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采矿工程实验实践教学虚拟仿真软件的开发与应用1. 引言1.1 背景介绍采矿工程是一个重要的工程领域，涉及到矿山资源的开采和利用。
在采矿工程实验实践教学中，学生需要具备实际操作和技能，以应对工程领域的挑战。
传统的实验教学存在一些问题，如实验设备昂贵、安全隐患高等。
针对这些问题，虚拟仿真软件的开发应运而生。
虚拟仿真软件可以模拟真实的采矿工程场景，让学生在虚拟环境中进行练习和实验，提高其操作技能和实际应用能力。
虚拟仿真软件可以节约实验成本，减少安全风险，提升教学效率。
随着信息技术的不断发展和应用，虚拟仿真软件在采矿工程实验实践教学中的应用将变得越来越重要。
本文将探讨虚拟仿真软件的开发与应用在采矿工程实验实践教学中的作用和意义，为教学实践提供新的思路和方法。
1.2 研究意义采矿工程实验实践教学虚拟仿真软件的开发与应用在当今教育领域具有重要的研究意义。
随着科技的不断发展，虚拟仿真软件的应用已经成为教育教学的重要手段之一，能够帮助学生更好地理解和应用理论知识。
对于采矿工程专业的学生而言，通过虚拟仿真软件可以模拟真实的采矿场景，提升他们的实践能力和解决问题的能力。
传统的采矿工程实验实践往往受到条件和资源的限制，无法满足学生的需求。
而虚拟仿真软件可以打破这种限制，为学生提供更加便捷、直观的实践环境，帮助他们更好地掌握实验操作技能。
虚拟仿真软件还可以帮助教师更好地设计和组织实验教学内容，提高教学效率和效果。
采矿工程实验实践教学虚拟仿真软件的开发与应用还可以推动采矿工程教育的改革与创新。
通过引入先进的虚拟仿真技术，可以不断完善教学内容和方法，提高教学质量，提升学生的综合素质和竞争力。
研究该领域具有深远的教育意义和实践意义。
1.3 研究现状目前，采矿工程实验实践教学中存在着一些问题和挑战，例如传统实验设备和场地资源有限、实验操作过程中存在安全隐患等。
为了解决这些问题，许多研究者致力于开发虚拟仿真软件来替代传统实验教学方法。
随着我国采矿业快速发展，矿产资源开发利用进入新时期，为生活安全提出更高的要求，计算机技术在各领域得到应用，在采矿工程中发挥重要作用，如数值模拟技术，计算机采掘计划等。
采矿工程是复杂的系统工程，工程施工中存在许多安全问题，将计算机技术应用于采矿工程中有利于降低开采难度，为采矿工程安全提供可靠保障。
生产技术是矿山企业信息化改造薄弱环节，需将信息技术嵌入到采矿生产工艺中，结合采矿工程实际，合理应用计算机技术才能促进矿业发展。
1 采矿工程中计算机技术应用发展上世纪90年代后，随着信息化快速发展，矿山企业在计算机信息化应用建设加快，在如何提高矿山生产效率，降低开采成本，提高生产能力等方面进行了大量应用。
以远程遥控与人工智能技术为特点的矿山计算机数字信息化成为采矿业的发展方向。
一些采矿业发达国家利用计算机数字信息技术改造矿业，如加拿大在2050年规划中计划北部边界实现机械自动破碎，瑞典制定矿山自动化进军计划，变革传统矿业生产工艺，提高矿山企业的生产效率[1]。
采矿对人工智能的研究处于起步阶段，随着人工智能技术发展，人工智能技术必将应用于采矿业。
计算机应用可将矿山各种数据综合，实现科学分析等，为矿山资源评估，开拓设计，决策管理等提供直观有效的依据。
矿山生产程序模拟是国内矿山企业数字信息化发展方向。
国家安全监管局文件明确指出，推进金属地下矿山安全避险系统建设工作，系统建设中有计算机技术应用，可实现监理光线无线通信为主体的通信网络，形成音视频同网传输网络体系。
采用工业以太网实现对矿井生产系统及设备的智能化控制，对开采环境数据的自动采集分析等，实现矿产开采环境数字化。
2 计算机技术在采矿工程中的应用对矿石开采中存在很多问题，由于我国地形复杂，矿石存在区域在大山，空间上级开采技术上存在一定问题，由于地形复杂，开采时需对空间环境动态监控，矿山开采后由于地形复杂，为运输工作带来很大困难。
