仿真技術在采礦工程教課中的作用范文

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1多元數值仿真技術

多元數值仿真技術是指針對所研究問題，充分發揮不同數值計算方法（有限差分法、有限元法、離散單元方法等）的特點，運用2種或2種以上數值計算方法對問題進行全面研究，主要表現在：（1）注重利用各個數值計算方法去解決可發揮其優勢的工程問題；（2）在解決復雜工程問題過程中，注重發揮各個數值計算方法特點，解決該工程中的一部分問題，最終綜合各個仿真研究結果，實現對工程問題的全面研究；（3）注重計算過程中各個數值仿真結果之間或與現場工程實際相互驗證，相互校正，相互補充，達到對工程實際的模擬追蹤，實現數值仿真精細化；（4）注重對工程問題的各種現象的可視化仿真再現或是對未知問題的可視化仿真探索研究。

多元數值仿真技術體系（見圖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）的數值計算技術，不同數值計算方法針對不同的巖土工程問題。巖體非線性連續大變形問題主要利用有限差分法來研究，并輔以有限單元和離散元數值計算方法；巖體非線性破壞運動問題主要利用有限單元法來研究，并輔以其他2種數值計算方法；固體、氣體等流動問題主要利用離散元法來研究，并輔以其他2種數值計算方法等。

2多元數值仿真技術在采礦工程實驗教學中的應用

2.1基本巖石力學仿真實驗

利用多元數值仿真技術可實現巖石力學基本實驗中基本現象的計算機仿真再現（包括拉伸破壞、壓縮破壞、剪力破壞、多點彎曲等），讓學生看到力學實驗中無法看到的實驗現象，加深理解試件加載過程中應力布與演化過程以及試件的破壞機制。圖2是巖石單軸壓縮過程仿真結果。

2.2井巷工程仿真

巷道穩定性問題一直是煤礦開采過程中的一大難題，由于巷道形狀、支護形式、所處地質環境等多種因素交叉影響，導致了巷道變形、破壞的誘因復雜。結合現場實測和理論分析手段，利用數值仿真技術再現巷道變形破壞規律和找出變形破壞主因，并可以模擬不同的支護方式對巷道進行不同方案支護效果分析，使學生在實驗室就可以了解巷道失穩的規律，并利用已學知識對巷道變形破壞問題進行處理，達到了對原有知識的鞏固，加深了對井下巷道的主要變形和冒頂、底臌、片幫等破壞形式的認識。

多元數值仿真技術解決巷道問題的主要思路：注重利用各個數值計算方法去解決可以發揮其優勢的工程問題，對于巷道支護元素失效而導致巷道破壞問題，利用非線性大變形程序FLAC對不同圍巖條件下巷道變形過程進行模擬，研究其支護元素（錨桿、鋼梁等）的支護力學特性并進行對比，選擇合理支護方案；對于巷道頂板冒落和片幫問題，應以離散元方法和巖石破裂過程分析RFPA為主，研究圍巖的破裂運移規律等。圖3顯示巷道頂板冒落仿真結果。

2.3采場仿真

采場是采礦工程的主要作業空間，其巖體空間力學特征更為復雜，并伴有各中動力現象，支護體與圍巖相互作用保障支護空間的穩定性，同時，伴有采場后方上覆巖層周期性的垮落。運用多元數值仿真技術對采場問題進行研究，應注重發揮各個數值計算方法特點，針對采場支護穩定性問題、圍巖垮落問題、動力現象等，最終綜合各個仿真結果，從而實現對采場穩定性全面研究。對于較復雜的采場問題，如大傾角煤層開采等，應注重各個數值仿真結果的相互驗證，相互校正，相互補充，從而得到更接近實際采場的應力分布和巖層變形、移動特征，達到數值仿真精細化、可視化，讓學生深入了解采礦活動造成的圍巖運移規律，加深對采場瓦斯、透水等災害形成機理的認識。圖4是采場巖層破壞仿真結果。

3結束語

利用計算機仿真技術進行輔助教學是對傳統采礦工程教學改革的一種嘗試，多元數值仿真技術不僅具有通用性強、方便靈活、可重復等特點，而且可以得到許多在常規實驗中難以觀測的重要信息，可從多種仿真角度加深學生對物理現象的理解，實現實物實驗無法完成的內容，提高學生創新實踐能力。

作者：解盤石伍永平單位：西安科技大學能源學院西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室