仿真技术在采矿工程教课中的作用范文

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1多元数值仿真技术

多元数值仿真技术是指针对所研究问题，充分发挥不同数值计算方法（有限差分法、有限元法、离散单元方法等）的特点，运用2种或2种以上数值计算方法对问题进行全面研究，主要表现在：（1）注重利用各个数值计算方法去解决可发挥其优势的工程问题；（2）在解决复杂工程问题过程中，注重发挥各个数值计算方法特点，解决该工程中的一部分问题，最终综合各个仿真研究结果，实现对工程问题的全面研究；（3）注重计算过程中各个数值仿真结果之间或与现场工程实际相互验证，相互校正，相互补充，达到对工程实际的模拟追踪，实现数值仿真精细化；（4）注重对工程问题的各种现象的可视化仿真再现或是对未知问题的可视化仿真探索研究。

多元数值仿真技术体系（见图1）主要包括基于有限差分原理（FLAC）、有限单元原理（RFPA）、离散元原理（UDEC）和颗粒元原理（PFC）的数值计算技术，不同数值计算方法针对不同的岩土工程问题。岩体非线性连续大变形问题主要利用有限差分法来研究，并辅以有限单元和离散元数值计算方法；岩体非线性破坏运动问题主要利用有限单元法来研究，并辅以其他2种数值计算方法；固体、气体等流动问题主要利用离散元法来研究，并辅以其他2种数值计算方法等。

2多元数值仿真技术在采矿工程实验教学中的应用

2.1基本岩石力学仿真实验

利用多元数值仿真技术可实现岩石力学基本实验中基本现象的计算机仿真再现（包括拉伸破坏、压缩破坏、剪力破坏、多点弯曲等），让学生看到力学实验中无法看到的实验现象，加深理解试件加载过程中应力布与演化过程以及试件的破坏机制。图2是岩石单轴压缩过程仿真结果。

2.2井巷工程仿真

巷道稳定性问题一直是煤矿开采过程中的一大难题，由于巷道形状、支护形式、所处地质环境等多种因素交叉影响，导致了巷道变形、破坏的诱因复杂。结合现场实测和理论分析手段，利用数值仿真技术再现巷道变形破坏规律和找出变形破坏主因，并可以模拟不同的支护方式对巷道进行不同方案支护效果分析，使学生在实验室就可以了解巷道失稳的规律，并利用已学知识对巷道变形破坏问题进行处理，达到了对原有知识的巩固，加深了对井下巷道的主要变形和冒顶、底臌、片帮等破坏形式的认识。

多元数值仿真技术解决巷道问题的主要思路：注重利用各个数值计算方法去解决可以发挥其优势的工程问题，对于巷道支护元素失效而导致巷道破坏问题，利用非线性大变形程序FLAC对不同围岩条件下巷道变形过程进行模拟，研究其支护元素（锚杆、钢梁等）的支护力学特性并进行对比，选择合理支护方案；对于巷道顶板冒落和片帮问题，应以离散元方法和岩石破裂过程分析RFPA为主，研究围岩的破裂运移规律等。图3显示巷道顶板冒落仿真结果。

2.3采场仿真

采场是采矿工程的主要作业空间，其岩体空间力学特征更为复杂，并伴有各中动力现象，支护体与围岩相互作用保障支护空间的稳定性，同时，伴有采场后方上覆岩层周期性的垮落。运用多元数值仿真技术对采场问题进行研究，应注重发挥各个数值计算方法特点，针对采场支护稳定性问题、围岩垮落问题、动力现象等，最终综合各个仿真结果，从而实现对采场稳定性全面研究。对于较复杂的采场问题，如大倾角煤层开采等，应注重各个数值仿真结果的相互验证，相互校正，相互补充，从而得到更接近实际采场的应力分布和岩层变形、移动特征，达到数值仿真精细化、可视化，让学生深入了解采矿活动造成的围岩运移规律，加深对采场瓦斯、透水等灾害形成机理的认识。图4是采场岩层破坏仿真结果。

3结束语

利用计算机仿真技术进行辅助教学是对传统采矿工程教学改革的一种尝试，多元数值仿真技术不仅具有通用性强、方便灵活、可重复等特点，而且可以得到许多在常规实验中难以观测的重要信息，可从多种仿真角度加深学生对物理现象的理解，实现实物实验无法完成的内容，提高学生创新实践能力。

作者：解盘石伍永平单位：西安科技大学能源学院西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室