由于开采矿石环境恶劣，施工中有很大的难度，矿石开采中安全管理非常重要，企业应对施工进行全程监控，应对工作进度控制，需要利用计算机技术在采矿工作中发挥作用[2]。
数值模拟在采矿工程中的应用在采矿工程中，围岩的稳定性和岩层的控制工作格外重要，数值模拟具有较强的开放性和兼容性，能够有效解决传统分析方法中存在的问题，因此，在采矿工程中得到了较为广泛的应用。
文章就来分析一下当前采矿工程中的需要注意的问题和数值模拟在采矿工程中的具体应用。
标签：数值模拟；采矿工程；问题；应用随着计算机技术的迅速发展，数值模拟发在采矿工程中得到了越来越广泛的应用。
数值模拟方法主要包括有限元法、有限差分法、半解析元法、边界元法、刚体元法、加权余量法、离散元法、非连续变性分析法、流行元法和无界元法等，其中，有限元法的应用是最广泛的。
有限元法最早应用与航空航天领域，二十世纪六十到七十年代开始，有限元算法的分析软件开始被研究和开发出来，但是，这些分析软件都不是针对采矿工程开发的，因此，在采矿工程中进行应用时面临着较大的困难。
而后，针对采矿工程行业的数值分析软件就应运而生了，这些软件的自动建模能力较强，而且程序的开放性较强。
1 当前采矿工程中存在的问题1.1 采场的围岩控制问题采场围岩控制问题主要指的是岩体结构的破断问题、岩块的稳定状态、结构失稳后的形态变化情况等的控制。
采场围岩的坚固性是随着工作面的推进增加的，然后从连续体破断为块体，块体重新排列后会形成自然结构，自然结构在覆岩自重的作用下运用和变化，最终会出现失稳的情况，造成地表塌陷。
采动应力指的是矿体采出以后，在围岩内重新形成的压力场，采动应力也是岩体出现破裂、变形和运动的根源。
然而，由于原岩应力和开采后应力场得测定存在困难，因此，采动应力无论是在现场测定还是理论方面都不够成熟。
在采动应力的影响下，采动岩体会出现变形甚至破裂的情况，破裂后的块状围岩体会形成堆砌结构，如果堆砌结构失稳，将会出现岩体运动，然后形成新的块状堆砌结构。
对于大部分煤矿采动覆岩来说，及时垮落的情况是常见的也是必须存在的，不然，工作面的安全将会受到严重威胁。
然而，覆岩的垮落对形成采场来压，使岩层内部出现离层和缝隙，从而使水体和气体产生位移，最终造成地表塌陷，对地面道路、建筑、环境和水体造成严重危害。
数值模拟在采矿工程中的应用1. 前言数值模拟是一种重要的科学计算方法，已广泛应用于各个领域，包括采矿工程领域。
采矿工程是指对地下矿产资源进行开采、利用和管理的一门工程学科，更加科学和精细的采矿方案设计，是当前采矿工程的迫切需求之一。
在采矿工程中，数值模拟方法可以为工程院校的教学模拟、矿山建模仿真、矿山开采工艺优化等提供很好的技术支撑。
2. 数值模拟在支护结构设计中的应用地下采掘工程中，采掘面的稳定性是一个非常重的问题，其中地下支护结构设计是影响采掘面稳定性的关键因素之一。
为了保证采矿工程的安全和稳定，需要采取一系列的支护措施，如硬岩锚杆支护、注浆加压和灌浆支护等。
而数值模拟方法可以对地下支控结构应力和变形特性进行仿真，有效引导及指导支控方案的设计。
通过计算得到的应力和变形特性，优化支控结构的构造和材料，挑选合适的安装位置以及控制支护施工质量，提高矿井安全系数和支护系统的稳定性。
3. 数值模拟在矿山坍塌预测中的应用随着资源开采的不断深入，地下矿山中巨大的岩层可能产生塌陷、冒顶或延伸，从而导致矿山的不稳定，并威胁到采矿工作人员的生命安全。
为了避免这种情况的发生，需要对地下矿山的稳定性进行预测和控制。
数值模拟可以对地下采矿工程中的各种因素进行考虑和分析，进而预测矿山坍塌的可能性和范围，指导采矿工程的重点管理和分析优化。
计算机模拟技术可以在不同时间点、不同状态下，对地下开采的变形和应力分布、岩石坚固程度等进行全面计算，从而更加全面呈现矿山的稳定性特征，提高工程实际应用效果。
4. 数值模拟在地下煤自燃预测与防治中的应用地下煤储量资源丰富，是中国的传统能源之一，但煤炭的自燃现象却时有发生，威胁到采矿区域的安全和环保。
煤的自燃是由于煤的长期在空气中接触而产生的氧化反应，进而引发自燃。
