固力与普通框式支护所提供的支护力类似，通　过对围岩施加围压，将围岩由单向、双向受力状态化为双　硬地　结构ＩＦ　１ｒ襞　‘靠度等力ｍ　的敦　与研究　作。摹　６『｝　从竹　岩　程、地下抗震　　向、三向受－Ｉ　Ｊ、－ｌｌｊ－　ＪＬＪ．　；ＩＸ、　态，提高　岩的稳定　；切ｌ芯，征同　ＨＶ０１　　疋　；ｒ，ｃ　ｉ　ａ．］ＪＮＮ）：￣１ｉ１　Ａｉｌ　Ｊｊ￣ｋＪ：ｔＫｌ　ｔ题需要通过数值模拟的＿Ｆ段进行深入的研究。　参考文献：　现　永矿领域的入　５分　利－－　ｔ　ｉ　¨引　Ｊ￣４ｉＥ：Ｉ：１　・主要表　稳　ｐｌｉ问题都涉及到开米　Ｉ起　随卉数值模拟软什功能的逐渐强大．采矿ｌ＿ｒ程问题的　薷萋鬟　舌霉：　享　析．徐卅Ｉ：中国矿业大学出版社．２００５．　躺分　的强烈影响．日Ｉ起…　成力最新分　，４ｊ　４－来的高应力作Ⅲ以　［３］　刘长武，程才旺．地层空Ｉｈｌ￣ｊＪ场的开采扰动与模拟．郑州：　及围钳的久范ｎ　移动ｌｆ１Ｉ严霞破裂，导敛研究问题的复杂化。　［４］　落　．采动覆岩离层的数值模拟研究．　《岩石力学与１　程学报》，２００５，２４（增）．　研究　段越求越多。　足｝ｆ¨　人多数的采矿　Ｉ：程　题处丁　地下．仃　苻　多的　确定因素．迩有很多的采矿］　程　煮　，套　值光弹及其在采矿工程中的应　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｊｎ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｉｎｉｎｇ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ＹＵＥ　Ｂｉｎ，ＧＵＯ　Ｚｈｏｎｇ－ｌｉｎ　Ｋｕｎｍｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎ（１　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　６５００９３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎ（）ｗ　ｔ｝１（、Ｉｎｉｎｉｎｇ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｎｏｔ　ｊ　ｕｓｔ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ｉｓｓｕｅｓ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｔｏ　ｐａｙ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｔＯ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｕ　ｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｓｔ　ｒａｔａ　ｃｏｎｔ　ｒｏｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｓｉｎｃｅ　ｔｈｅ　ｒｏｃｋ　ｍｉｎｉｎｇ　ｉｓ　ａ　ｌｏｔ　ｏｆ　ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ，ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｂｙ　ｓｏｍｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｗａｙ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅｓｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｎｌｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｄｅｆｅｃｔｓ，ＳＯ　ｓｏｒｔｉｅ　ｄｅｖｏｔｅｄ　ｔＯ　ｓｏｌｖｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｃａｍｅ　ｉｎｔｏ　ｂｅｉｎｇ．ｂｕｔ　ｎｏｗ　ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ　ｒａｐｉｄ，ｏｐｅｎ　ｔｈｅｉ　ｒ　ｃｏｍｐａｔｉｈｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｇｅｔｔｉｎｇ　ｂｅｔｔｅｒ　ａｎｄ　ｂｅｔｔｅｒ．ｄｕｅ　ｔＯ　ｍｉｎｉｎｇ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｈａｓ　ｉｔｓ　ｏｗｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｉｎｉｎｇ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｎ　ｓｏｈ’ｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｒｏｌｅ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ　ｌａｒｇｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｉｎｇ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｒｏｃｋ　ｓｔｅａｄｙ；ｓｔ　ｒａｔａ　ｃｏｎｔｒｏｌ