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采矿工程中数值模拟的应用
作者：李强
来源：《科技信息·上旬刊》2017年第06期
摘要：围岩稳定性及其控制在采矿工程中至关重要，数值模拟的开放性和兼容性较强，可使存在于传统分析方法中的常见问题得到妥善解决，并得以广泛应用于采矿工程中。本文针对目前采矿工程中应注意的常见问题进行了较深入地分析，并对采矿工程中数值模拟的具体应用进行了初步探讨。
关键词：围岩稳定性；数值模拟；采矿工程
1. 前言
随着近年来计算机技术的不断发展，在采矿工程中数值模拟的应用日渐广泛。数值模拟方法较多，比较常用的主要有边界元法、有限元法、半解析元法、离散元法、有限差分法、加权余量法、流行元法、刚体元法、非连续变性分析法及无界元法等，其中应用最广泛的方法是有限元法。有限元法在航空航天领域得到最早应用，自20世纪60至70年代以来，分析有限元算法软件得以研发完成，但这些分析软件并非针对采矿工程开发的，所以，应用在采矿工程中存在的难度也较大。随之研发完成针对采矿工程领域的数值分析软件，这类软件都具有较强的自动建模能力，并具有较强的程序开放性。
2. 采矿工程中目前的常见问题
2.1 控制采场围岩的相关问题
控制采场围岩问题主要是控制岩块稳定状态、岩体结构破断问题、失稳结构后的形态变化情况等方面的问题。随着不断推进采场围岩工作面，其坚固性不断提高，进而从连续体向块体破断，重新排列后块体将形成自然结构，在覆岩自重的作用下自然结构运用及变化，直至产生失稳状况而导致地表产生一定程度的塌陷。采动应力主要是指采出后的矿体重新在围岩内形成压力场，岩体产生破裂、变形及运动就是因采动应力这一根源。但因原岩应力和应力场在开采后的测定难度较大，所以，无论是在现场还是理论方面对采动应力进行测定都呈现成熟度不够的问题。采动岩体受采动应力的影响容易产生变形甚至破裂等问题，块状围岩体破裂后将形成堆砌结构，若该结构达不到稳定性将引发岩体运动，进而形成新的块状堆砌结构。对于煤矿中的大部分采动覆岩而言，比较常见而一定存在的及时垮落情况，将严重影响工作面的安全。但垮落的覆岩使采场来压形成，进而引起岩层内部产生离层和缝隙，水体及气体发生一定程度的位移，直至产生地表塌陷，严重危害地面道路、环境、水体及建筑。所以，对覆岩的活动规律采矿工程人员应详细掌握，对岩层控制技术开展相关研究，进而使地表塌陷引发的相关问题得到妥善解决。
采矿工程数值模拟 分析报告 学院：资源与安全工程学院 班级：硕13-3班 姓名：孟浩 学号：TSZ130101026Q 中国矿业大学(北京) 2013年1月2日
1关键问题 1301工作面上、下平巷掘进过程中曾多次发生煤炮，工作面回采过程中，曾于2010年2月3日发生采场支架压死现象。根据煤层、顶板冲击倾向性鉴定结果和曾发生的动力现象，并考虑到1301工作面复杂的开采条件(深部、特厚煤层、高地压、强承压水、高温、厚表土层、构造发育等)，认为1301工作面回采过程中面临潜在的冲击地压等动力灾害威胁。 本项数值模拟分析报告是根据龙固煤矿主采煤层为3（3上、3下）煤层1301工作面实际工程条件，以煤层赋存条件、采矿工程条件和水文地质条件为基础，应用FLAC3D数值分析软件进行数值分析计算，模拟并分析开采高度分别为9.0m 时，不同推进距离（8m、24m、48、80m）条件下，工作面前方支承压力分布、顶板来压步距、覆岩冒落高度、塑形破坏范围等,对提前预知、预防和减少灾害发生提供理论和实验依据。 2工程背景 地层区划属华北地层区鲁西地层分区，区内多为第四系覆盖。矿井地质储量16.83亿吨，可采储量5.1亿吨，设计生产能力600万吨/年，设计服务年限82年。3煤层平均厚度为8.82m，可采指数为1，为较稳定煤层，煤层倾角0～6°，平均3°；其单向抗压强度为32.13 MPa，基本顶为厚度为12.42m的粉砂岩互层，其单向抗压强度为100.17 MPa，由于煤层厚度较大，采空区冒落高度相对较高，煤层顶板又较为坚硬，因此可能存在顶板大面积悬顶。随着工作面的继续推进顶板集聚足够的弹性能，突然断裂对工作面支架、煤壁造成冲击诱发采场、巷道冲击地压发生。