为了防止煤的自燃现象的发生，需要对矿井的情况进行实时监控和管理。
数值模拟可以对矿井内的氧气、潮气量进行准确的预测，以及地下水管道的温度、湿度，进而判断矿井的自燃倾向性并进行相应的防止措施，确保矿山安全稳定生产。
数值模拟在采矿工程中的应用介绍在采矿工程中，数值模拟是一种重要的工具，用于模拟和预测矿山开采过程中的各种物理现象和工程问题。
通过建立数学模型和运用数值计算方法，数值模拟可以帮助工程师和矿业专家更好地理解矿山开采过程中的挑战和潜在风险，从而制定有效的工程方案和管理策略。
本文将全面、详细、完整地探讨数值模拟在采矿工程中的应用。
采矿工程中的数值模拟应用1. 岩石力学分析1.1 应力分布模拟 1.2 变形和位移模拟 1.3 初始应力场确定 1.4 支护结构模拟2. 瓦斯抽采模拟2.1 瓦斯涌出规律模拟 2.2 瓦斯扩散与稀释模拟 2.3 瓦斯抽采效果模拟 2.4 煤与瓦斯突出模拟3. 坍塌与冒顶模拟3.1 坍塌机理模拟 3.2 支护结构选型与设计模拟 3.3 冒顶预测与治理模拟 3.4 冒顶风险评估模拟4. 矿井水文地质模拟4.1 地下水涌出模拟 4.2 矿井涌水分析模拟 4.3 围岩渗流场模拟 4.4 围岩稳定性评估模拟数值模拟方法和工具1. 有限元分析1.1 原理和基本步骤 1.2 应用案例分析2. 离散元法2.1 原理和基本步骤 2.2 应用案例分析3. 流体力学模拟3.1 瓦斯和水流动模拟 3.2 坍塌和冒顶模拟 3.3 支护结构与地下水模拟数值模拟在采矿工程中的优势和挑战1. 优势1.1 减少实地试验成本 1.2 提高工程设计的准确性 1.3 优化工程方案和管理策略1.4 预测和控制工程风险2. 挑战2.1 数值模型的建立与验证 2.2 参数与输入数据的准确性 2.3 模型计算复杂度与计算资源需求 2.4 模型结果的解释与应用数值模拟在采矿工程中的现实应用与案例分析1. 煤矿坍塌预测模拟1.1 模拟案例介绍 1.2 模拟方法和工具 1.3 模拟结果和分析2. 高瓦斯矿井瓦斯抽采模拟2.1 模拟案例介绍 2.2 模拟方法和工具 2.3 模拟结果和分析3. 深部金属矿山地压控制模拟3.1 模拟案例介绍 3.2 模拟方法和工具 3.3 模拟结果和分析4. 地下水涌出和水害模拟4.1 模拟案例介绍 4.2 模拟方法和工具 4.3 模拟结果和分析结论数值模拟在采矿工程中具有重要地位和应用前景。
数值模拟技术及其在工程领域中的应用数值模拟技术是一种重要的计算方法，它利用计算机模拟物理现象，通过数学方法得到物理参数数值解。
数学模型往往可以描述一些复杂的物理现象，例如流体力学、结构力学、热力学等。
在工程领域中，数值模拟技术具有重要的应用价值，可以帮助工程师和设计师更加准确地预测物理现象、分析数据、评估风险和提高效率。
一、数值模拟技术的分类数值模拟技术主要分为以下几个类别：1. 有限元法：将复杂的结构系统划分为有限个单元，对每个单元进行数学建模，通过组合单元的计算结果得到整个系统的结果。
2. 有限体积法：将研究区域划分为立体网格单元，对每个单元进行数学建模，采用控制体积法对离散方程的项进行沿体积元周边的积分，得到每个单元内节点的物理量。
3. 边界元法：将结构区域划分为有界的曲面，对曲面上的每个点求解函数值，通过叠加所有点来得到整个系统的结果。
4. 蒙特卡罗法：运用概率统计方法，建立物理模型，模拟相应的物理现象，通过大量的随机模拟得到物理量的概率分布。
二、数值模拟技术在工程领域中的应用数值模拟技术广泛应用于工程领域，其中涉及流体力学、结构力学、热力学等各个方面。
下面从几个典型的工程案例中来说明它们的应用。
1. 桥梁结构优化桥梁的结构设计必须兼顾美观、经济、稳定等多个方面，这就要求设计师能够在各个方面进行权衡。
采用数值模拟技术，可以对桥梁设计进行优化。
例如，模拟桥梁在风吹、车辆行驶和地震等多个复杂载荷下的响应，得到桥梁的最小稳定质量。
模拟还可以帮助设计师预测桥梁的耐久性和寿命，并根据不同的载荷和外界环境情况，优化桥梁的结构和材料。
