数值模拟中采矿工程课程教学的应用

・４・　科技论坛　数值模拟在采矿工程中的应用　于波　（七台河七煤集团公司胜利煤矿，黑龙江七台河１５４６００）　摘要：目前的采矿工程并不单纯是开采问题，需要注意围岩稳定性以控制岩层。因围岩在开采过程中的不确定因素众多，采用传统　分析方法解决存在较大的弊端。因此用于解决采矿工程问题的一种数值分析软件得到迅速发展，并具有良好的开放性和兼容性。结合采　矿工程实际，分析了数值模拟在解决此类问题中的应用。　关键词：采矿工程；数值模拟；岩层控制　１概述　随着近年来计算机技术的快速发展，诸如有限差分法、非连续　变形分析法、边界元法、离散元法等数值计算方法在采矿及岩土工　程问题分析中的应用日益广泛，在这些数值方法中特别是有限元法　应用的最为广泛，该方法最早在航空航天领域应用，用于对线形结　构问题的求解。　国际上很多机构在二十世纪六七十年代开始有限元算法分析　软件的研发，尤其以ＡＮＳＹＳ、ＡＤＩＮＡ等分析软件最为著名。但因这　些软件不是针对岩土及采矿工程研发，在对软岩巷道大变形及顶板　垮落等实际问题的分析计算时具有很大难度，这就催生了ＵＤＥＣ、　ＦＬＡＣ等针对岩土及采矿工程数值分析的软件，这些软件能够与　ＣＡＤ软件实现无缝集成，自动建模能力可靠性强，能够实现非线性　问题和耦合场的求解，程序具有良好的开放性。　２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。　３采矿工程中数值模拟的应用　３．１数值模拟步骤。采矿工程中的数值模拟通常分为确定模型、　创建系统概念图、构建理想化模型、收集问题数据、准备模型运行、　模型计算、提出结果七个步骤解决采矿工程中的岩土工程问题。　３．２存在的主要问题。诸如瓦斯突出、煤矿冲击地压、顶板垮落、　高应力软岩巷道围岩控制等岩土工程问题作为采矿工程中的突出　问题，需要进行较深入地研究。而采矿工作面上覆岩层难免出现断　裂、损伤及失稳现象，要尽可能杜绝该类情况发生。固体力学目前　只能对理想弹性、塑性和损伤体实现可靠变形与受力分析，但在采　场中更多的是结构或材料破坏后的力学行为及结构破坏和失稳的　全过程，不同区域的岩体在工作面周围具有较大的力学性能变化差　异。采动岩体作为连续与非连续耦合的一种复杂介质，通常材料和　结构破坏的岩土工程问题没有任何研究价值，在采矿工程问题中，　要对材料和结构破坏后的力学行为进行研究，主要存在两大类问　题。一是控制采场围岩问题，也就是岩体结构破断原因、破断后状态　及结构失稳后的形态变化。二是控制巷道围岩问题，也就是覆岩在　开采后移动变形及破坏对围岩应力场造成的变化规律；工作面周围　巷道围岩稳定性受开采的影响及巷道围岩在采动影响下的控制技　术。　３．３采矿工程中数值模拟的应用　３．３．１数值模拟方法研究。采矿工程数值模拟方法要符合其发　展规律及采矿工程具有的特征，真实客观反映采矿工程问题特点，　软件功能上要着重于反映采矿工程实际问题特点。在实际生产中，　覆岩受开采发生移动变形具有一定的规律和特殊性，这就要结合生　产实践中的问题特点，采用数值力学对采矿工程的数值计算方法、　模型合理范围边界条件等方面进行分析并开展专门研究工作。　３．３．２新型开采工艺研究。