因此，3煤层顶板是否形成大面积悬顶是工作面顶板明显动压发生的必要条件。 3.软件介绍 FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是由美国ITASAC公司于20世纪80年代提出并程序化，是岩土连续介质的二维和三维专业分析软件。二维计算程序V3.0以前的为DOS版本，V2.5版本仅仅能够使用计算机的基本内存（64K），所以，程序求解的最大结点数仅限于2000个以内。1995年，FLAC2D 已升级为V3.3的版本，其程序能够使用护展内存。因此，大大发护展了计算规模。FLAC3D是一个三维有限差分程序，目前已发展到V2.1版本。 FLAC3D的输入和一般的数值分析程序不同，它可以用交互的方式，从键盘输入各种命令，也可以写成命令（集）文件，类似于批处理，由文件来驱动。因此，采用FLAC程序进行计算，必须了解各种命令关键词的功能，然后，按照计算顺序，将命令按先后，依次排列，形成可以完成一定计算任务的命令文件。 FLAC3D是二维的有限差分程序FLAC2D的护展，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发变形和移动（大变形模式）。FLAC3D 采用的显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术能够非常准确发模拟材料的塑性破坏和流动。无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。FLAC3D采用ANSI C++语言编写的。
采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践 摘要：随着我国教育改革不断深化，我国关于采矿工程的教育紧跟改革的脚步，在虚拟仿真实验教学这一方面不断进取，取得了有目共睹的成绩。他们不断优化 升级自身资源的，建立了一支教学理念先进、科研水平一流、教学能力强大的高 质量、高素养的教学团队。同时，他们也推动着采矿工程虚拟仿真教学体系向模 块化、层次化、多元化发展。以往，学生的实验时间及教学内容都是由学校统一 安排，制定详细的计划，学生和老师按计划进行教学环节，实验仪器也是由实验 老师在实验课上统一发放，这样做给采矿工程的教学带来极大的限制，而采矿工 程虚拟仿真实验教学体系的建设，优化了教学资源的共享，使学生能够灵活选择 相关的教学实验活动，教学和实验不在局限于课堂，提高资源的利用率，同时也 提高了教学的针对性，从而加强锻炼学生的实践能力，培养学生的创新能力。 关键词：采矿工程；教学体系；虚拟仿真实验教学 随着社会的发展，我们对能源的需求越来越大，而煤矿行业在其中占了很大 一部分比重，随着许多问题的暴露，现在的煤矿行业在注重效益的同时，坚持科 学发展观，使得煤矿行业得以长期平稳的发展，而这一成果离不开大量的从事采 矿行业的优秀人才，为了保持采矿行业的活力，对于相关专业的大学生的培养尤 为重要。 一、简述采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设的必要性 目前，我国高校对采矿相关专业的教学环节与实践环节严重脱离，造成这现 象的主要原因有以下三点，第一，煤矿企业生产任务重，生产风险大，无暇与学 校合作；第二，对于学校来说，煤矿行业中进行生产的设备过于昂贵，教学成本 太高，学校无力承担；第三，煤矿行业的生产风险大，容易出现安全事故，在矿 地进行实验时，学生的人身安全无法得到有效保证。以上的种种原因使得采矿工 程专业的传统实验方式受到极大的限制，在这种情况下，采矿工程虚拟仿真实验 教学体系的建设可以解决高额的实验成本、危险的实验环境等问题，能有效促进 采矿相关专业的教学。 二、虚拟仿真实验教学平台的具体建设 采矿工程虚拟仿真教学实验平台由实验教学资源开放平台，数值模拟与仿真 实验平台和工程实训与安全培训平台构成，这种合理的模块化设置对推动整个平 台的综合效果具有重大意义。 2．