數(shù)值模擬在采礦工程中的應(yīng)用

■張小祥

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅蘭州730030）

數(shù)值模擬在采礦工程中的應(yīng)用

■張小祥

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅蘭州730030）

現(xiàn)階段電子信息技術(shù)的發(fā)展勢(shì)頭良好，在各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛的利用。采礦工程為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展潮流，也引進(jìn)了數(shù)值模擬的先計(jì)算方法，使得采礦工程行業(yè)的里程碑式革新。一般經(jīng)常使用的數(shù)值計(jì)算方法有剛體元法、差分法、無(wú)界元法等等，數(shù)值模擬能夠從整體上把握巖體力學(xué)和巖石結(jié)構(gòu)，進(jìn)而為采礦工程提供便利的數(shù)據(jù)支持，本文通過簡(jiǎn)要介紹采礦工程現(xiàn)階段出現(xiàn)的問題，并針對(duì)這些問題提出了對(duì)應(yīng)的解決辦法。

數(shù)值模擬采礦工程應(yīng)用

數(shù)值模擬技術(shù)和采礦工程相掛鉤能夠客觀展示出各種施工技術(shù)對(duì)采礦工程的整體影響，包括圍巖的穩(wěn)定性等等，這樣就可以從宏觀上預(yù)測(cè)巖體的穩(wěn)定性，對(duì)巖體的物理化學(xué)性質(zhì)有更充分的掌握，還有對(duì)于地應(yīng)力場(chǎng)的了解都可以從不同方面對(duì)采礦工程的施工過程給予數(shù)據(jù)支持。因此，近些年來的數(shù)據(jù)模擬技術(shù)在信息技術(shù)的支持下已經(jīng)獲得了很好的發(fā)展，越來越成為采礦工程的主要技術(shù)手段。

1　現(xiàn)階段采礦工程中主要存在的問題

1.1巷道圍巖控制問題

巷道圍巖控制就是在進(jìn)行完采礦工作之后巖體不可避免地產(chǎn)生位置的移動(dòng)、巖石的變形還有整個(gè)巖體的破壞等現(xiàn)象，這會(huì)使得圍巖的應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響到施工場(chǎng)地周圍的巖體穩(wěn)定性，造成生態(tài)上的損失及破壞。因此采礦工作進(jìn)行的時(shí)候，要考慮到距離較近的施工項(xiàng)目所造成的影響，還有支撐壓力對(duì)整個(gè)巖體結(jié)構(gòu)的作用力大小，要采取合理的巷道布置方案，依據(jù)施工的實(shí)際情況比如圍巖的移動(dòng)方向及活動(dòng)的程度等等選擇科學(xué)適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方案。進(jìn)行到礦體的采集工作時(shí)，要時(shí)刻注意采礦場(chǎng)周圍的受力情況，保證礦體在采出的過程中采動(dòng)應(yīng)力相對(duì)集中的狀態(tài)，不僅包括采礦場(chǎng)左右和前后的圍巖，還有最重要的垂直方向的壓力保證集中狀態(tài)。數(shù)值模擬方法的采用在很大程度上促進(jìn)了礦產(chǎn)巖體穩(wěn)定性預(yù)報(bào)工作準(zhǔn)確性的提高，除此之外，還能夠展示出圍巖在各種不同的受力環(huán)境下可能出現(xiàn)的受力情況和內(nèi)部結(jié)構(gòu)、減少采礦現(xiàn)場(chǎng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的設(shè)備儀器和人力資源的投入等等。

1.2采場(chǎng)圍巖控制問題

采場(chǎng)圍巖控制就是關(guān)注巖體被破壞的過程，在受到破壞之后能否延續(xù)之前穩(wěn)定的物質(zhì)狀態(tài)，以及在不能保證其自身穩(wěn)定性之后內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的一系列變化。例如采礦場(chǎng)的頂部巖體本來是很堅(jiān)硬的，但是隨著采礦工作的不斷推進(jìn)，作業(yè)對(duì)象不斷擴(kuò)大，更多的成塊狀的巖體被破碎成了塊狀巖石，這些塊狀巖石經(jīng)過自由排列和組合再一次受到覆巖的重力影響，在運(yùn)動(dòng)變化中失去自身的穩(wěn)定性，最終引起地面沉降。采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)簡(jiǎn)單來說就是指采礦場(chǎng)在進(jìn)行完采礦活動(dòng)之后圍巖之中再次進(jìn)行分配的應(yīng)力場(chǎng)，這是造成巖體移動(dòng)變化和破碎的最大影響因素?，F(xiàn)階段由于技術(shù)的限制礦體開采之前的巖體應(yīng)力場(chǎng)以及采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)都是很難進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的，相關(guān)的理論基礎(chǔ)并沒有成熟和完善起來，這是現(xiàn)在影響采礦工程的一個(gè)重要因素。