随着环保意识及经济可持续发展理　念的不断增强，主要涉及水资源保护技术，土地与建筑物保护开采　作者简介：于波，男，现在七台河七煤集团公司胜利煤矿任职。　技术，瓦斯抽放技术，煤层巷道支护及矸石排放减少技术，地下气化　技术等内容的煤矿绿色开采技术应运而生，这些技术的研究课题较　为前沿，如试验设备与现场监测不足情况下，就要结合数值模拟方　法开展相关理论的前瞻Ｉ生研究。如煤矿新型开采工艺不仅研究覆岩　由于受到开采作用影响而发生的移动变形规律及控制岩层技术，　还要开展如充填材料特性等有关的材料力学特性研究。　３．３＿３动力灾害及控制技术研究。地震波及各种动力源会严重危　害岩土工程，如煤矿井下经常发生的瓦斯突出和冲击地压，要通过　数值模拟方法分析影响工程岩体稳定性的机理，针对上述动力危害　制定消除或减轻的技术措施。　３．３．４热力学分析。随着煤炭洁净利用的发展，在煤炭气化过程　中基于煤层及围岩的力学特性开展相关研究，采用数值力学分析煤　炭地下气化、围岩活动规律及控制岩层问题的热力学规律。　３．３．５固液体耦合作用。大量含水层存在于地下浅部岩层，煤矿　井下开采会造成含水层大量失水等情况。这都涉及到流体或固体、　液体与气体之间的多种耦合作用，这类问题也要采用数值模拟方法　进行研究分析。　３．３．６固气体耦合作用。瓦斯突出作为一种动力现象在煤矿中较　为常见，由于煤层中瓦斯的吸附性很高，因此固体与气体之间的耦　合作用要结合其它方法进行数值模拟以开展相关研究工作。　３．３．７深部开采软岩巷道围岩控制技术。高应力软岩巷道的支护　问题会随采深增加而更加突出，在开采条件下针对深部巷道围岩开　展相关控制机理及技术研究工作。通常巷道围岩受采动影响，易出　现不均匀变形，要采用数值模拟方法对巷道围岩受采动影响而发生　的移动变形特征进行研究，以针对围岩制定科学合理的控制技术措　施。　３．３．８工程岩体稳定性受岩体蠕变特性的影响。蠕变特性作为岩　体强度随时间变化的固有特性，尤其对于软岩更为明显。国内软岩　矿井广泛分布，很多矿区、水利、地铁隧道等都存在类似问题。研究　分析岩体蠕变特性对于岩土工程的长期稳定性具有重要保障作用，　近年来众多矿井在采煤过程中都出现较为突出的问题，开采方式不　管是房柱式、条带式或是充填式，都具有煤柱或充填体的稳定性问　题，需要利用数值模拟方法开展较为深入地研究工作。　结束语　岩土工程问题作为采矿工程中一类重要问题，主要体现在大部　分采矿领域中的围岩稳定性问题都与开采引起的影响具有一定关　系，重新分布的围岩应力所产生的高应力作用及大范围围岩的移动　与严重破裂都会造成研究问题的复杂。数值模拟软件随着功能的完　善，使研究采矿工程问题的手段等更加多样。但因采矿工程的实际　情况，很多问题都位于地下，增加了不确定因素，因此需要借助数值　模拟手段更加深入的研究这些采矿工程问题。　参考文献　『１］蔡关峰．岩石力学与工程『Ｍ１．北京：科学出版社，２０１０．　『２１谢文兵，陈晓祥，郑陌生．采矿工程问题数值模拟研究与分析【Ｍ】．　徐州：中国矿业大学出版社，２００８．　『３］刘长武，翟才旺．地层空间应力场的开采扰动与模拟［Ｍ］．郑州：黄　河水利出版社．２００８．　［４】赵德深，陈雄，覃丽坤等．采动覆岩离层的数值模拟研究［Ｊ］．岩石力　学与工程学报，２０１０，４．