1简述采矿工程实验教学资源开放平台 在采矿工程实验教学资源开发平台中，学生们可以在线观看“采矿概论”、“矿 山岩石力学”等专业相关的教学录像和其他教学资源，以多媒体的方式，便于学生学习。同时，该平台模拟仿真了矿井生产系统及装备、矿井开采方法及工艺、设 备工作原理及使用过程，灾害演变过程、矿压观测原理与测试技术。平台上丰富 的教学资源面向全体师生，可供同学们自由学习。在学生学习的同时，他们可以 手动配置、连接、调节和使用这些虚拟仿真设备，模拟真实的采矿环境，将知识 与实践相结合。该平台在校园网面向所有用户开放，学生可以自由灵活的利用平 台上丰富的资源自行开展相关学习及实验。除此之外，此虚拟仿真平台还具有相 关专业信息发布、实验数据收集整合、学生成果展示交流、成绩评定等功能。该 平台设有专人进行日常的管理及维护，确保该平台正常运行。 2．2采矿工程数值模拟与仿真实验平台 数据能向我们反映所需要信息，对于采矿工程专业，数值模拟与仿真是重要
采矿工程数值计算方法——FLAC建模技巧与工程应用 1 FLAC建模方法 1.1 建模 （1）设计计算模型的尺寸 （2）规划计算网格数目和分布 （3）安排工程对象（开挖、支护等） （4）给出材料的力学参数 （5）确定边界条件 （6）计算模拟 1.2 网格生成： Grid i,j 例如：grid 30,20 1.3 网格规划： Gen x1,y1 x2,y2 x3,y3 x4,y4 例如：Gen 0,0 0,10 10,20 20,0 1.4 分区规划网格。 例如：Gen xI1,yI1 xI2,yI2 xI3,yI3 xI4,yI4 i=1,10 j=1,21 （I区）Gen xII1,yII1 xII2,yII2 xII3,yII3 xII4,yII4 i=10,20 j=1,21 (II 区） 1.5 特殊形状的网格 （1）圆形 gen circle xc,yc rad （2）弧线 gen arc xc,yc xb,yb theta （3）直线 gen line x1,y1 x2,y2 （4）任意形状 tab 1 x1,y1, x2,y2, ,xn,yn, x1,y1 gen tab 1 1.6 赋给单元材料性质 mod e (弹性) prop d 1800e-6 bu 12.5 sh 5.77 i=1,20 j=1,10 prop d 2400e-6 bu 1250 sh 577 i=1,20 j=11,20 mod m （弹塑性Mohr-Coulumb准则） prop d 1800e-6 bu 12.5 sh 5.77 c 0 fri 20 ten 0.015 reg i,j 1.7 赋给模型边界条件 （1）固定边界（结点） Fix x i=1, j=1,21 Fix y i=1,21 j=1 （2）施加边界力 (结点) apply yf -10 i=1,21 j=21 或 apply syy -10 i=1,21 j=21 或 apply xf -5 i=21, j=1,21 或 apply sxx -5 i=21, j=1,21 （3）赋单元内应力（单元） ini sxx -10 i=1,20 j=1,20 ini syy -5 var 0 4 i=1,21 j=1,21 1.8 计算 Set grav 9.81 Set large Step 1000 Save test.sav 1.9 结果显示 Plot grid 显示网格 Plot bo 显示边界
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/929332408.html, 采矿工程中数值模拟的应用 作者：李强 来源：《科技信息·上旬刊》2017年第06期 摘要：围岩稳定性及其控制在采矿工程中至关重要，数值模拟的开放性和兼容性较强，可使存在于传统分析方法中的常见问题得到妥善解决，并得以广泛应用于采矿工程中。本文针对目前采矿工程中应注意的常见问题进行了较深入地分析，并对采矿工程中数值模拟的具体应用进行了初步探讨。 关键词：围岩稳定性；数值模拟；采矿工程 1. 前言 随着近年来计算机技术的不断发展，在采矿工程中数值模拟的应用日渐广泛。