采矿测试与模拟技术

中国矿业大学工程硕士专业课（课外考核）作业封面学号姓名贺军工程领域课程名称采矿测试与模拟技术任课教师郑西贵任课教师规定截止交作业时间：2015年10月8日工程硕士研究生交作业时间：年月日研究生院培养管理办公室印制成绩评阅人注意事项如果老师以课外作业形式考核，如写读书报告或小论文，必须严格按照老师规定的时间上交作业，以便老师评定成绩。作业前面必须订上此封面。由于工程硕士无论什么原因不按规定时间上交作业，晚交作业不予评阅，作业作废，请随下一年级重修。采矿测试与模拟技术近年来，计算机技术迅猛发展，使得测试与模拟技术在采矿工程问题分析中的到了广泛应用，极大的促进了采矿工程学科的发展。采矿工程中岩土工程问题较为突出，如煤矿冲击地压、瓦斯突出、采场顶板垮落、覆岩移动及控制、采动引起的高应力软岩巷道围岩控制、深部开采的地温地压、煤炭地下气化、煤柱的长期稳定性等一系列问题，都需要进行进一步地深入研究。与一般岩土工程问题相比．采矿工程中，工作面上覆岩层的损伤、断裂和失稳往往是不可避免的，不像一般岩土工程那样，一定要防止这类现象的发生。目前的固体力学还只能对较为理想的弹性、塑性和损伤体进行可靠的变形与受力分析，而在采场覆岩的变形、运动与受力分析中，更多的是材料或结构破坏后的力学行为，以及结构破坏和失稳的全过程，而且工作面周围不同区域的岩体，其力学性能变化的差别很大，采动岩体是一种连续与非连续相福合的复杂介质。对一般的岩土工程问题，材料和结构破坏意味看报废，因而无任何研究价值；而采矿工程问题中，必须研究材料和结构破坏后的力学行为。采矿工程当中的问题基本上可以划分为两大类。(1)第一类：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化。例如，采场坚硬基本顶随着工作面推进，不断地由连续体破断成块体，块体重新排列后的自然结构再受覆岩自重的作用，不断变化、运动和失稳，直到引起地表沉陷。(2)第二类：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，开采对工作而周围巷道图岩稳定性的影响，以及采动影响下巷道围岩控制机理及控制技术。现代计算机技术及相应数值计算理论和方法的高速发展，为研究采动覆岩活动规律及岩层控制技术提供了重要的研究手段。采矿工程问题除具有一般岩土工程问题的特点外，还具有以下一些主要特点:（1)80%以上煤矿巷道或硐室受到工作面开采的动压影响。这些巷道不光受到自身掘进的影响，还受到工作面开采的强烈影响，许多巷道或确室在受到采动影响前变形并不大，受到工作面开采影响后强烈变形。（2)煤矿巷道或确室与开采工作面的空间位置关系复杂。由于巷道或硐室与开采工作面之间是空间关系，特别是在分析工作面开采对周围巷道或硐室的影响时。所研究的问题本身是一个空间关系很强的三维问题。在建立数值力学分析模型时，有时为了分析问题的方便常把问题简化为平面应变问题，这样处理与目前三维数值模拟费时费力、代价较大有关，但这样处理有时会带来很大的误差，甚至在定性上产生严重错误。（3)由于巷道或嗣室与工作面的空间位置关系不同，不同位置的巷道或硐室受到采动影响的程度差别很大。（4)工作面开采将引起很大范围内的岩层产生破裂、垮落、移动和变形。这个范围比工作面开采本身的范围大得多。这就要求在建立数值力学分析模型时，合理确定模型的范围，以便合理地确定模型边界条件。（5)由于受到工作面开采影响的程度不同，开采工作面周围岩体受到的损伤程度不同，其力学性能变化的差别较大。受到工作面开采影响后，有的区域岩体要产生新的破裂甚至垮落，而有些区域岩体仅产生一定程度的移动和变形。（6)与其他岩土工程相比，工作面周围巷道围岩压力大，围岩比较破碎，围岩中网状裂隙面的间距在1~3}m以下。我国大多数软岩矿区，如郑州矿区、淮北矿区等，其开采的软弱煤层松散后多呈粉末状。(7)受采动应力场强烈影响的巷道围岩产生极不均匀的变形，这种变形与工作面开采引起的整体位移场和采动应力场的分布关系极为密切。随着煤矿深部开采和采矿新技术的出现，采矿工程问题的测试与数值模拟将得到进一步发展和应用。这主要集中在以下九个方面:（1)对采矿工程数值模拟方法的各个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上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、模型的边界条件等需要进行专门的研究。(2)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。煤矿绿色开采技术主要包括以下内容: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。这些技术的许多方面属前沿性的研究课题，在缺乏实验设备和现场试验监测结果的情况下，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，许多方面都涉及到材料力学特性的研究，如充填材料的力学特性。(3)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很大的危害。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。(4)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。要深人研究这个问题，首先要研究煤层及其围岩在煤炭地下气化过程中的力学特性。(5)固体与液体的量合作用浅部地下岩层存在大量含水层，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、注浆堵水等，这些问题都涉及到固体与液体的辆合问题，有些还存在两种以上的流体或固体、液体和气体的多种辆合作用。这些问题的研究同样需要采用数值模拟方法进行分析。煤矿绿色开采中的“保水开采”技术还涉及到采动岩体的渗流问题。这些都需要在研究岩体或采动岩体的渗流特性基础上进行数值模拟分析。(6)固体与气体的量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他方法进行进一步研究。(7)探部开采软岩巷道围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，需要进一步研究探部开采条件下的巷道围岩控制机理及控制技术。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围岩移动变形特征，并采取相应的围岩控制技术措施。(8)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这一问题。此外在地铁隧道、水利等各个领域也都存在这样的问题，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，如煤矿中各种煤柱的长期稳定性问题。最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，无论是采用条带开采、房柱式开采还是采用充填开采，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这些问题进行深人研究。(9)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问题，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。随着数字测试与模拟技术的逐渐发展，采矿工程问题的研究手段越来越多，但是由于大多数的采矿工程问题处于地下，存在着很多不确定因素。还有很多采矿问题需要通过数值模拟的手段进行深入的研究。只有充分了解采矿工程的特殊性，才能更好的应用测试与模拟软件，真正做到数值模拟与现场监控相结合。