２０１０年２月　第２６卷第２期　江苏教育学院学报（自然科学）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）　Ｆｅｂ．．２０１０　Ｖｏ１．２６　Ｎｏ．２　

数值模拟技术在材料力学课程教学中的应用　

李一帆　杨民献　

（河南科技大学建筑工程学院工程力学系，河南洛阳４７１　００３）　

［摘要］　本文在分析材料力学课程教学现状的基础上，提出了将数值模拟方法引入到材料力学教学中来，将　材料力学的教学与数值模拟技术紧密结合在一起，使材料力学教学中难以讲解清楚的现象直观地展现在学生面前，同　时提高了学生力学分析的基本技能和计算机操作与软件应用的能力．　［关键词］　数值模拟；　材料力学；　实验教学　［中图分类号］０３ｌ６　［文献标识码］　Ａ　［文章编号］　１６７１—１６９６（２０１０）０２—００３３—０３　

一、材料力学课程教学现状　

材料力学课程对于力学类专业来说是学科基础　

课，对于机械类、建筑类和环境类等专业的专业来说　也是基础课程，在高级人才培养中具有重要地位．¨　

｜１前为了适应学生就业的需要，各学校相继增开了　

许多课程．对于诸如数学、力学等基础学科的教学课　

时量不断的压缩，有的学校压缩到７２个课时，有的　

学校甚至压缩到６Ｏ多个课时．另外，随着我国高等　

教育体制的深化改革以及招生规模的扩大，各院校　

的教学资源相对不足，使得一般院校由于底子薄、基　础差、经费紧张、实验室建设规模严重滞后于迅速扩　

大的学生规模，远远满足不了教学任务的需要．由于　材料力学实验课所需的实验设备价格昂贵，而且每　

次实验试件的消耗也较大，因此材料力学实验课的　

内容被大部分重要的实验内容删减或无法进行，导　

致学生缺乏动手操作的机会，这样必然严重影响材　

料力学的教学水平，从而影响其他专业课程的学习．　

二、创建数值模拟实验的必要性　

实验是材料力学教学的重要组成部份，它和理　论教学相辅相成．实验是力学理论的基础，理论也需　

数值模拟方法在本科生风工程课程教学中的应用

摘 要：风工程是土木工程专业本科生教学的新兴专业课程，属于多领域交叉学科，在教学过程中存在诸多困难。结合南京航空航天大学本科生多年风工程教学实践经验，提出基于数值模拟方法和现代多媒体教学技术相结合的风工程教学理念，侧重对该教学理念的主要思路、应用范围、可行性和存在的问题进行探讨。

关键词：风工程 数值模拟方法 风洞试验 教学方法

中图分类号：g64 文献标识码：a 文章编号：1673-9795（2013）04（a）-0046-01

风工程是一门涉及自然风的流体力学特性和设施的结构力学特性的交叉学科，属于土木工程一级学科领域中比较新兴的专业科目[1]。国际上最早的风工程研究始于1940年美国塔科马大桥的风毁事故，我国是在20世纪80年代开始风工程领域的研究，经过30余年的发展，特别是近十年的快速发展，我国风工程领域的研究规模已经基本成熟，已经建成的大气边界层风洞实验室达到20余座。但是由于我国风工程研究起步比国外要晚40年左右，受到硬件和软件条件的制约，风工程领域人才的培养远远跟不上我国土木建设的需要。目前全国仅有少数几个高校在本科生中开设风工程课程，其中不少还是选修课，与经济高速发展对风工程知识的需求程度明显不符。当然这其中很大一部分原因也是由于风工程学科的交叉性极强，教学方法比较困难和教学设备不完全具备，因为风工程学科对教学试验、教学案例和多媒体技术比较依赖。南京航空航天大学自2005年就较早在土木工程专业本科生中开设了风工程课程[2]，本文旨在结合南京航空航天大学多年风工程本科教学实践经验，提出基于数值模拟方法和现代多媒体教学技术相结合的教学理念，探讨风工程的本科生教学方法。

1 数值模拟方法在风工程教学中的应用范围

数值模拟[3]也叫计算机模拟，它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。对风工程专业课程的教学试验及课程重的有关风荷载和风振的内容进行数值模拟和仿真分析，并在课堂上展现数值模拟的过程和结果，结合多媒体技术来进行教学会调动本科生对风工程课程的学习兴趣，提高学习效率。该方法的主要应用范围如下。