数值模拟方法较多，比较常用的主要有边界元法、有限元法、半解析元法、离散元法、有限差分法、加权余量法、流行元法、刚体元法、非连续变性分析法及无界元法等，其中应用最广泛的方法是有限元法。有限元法在航空航天领域得到最早应用，自20世纪60至70年代以来，分析有限元算法软件得以研发完成，但这些分析软件并非针对采矿工程开发的，所以，应用在采矿工程中存在的难度也较大。随之研发完成针对采矿工程领域的数值分析软件，这类软件都具有较强的自动建模能力，并具有较强的程序开放性。 2. 采矿工程中目前的常见问题 2.1 控制采场围岩的相关问题 控制采场围岩问题主要是控制岩块稳定状态、岩体结构破断问题、失稳结构后的形态变化情况等方面的问题。随着不断推进采场围岩工作面，其坚固性不断提高，进而从连续体向块体破断，重新排列后块体将形成自然结构，在覆岩自重的作用下自然结构运用及变化，直至产生失稳状况而导致地表产生一定程度的塌陷。采动应力主要是指采出后的矿体重新在围岩内形成压力场，岩体产生破裂、变形及运动就是因采动应力这一根源。但因原岩应力和应力场在开采后的测定难度较大，所以，无论是在现场还是理论方面对采动应力进行测定都呈现成熟度不够的问题。采动岩体受采动应力的影响容易产生变形甚至破裂等问题，块状围岩体破裂后将形成堆砌结构，若该结构达不到稳定性将引发岩体运动，进而形成新的块状堆砌结构。对于煤矿中的大部分采动覆岩而言，比较常见而一定存在的及时垮落情况，将严重影响工作面的安全。但垮落的覆岩使采场来压形成，进而引起岩层内部产生离层和缝隙，水体及气体发生一定程度的位移，直至产生地表塌陷，严重危害地面道路、环境、水体及建筑。所以，对覆岩的活动规律采矿工程人员应详细掌握，对岩层控制技术开展相关研究，进而使地表塌陷引发的相关问题得到妥善解决。
采矿工程的技术价值及教学实践论文2019-11-17 摘要:通过分析岩石力学数值模拟方法在采矿工程中的应用现状，从技术层面、经济价值层面以及教学实践，即人才培养层面三个层面对岩石力学数值模拟方法的具体选择与应用进行细致的讨论。由于采矿工程在造价和稳定性程度等方面区别于其他工程，因此选择一个对的方法是极其重要的，这种方法要求达到岩石力学中数值计算的精准度下限，同时又因为数值模拟方法本身存在着误差，因此选择一个在上限与下限之间的方法是我们的目标。数值模拟的精准度与技术投入、经济投入和人才投入都有一定的关系，因此我们从这三方面来具体探讨岩石力学方法的选择与应用。 关键词:岩石力学;数值模拟方法;采矿工程 由于技术的进步，数值模拟方法得到广泛运用，成为采矿工程得以进行的必要工具和手段，岩石力学模拟数值方法就是采矿应用中非常重要的一种方法。本文从岩石力学模拟方法在采矿工程中的应用现状入手，结合采矿工程的特点，从技术、经济价值与教学实践中的人才培养具体探讨岩石力学模拟数值的优缺点，为采矿工程中对方发的选取提供相关的参考。 1数值模拟方法在采矿工程中的应用现状 数值模拟方法不仅能够分析施工过程中各种因素对工程稳定性的影响，还能够通过具体数值的带入模拟出复杂的结构和力学原理。常用的数值模拟方法有刚体元法、离散元法、流行元法、无界元法、边界元法和有限元法等等很多方法，通过这些数值模拟方法的分析来指导具体的工程进展已经是必不可少的了［1］。现阶段岩石力学在采矿工程中的应用主要包括四个方面:煤层底板突水、地应力问题、巷道和建筑物维护以及岩层的控制与移动［2］。 2采矿工程的特点 采矿工程是不断寻找新的平衡点的工程，主要操作原理就是打破原有的平衡，建立新的平衡。不同于建筑桥梁的设计要求长期稳定，采矿只追求短期稳定，工程在采矿完毕之后可以破坏，而且不同于一般工程追求社会效益，采矿工程主要是追求价值，是在安全性的基础上追求企业经济效益的最大化，这些特点要求采矿工程一定要在安全性的基础上降低成本。 3数值模拟方法的简单介绍 采矿工程中运用数值模拟方法主要解决的是岩层的短期稳定性评估、采矿方法的选择与优化以及地质灾害的防范和治理等问题，数值模拟的收稿日 期:2017－04－25作者简介:孙若飞(1994－)，男，山东烟台市人，西安科技大学本科在读。具体应用步骤一般是先进行矿山地质调查，同时进行物理力学试