2　數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應(yīng)用

2.1新型開采工藝研究

現(xiàn)階段社會(huì)生產(chǎn)力不斷提高，社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平也在飛速發(fā)展著，人們?cè)诳紤]追求經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)對(duì)環(huán)境保護(hù)的關(guān)注不斷提升起來，各個(gè)國(guó)家也逐漸將低碳環(huán)保、發(fā)展的可持續(xù)列入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略之中，政府為了支持國(guó)家政策，紛紛提出了采礦工作綠色化的理念，倡導(dǎo)各個(gè)采礦公司采用綠色環(huán)保的采礦技術(shù)，主要的政策分為如下幾個(gè)方面：要求采礦公司在開采礦物的過程中提高水資源的利用率，減少對(duì)水資源的污染；還有注意盡量減少對(duì)采礦場(chǎng)附近的生態(tài)環(huán)境的維護(hù)；要學(xué)習(xí)并使用先進(jìn)的灌漿技術(shù)，最大限度的保護(hù)土地資源；提高礦體支護(hù)工作水平，減少巖體破碎等現(xiàn)象的發(fā)生等等。采礦工程的綠色化開發(fā)項(xiàng)目是屬于我國(guó)的先進(jìn)行科研項(xiàng)目，因此有實(shí)驗(yàn)儀器等設(shè)備缺失問題及難以進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)等問題的出現(xiàn)，在這個(gè)時(shí)候數(shù)值模擬就可以發(fā)揮重大的作用了，這對(duì)于革新并開發(fā)新型采礦技術(shù)有著強(qiáng)大的技術(shù)支持作用，還能夠幫助研發(fā)新型支護(hù)材料等等。

2.2熱力學(xué)分析研究

現(xiàn)階段全世界都在進(jìn)行清潔能源的開發(fā)與研究工作。煤炭作為污染較為嚴(yán)重的一種能源，急需進(jìn)行技術(shù)革新，達(dá)到廢棄物的零排放。數(shù)值模擬方法可以很好的完成這項(xiàng)工作，從巖體的特征及其活動(dòng)規(guī)律，到煤炭的氣化都可以以熱力學(xué)方式進(jìn)行詳細(xì)的探究，想要進(jìn)行煤炭清潔化的進(jìn)一步探究，就必須要做好首先要做好巖體及煤炭是如何在地下進(jìn)行氣化的調(diào)查和研究工作，數(shù)值模擬在這方面也可以提供一部分的技術(shù)支持。

2.3減輕各類能量沖擊造成的損害研究

地震及其帶來的地震波通常有著比較大的破壞性，會(huì)給包括采礦工程在內(nèi)的巖土類工程帶來近乎毀滅性的打擊，在地下工作極易發(fā)生的瓦斯爆炸常常會(huì)使采礦人員的生命受到威脅。數(shù)值模擬技術(shù)就能夠最大限度的避免此類情況的發(fā)生，通過數(shù)值模擬可以詳細(xì)研究并模擬出突發(fā)情況產(chǎn)生的動(dòng)力活動(dòng)是否達(dá)到破碎巖體的級(jí)別，還有采取什么樣的措施才可以盡量減少甚至避免能量沖擊造成的不良影響，這樣可以提高采礦工程的安全系數(shù)，減少人員和財(cái)產(chǎn)以及設(shè)備的損失，達(dá)收益的最大化。

2.4巷道圍巖控制技術(shù)研究

隨著采礦工程開發(fā)礦產(chǎn)的時(shí)間越來越長(zhǎng)，地下的礦產(chǎn)數(shù)量也逐漸減少，相應(yīng)的開采難度也在不斷增加，所需要開采的深度也是越來越大，這樣就出現(xiàn)了一個(gè)很復(fù)雜的問題：如何進(jìn)行軟性巖石的支護(hù)工作才能保證采礦行業(yè)的繼續(xù)發(fā)展。通常圍巖在經(jīng)歷了巨大的能量沖擊之后會(huì)產(chǎn)生巖體不規(guī)則移動(dòng)及大幅度變形的情況，這會(huì)給采礦工作帶來很多不可預(yù)知的施工影響，這個(gè)時(shí)候數(shù)值模擬技術(shù)就可以通過進(jìn)行圍巖巖體移動(dòng)的方向、趨勢(shì)及變形程度等數(shù)據(jù)的采集，來對(duì)未來的圍巖活動(dòng)進(jìn)行預(yù)判，從而可以采取有效措施來阻止圍巖進(jìn)一步變形和移動(dòng)，從而降低采礦難度，增加采礦效率。

3　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采礦工程產(chǎn)生的問題主要集中在各種外界因素導(dǎo)致圍巖的穩(wěn)定性受到破壞上，進(jìn)而給開采工作帶來不利的影響。引起圍巖應(yīng)力變動(dòng)的外界影響因素很多，因此想要避免幾乎是不可能的，但是數(shù)值模擬技術(shù)的使用使得采礦工程問題的研究手段更加先進(jìn)，使得對(duì)于外界因素的全面探究成為可能，因此，要在了解采礦工程特征的基礎(chǔ)上充分利用數(shù)值模擬提供的技術(shù)便利，才可以促進(jìn)采礦行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，在未來的信息道路上越走越遠(yuǎn)。

[1]謝文兵采礦工程問題數(shù)值模擬研究與分析［J］中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2015（08）.

[2]徐劍坤 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用 [J]實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013 （02）.

[3] 史貴棟現(xiàn)代化采礦工藝技術(shù)在采礦工程中的應(yīng)用[J] 科技展望，2015 （02）

P2[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-2-210-1