２０１６年第１期　西部探矿工程　１９５　数值模拟在爆破工程教学中的应用探讨　张袁娟　一，可杰　，农冬灵　（１．河南工程学院安全工程学院，河南郑州４５１１９１；２．河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作４５４０００；　３．郑州宇通集团有限公司，河南郑州４５００１６；４．北京市地质矿产勘查开发总公司，北京１０００５０）　摘要：针对爆破工程课程教学过程中存在的抽象的问题，引入数值模拟技术，对其中的抽象问题进　行分析，举例对台阶爆破和间隔装药进行了数值模拟建模分析，论证了数值模拟技术在爆破工程教　授过程中的应用及其意义，对类似课程的教学提供了可借鉴的理论。　关键词：爆破工程；数值模拟；举例分析；台阶爆破；间隔装药　中图分类号：ＴＤ２３５．４文献标识码：Ｂ文章编号：１００４—５７１６（２０１６）０１—０１９５—０２　１概述　随着爆破工程技术在采矿和路桥建设中的普遍应用，　且爆破技术作为采矿工程的主干课程，其学习和应用对采　矿工程专业的就业和发展有很大的意义，但是在讲授爆破　工程课程中由于其研究对象的破坏性和不可重复性，使得　现场试验具有一定的困难，因此在讲授相关课程的过程　中，学生普遍反映存在抽象、晦涩难懂的问题，笔者将根据　教学需要引＾数值模拟技术作为辅助教学手段。　数值模拟是用来沟通理论模型和实验研究的桥　梁，其在爆破方面的应用是通过采用接近实际的数学　物理模型，对岩石的动态破坏现象进行模拟，用以展示　岩石爆破整个作用过程和效应，从而有助于深入认识　了解岩石爆破作用机理；在工程技术领域内常用的数　值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离散单元法和　有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要　还是有限单元法，同时数值计算结果的可靠性又可通　过实验研究得到佐　卜　。学习和了解数值模拟对爆破　工程的学习有一定意义，尤其针对初学者，因此，本文　结合笔者多年的教学和学习过程，对数值模拟技术在　爆破工程教学课程教学过程中的意义进行阐述。　２我校爆破工程学习现状　由于爆破工程学科属于专业基础课，在学习了基本　的学科《流体力学》、《岩石力学》、《高等数学》和计算机　相关技术后进行学习，有力学和数学基础后，爆破工程　相关的数值模拟的学习将会有一定的基础。另外，爆破　工作作为井巷工程的前奏可以有承上启下的衔接作用。　且在现有的爆破工程课程的学习过程中，由于教　材众多，教材讲述的重点不尽相同，导致学生在学习过　程中教辅课本选择有困难，并且本校的学科背景为煤　矿，由于学科背景的特点，多偏重瓦斯和放火方面知　识，导致本校的学生对爆破工程的应用以及发展知之　甚少，因此，上课过程中学生普遍提不起学习兴趣，课　程受不到足够的重视，因此，教学过程中的生动和形象　化对讲授效果有重要的影响。　爆破工程技术作为矿山开采的重要技术之一，学　习好爆破工程对学生的毕业设计和就业大有裨益。因　此学习数值模拟在爆破工程课程中的应用有重要的意　义，在爆破工程中对课程的掌握有很强大辅助的作用。　３数值模拟技术在爆破工程教授过程中的应用　（１）应用案例１：台阶爆破。台阶爆破是工作面以　台阶形式推进的爆破方法，台阶爆破已经广泛的应用　于矿山、铁路、公路和水利水电等工程中，而且有数据　表明我国今年来露天矿开采的产量比重，铁矿石占　９Ｏ％，有色金属矿石占５２％，化工原料占７０．７％，建筑材　料几乎１００％，可见台阶爆破应用的广泛Ｉ性【　］，更加体　现了其的重要性，但是关于台阶的相关参数理解，学生　普遍反映理解有一定的困难，但是本校没有可以进行　试验的平台和仪器，也无露天矿模型可以参观，因此理　解的过程中依赖数值模拟技术较为实际。以下为笔者　借助数值软件ＬＳ－ＤＹ－ＮＡ建立的台阶爆破模型。如图　１所示，可以清楚地看到台阶的平台以及炮孔的布置，　对露天矿的直观了解可以加深学生的记忆。　收稿日期：２０１５—０９—３０修回日期：２０１５—１０－０８　｛　基金项目：河南工程学院博士基金（Ｄ２０１３０２２）；河南省教育厅科学技术研究重点项目（１４Ｂ４４０００５）；郑州市科技攻关项目（１４１ＰＰＴＧＧ３７５）。　。　第一作者简介：张袁娟（１９８３一），女（汉族），陕西渭南人，讲师，现从事安全工程专业教学工作。