数值模拟中采矿工程课程教学的应用-采矿工程论文-工程论文 ——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印—— 摘要:本文从采矿工程教学培养目标出发，为更好地培养具有良好素质与创新能力，能够从事采矿工程专业设计、生产、科研和经营管理，并能获得工程师基本训练的应用型人才。针对采矿工程专业课程教学过程中存在较多不足之处，通过分析数值模拟技术的优点，研究了在采矿工程专业课程教学中应用数值模拟的可行性、具体应用内容和重要意义。 关键词:采矿工程;数值模拟;专业课程;教学改革 采矿工程专业的培养目标是能够培养出具有较高素质与创新能力，具备从事采矿工程专业矿井设计、生产经营和科学研究等综合素质较高，并能取得工程师基本训练的应用型人才。
1采矿工程专业课程教学现状 采矿工程专业课程教学的现状不容乐观，大多数设有采矿专业的高等院校又由于诸多原因，例如学生的人数较多、专业课时的不足以及实验室条件较差等，使得许多院校的采矿专业课程教学中存在许多问题，主要集中在针对实验的教学课时太少，教学过程中设计的实验类型大多为相对单一的演示型实验、教学时间安排严重不足导致的教学和实验效果都很难达到较好的教学目的等问题。 2应用研究的可行性分析 采矿工程专业设置的许多专业课程的是属于力学体系的范围的。因此，在采矿工程专业课程体系中，具备应用数值模拟教学的理论基
础和客观要求。数值模拟技术应用在采矿工程专业课程教学中，主要是应用这种商业通用软件对采矿工程专业课程教学课程各章节中重点知识、难点知识和实验部分内容进行数值模拟和仿真分析，教师把数值模拟的过程和所得到的结果可以在课堂教学过程中演示给学生，或者是将部分内容交给学生，以教师为辅学生为主用软件去模拟相关内容。本科期间采矿工程专业课程的设置难度不是以科研为目的的，更多的是希望学生能够掌握所学专业或相关专业的基础知识，为将来打下坚实的理论基础，这就为我们在专业课教学过程中使用数值模拟提供了一定的可能性。所以，教师可以在精度要求不是很高的前提下应用数值模拟，来讲解课程中的教学重点和教学难点，能够反应基本的规律和发展趋势即可。采矿工程开设的课程如:《采矿学》、《井巷工程》、《矿山岩体力学》和《露天矿边坡稳定》等课程，其中的许多内容都可以应用数值模拟技术进行模拟，从而让学生能够更直观的认识和学习，这比以往教师只是在课堂上以语言讲解相关内容更容易让学生掌握。 3应用研究的内容和方法
目录 第一章绪论 (1) 第一节数值模拟发展及其现状 (1) 第二节岩土及采矿工程问题特点及数值模拟方法 (8) 第二章 ITASCA软件特点及数值模拟方法 (18) 第一节I TASCA软件及其特点 (18) 第二节I TASCA软件数值计算方法 (29) 第三节岩上和采矿工程问题的数值模拟步骤 (35) 第三章模型边界的合理确定 (39) 第一节开采引起的覆岩移动变形规律 (40) 第二节单个巷道的影响范围 (49) 第三节采动影响下模型边界位置的合理确定方法 (51) 第四节模型边界位置对模拟结果的影响分析 (58) 第四章模型边界条件及初始应力场的合理确定 (68) 第一节模型边界条件的类型及其选择 (68) 第二节采动影响的模型边界条件 (71) 第三节模型边界条件对模拟结果的影响分析 (72) 第四节初始地应力场的确定 (76) 第五章岩体力学特性及其参数确定 (87) 第一节岩体的力学特性 (87) 第二节岩石与岩体力学参数的关系 (91) 第三节岩石(体)力学参数的合理确定 (92) 第六章软岩硐室围岩作用关系分析 (106)
第一节工程概况 (106) 第二节硐室围岩间接触关系反分析 (107) 第三节支护与围岩的相互作用关系分析 (110) 第四节软岩巷道中锚杆支护失效的机理 (117) 第五节锚注加固机理分析 (120) 第七章近距离厚煤层跨采对底板巷道围岩稳定性影响分析 (125) 第一节工程背景 (125) 第二节分析模型 (128) 第三节近距离跨采围岩应力演化及特点 (129) 第四节跨采巷道围岩位移规律及特点 (130) 第五节底板巷道围岩控制技术 (136) 第八章综放沿空留巷围岩稳定性影响分析 (144) 第一节工程背景及技术关键 (144) 第二节分析模型 (146) 第三节综放沿空留巷围岩活动规律 (148) 第四节综放沿空留巷围岩稳定性影响分析 (150) 第五节综放沿空留巷围岩控制技术分析 (154) 第九章锚杆支护参数对巷道围岩稳定性影响分析 (160) 第一节工程地质条件 (160) 第二节数值力学分析模型 (161) 第三节锚网支护参数影响规律分析 (163) 第四节相邻巷道掘进对巷道围岩稳定性的影响 (174) 第十章不规则煤柱下工作面开采的三维数值模拟 (176) 第一节工程概况 (176) 第二节建立分析模型 (178) 第三节开采对围岩应力变化的影响分析 (181)
基于FDS的高校宿舍火灾数值模拟研究 摘要：建立了一个简化的高校宿舍空间模型，采用美国国家标准和美国技术研究院( NIST)开发的FDS软件，建立火灾模型，对宿舍火灾进行全尺寸模拟，通过模拟实验给出了火灾发生过程中烟气运动、温度变化和氧气浓度变化的规律，最后提出了灭火方案，并进行模拟和验证，为高校制定消防安全对策提供了有力的依据。 关键词:高校宿舍；FDS模拟；灭火方案；消防安全对策 Abstract:A simplify university dormitory space model be established,the FDS software developed by U.S.National Institute of Standards and Technology Research Institute(NIST) is used to build a model house in college and simulate the model dormitory fire in full-size .The law of smoke movement and the changed of vertical temperature and oxygen concentration in the course of fire is given through experiments.Finally extinguish scheme was proposed,performing simulation and verification so as to provides a strong basis for the college develop fire safety measures. Key words:university dormitory; fds simulation;extinguish scheme;fire safety measures 0 引言 近年来，随着我国高校规模的扩大，一方面满足了社会对人才的需求，但同时也产生了很多问题，其中宿舍火灾事故屡有发生，已引起人们的极大关注。高等院校宿舍人口密度大，火灾荷载较多，再加上一些学生安全意识淡薄，给学生的生命和财产安全带来了极大威胁。因此，针对高校宿舍火灾预防的研究不断的受到重视。目前，对高校宿舍火灾从研究内容上包括高校学生宿舍火灾载荷的调查、宿舍火灾危险性分析、火灾发展情况的数值模拟以及宿舍火灾评价体系构建的各个方面。然而，高校火灾的风险性仍然很大，且造成的损失和影响严重。进一步对高校宿舍火灾的研究，仍然具有重要的实际意义。 目前，国内对高校宿舍火灾的实验研究比较少，因为火灾实体实验不但耗资巨大，并且由于条件有限，只能针对性地进行，缺乏全面性。因此采用计算机模拟
数值模拟在采矿工程中的应用王瑞 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。由于开采中的围岩具有很多的不确定因素,采用一些传统的分析方法解决些问题的 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；应用 一、数值模拟方法原理 很多数值分析软件采用的数值方法都是运用弹性理论对岩体非线性变形与破 坏问题进行解决，运用宏观非线性与微观线弹性的划分原则对岩体的特殊质地材 料进行分析，岩体单元微观上相对较均质，弹性变形特征强；而且因存在节理裂隙，使微元间接触具有非连续性特征；岩体宏观上是脆性极强的一种材料，通常 受力较小时就容易发生破坏与断裂。多数软件都是基于该特性，构建完成弹性损 伤力学数学模型实现数值模拟功能。 二、采矿工程中存在的主要问题 采矿工程中岩土工程问题尤为突出，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，深部开采的地温和地压都需要进一步的研究。采 矿工程问题中，必须研究材料和结构破坏后的力学行为，其存在的主要问题可分 为两大类： 2.1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。如采场坚硬基本顶随着工作面的推进，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。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 形破裂运动之源。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。 2.2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，支承压力对道围岩稳定性的影响， 并根据巷道周岩石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）γH（其中γ为岩体的体积力；H为采数值模拟方法在采矿工程中的应用在采矿工程中，数值模拟方法不仅能模拟岩体复杂 的力学和结构特征，还能很方便地解决现场监测需要大量人力、物力而无法完成的、现有力学理论不能求解的复杂形体问题，并对矿山岩体稳定性进行预测与预报。 三、采矿工程数值模拟重点 3.1采矿工程问题的特点 与岩土工程相比，采矿工程中，工作面上覆岩层损伤，破坏，失稳是不可避
采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践 发表时间：2018-04-13T16:30:53.213Z 来源：《电力设备》2017年第31期作者：田茂标[导读] 摘要：随着我国教育改革不断深化，我国关于采矿工程的教育紧跟改革的脚步，在虚拟仿真实验教学这一方面不断进取，取得了有目共睹的成绩。（六盘水师范学院 553000）摘要：随着我国教育改革不断深化，我国关于采矿工程的教育紧跟改革的脚步，在虚拟仿真实验教学这一方面不断进取，取得了有目共睹的成绩。他们不断优化升级自身资源的，建立了一支教学理念先进、科研水平一流、教学能力强大的高质量、高素养的教学团队。同时，他们也推动着采矿工程虚拟仿真教学体系向模块化、层次化、多元化发展。以往，学生的实验时间及教学内容都是由学校统一安排， 制定详细的计划，学生和老师按计划进行教学环节，实验仪器也是由实验老师在实验课上统一发放，这样做给采矿工程的教学带来极大的限制，而采矿工程虚拟仿真实验教学体系的建设，优化了教学资源的共享，使学生能够灵活选择相关的教学实验活动，教学和实验不在局限于课堂，提高资源的利用率，同时也提高了教学的针对性，从而加强锻炼学生的实践能力，培养学生的创新能力。关键词：采矿工程；教学体系；虚拟仿真实验教学随着社会的发展，我们对能源的需求越来越大，而煤矿行业在其中占了很大一部分比重，随着许多问题的暴露，现在的煤矿行业在注重效益的同时，坚持科学发展观，使得煤矿行业得以长期平稳的发展，而这一成果离不开大量的从事采矿行业的优秀人才，为了保持采矿行业的活力，对于相关专业的大学生的培养尤为重要。 一、简述采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设的必要性目前，我国高校对采矿相关专业的教学环节与实践环节严重脱离，造成这现象的主要原因有以下三点，第一，煤矿企业生产任务重，生产风险大，无暇与学校合作；第二，对于学校来说，煤矿行业中进行生产的设备过于昂贵，教学成本太高，学校无力承担；第三，煤矿行业的生产风险大，容易出现安全事故，在矿地进行实验时，学生的人身安全无法得到有效保证。以上的种种原因使得采矿工程专业的传统实验方式受到极大的限制，在这种情况下，采矿工程虚拟仿真实验教学体系的建设可以解决高额的实验成本、危险的实验环境等问题，能有效促进采矿相关专业的教学。 二、虚拟仿真实验教学平台的具体建设采矿工程虚拟仿真教学实验平台由实验教学资源开放平台，数值模拟与仿真实验平台和工程实训与安全培训平台构成，这种合理的模块化设置对推动整个平台的综合效果具有重大意义。 2．1简述采矿工程实验教学资源开放平台在采矿工程实验教学资源开发平台中，学生们可以在线观看“采矿概论”、“矿山岩石力学”等专业相关的教学录像和其他教学资源，以多媒体的方式，便于学生学习。同时，该平台模拟仿真了矿井生产系统及装备、矿井开采方法及工艺、设备工作原理及使用过程，灾害演变过程、矿压观测原理与测试技术。平台上丰富的教学资源面向全体师生，可供同学们自由学习。在学生学习的同时，他们可以手动配置、连接、调节和使用这些虚拟仿真设备，模拟真实的采矿环境，将知识与实践相结合。该平台在校园网面向所有用户开放，学生可以自由灵活的利用平台上丰富的资源自行开展相关学习及实验。除此之外，此虚拟仿真平台还具有相关专业信息发布、实验数据收集整合、学生成果展示交流、成绩评定等功能。该平台设有专人进行日常的管理及维护，确保该平台正常运行。 2．2采矿工程数值模拟与仿真实验平台数据能向我们反映所需要信息，对于采矿工程专业，数值模拟与仿真是重要的研究方法之一。在采矿工程数值模拟与仿真实验平台上，学生通过对相关数据进行收集与计算，再配合相关的图像，便可以仿真模拟实际工程问题，可以在计算机上对该问题进行逻辑推演，达到研究解决问题的目的。采矿工程数值模拟与仿真实验平台拥有ITASCA系列FLAC、UDEC、PFC2D、FLUENT及ABQUES等多种用于数值模拟及仿真过程的计算机软件。通过这些仿真软件，学生可以自行开展对由于开采引起的岩层运动及矿压显现与控制、巷道支护设计采煤工作面支架选型设计等问题进行数值模拟与仿真研究，对相关专业的学生的研究与学习具有积极作用。同时，该平台同样设有专人进行日常的管理及维护，以保证教学实验环节的照常进行。， 2．3采矿工程实训与安全培训平台众所周知，煤矿行业工作环境艰苦切复杂，不稳定因素极多，对学生的人身安全有巨大的威胁，为了顾全学生的人身安全和培养学生的动手能力，采矿工程仿真实验教学中心利用先进的仿真模拟技术建立相应的虚拟仿真实验室。该实验室中采用先进的交互设计，学生可以进行人机对话以测量矿压，同时，实验室还有对煤矿行业实际生产操作时的生产设备进行仿真，便于培训学生对设备的使用，且成本较低。该平台主要用于模拟矿压实测环节，它是在物理模型的基础上，利用虚拟现实技术模拟物理模型的运动轨迹，通过安装在物理模型上的实测仪器对矿山压力等物理量进行测量，再将数据反馈给用户。该平台在保证同学们的安全前提下，对学生学习生产设备操作、体验采矿流程具有积极作用。 三、采矿工程虚拟仿真实验教学中心的开放共享为了适应不断深化的教育体制改革以及信息技术的快速发展，我们建立了采矿工程虚拟仿真实验教学中心，中心努力促进实验教学资源在全国煤炭等矿业院校的开放共享。目前，该中心成绩显著，建成的《采矿学》被评为国家精品资源共享课程，实现了自主编写研发的多部实验教材及实验讲义以及虚拟仿真实验教学平台及虚拟仿真实验项目的共享。5年来，中心积极推动国内外有关煤炭行业的学术交流，为行业培养了大批的专业基础扎实，工程素养高，并且在实践及创新能力较强的全面性高级技术人才。 四、采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设的意义第一，采矿工程虚拟仿真中心的建立，为学生提供了一个安全且切合实际的学习研究环境，弥补了矿产相关专业传统教学方式的不足。中心通过对虚拟仿真教学资源的完善和整合，为学生提供了一个提高自我素质、培养创新能力的平台，通过先进的虚拟现实技术激发学生的学习兴趣，推动自主学习的能力的培养。第二，全国具有12所原煤炭部所属的高等院校及其它非煤院校也在招收采矿工程专业学生，采矿工程虚拟仿真实验教学平台为其实现资源共享，并在与其他高校相关专业师生的交流过程中起着积极的推动作用。 五、结语