2. 船舶水动力学分析数值模拟技术在船舶设计中也有着广泛的应用。
船舶的水动力学分析可以帮助设计师更好地评估船舶的阻力和稳定性。
当船舶航行在高速流体中时，它会感受到阻力和浮力，这些阻力和浮力会对船舶的性能产生影响。
数值模拟技术可以模拟船舶在不同的流体环境中运动的情况，通过计算阻力、浮力等各种评估参数，帮助设计师更好地提高船舶性能。
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。
2.2 控制巷道围岩的相关问题
控制巷道围岩的相关问题主要是指覆岩在开采后产生的变形、移动和破坏，影响围岩应力场、受开采影响巷道围岩在工作面周围的稳定性程度、在采动影响下控制巷道围岩技术等。
巷道围岩受开采相邻工作面的影响，支撑压力将对其稳定性产生一定程度的影响。
所以，基于巷道围岩移动变形特点，并与围岩实际状况相结合，科学选择支护方式及具体参数。
3. 采矿工程中数值模拟的应用
3.1 分析采矿工程的数值模拟方法
结合采矿工程问题特点，纵观数值模拟方法的发展，采矿工程数值模拟方法充分反映出采矿工程的特点，基本上使数值模拟软件成为对采矿工程问题特点进行客观反映的一种专业化软件。
由开采引起的覆岩移动变形具有其规律和特点，所以，应基于采矿工程问题的实际特点，针对采矿工程数值力学的分析方法开展相关研究，特别是对有模型的合理范围、数值的计算方法及边界条件等层面开展较为深入地研究工作。
3.2 新型开采工艺的相关研究
环境保护近年来备受重视并成为十分重要的一项工作，矿业部门应考虑经济可持续发展如何实现的问题，基于此背景，应运而生了煤矿绿色开采技术。
该技术的主要内容有：一是保护水资源主要是保水开采技术；二是主要是填充、离层注浆及条带开采等保护建筑物和土地开采技术；三是主要是煤与瓦斯共采技术等瓦斯抽放技术；四是煤层巷道支护及矸石排放控制技术；五是地下气化技术。
在很多方面，煤炭绿色开采技术都属于技术比较前沿的研究课题，因不具有良好的试验设备，现场难以获得准确的检测结果，应采取数值模拟方式分析研究，以提高技术的前瞻性。
研究新型煤炭开采工艺的过程中，不只是研究开采造成的覆岩移动变形规律及控制岩层技术等相关内容，还应深入研究填充材料等的力学特性。
3.3 热力学的相关研究
煤炭清洁利用目前已成为较为重要的发展方向之一，分析围岩活动规律、煤炭地下气化及控制岩层等方面的问题，应采用数值力学中的热力学分析方法。
研究分析前，在煤炭地下气化中准确把握煤层和围岩的力学特性。
3.4 工程岩体稳定性受岩体蠕变特性的影响
随时间的推移，岩体强度将产生一定程度的变化，而岩体蠕变特性属于其固有特性，更突出的就是软岩的岩体蠕变特性。
在软岩矿井分布上我国十分广泛，所以，岩体蠕变特性对很多矿区工程岩体的稳定性都产生一定程度的影响。
此外，该情况普遍存在于水利工程、地铁隧道
等众多领域。
深入研究分析岩体蠕变特性，对于各种岩土工程提高稳定性具有重要作用。
随着矿井近年来呈现出逐渐衰老的实际情况，在采煤中很多矿井都存在房柱式、条带式及填充式等比较严重的开采问题，无法确保煤柱和填充体的长期稳定，所以，对岩体蠕变特性应充分利用数值模拟方法开展比较深入地研究工作。
3.5 三维数值模拟的相关应用
在力学行为方面，围岩地下开采与其时间空间等因素都具有十分密切的联系，若只是利用传统平面模型不能充分反映出问题的实质，也容易在建模中产生一定程度的困难。
所以，应建立立体模型分析研究采矿工程中的问题。
若采用三维数值模拟方法，花费的时间和人力都较多。
所以，将平面问题有机结合三维数值模拟是目前最好的一种方法。
4. 结语
综上所述，围岩稳定性及其控制在采矿工程中至关重要，开采过程对采矿工程围岩稳定性的影响，将重新分布围岩应力，进而使高应力产生，直至造成围岩发生破裂和较大范围的位置移动，增大研究难度。
数值模拟软件的开放性兼容性都较强，可深入分析研究采矿工程问题的相关特点。
但在实际研究中也存在很多不确定因素。
所以，采矿单位应对数值模拟的重要性充分提高认识，对目前采矿工程中的常见问题进行较深入地分析，并在采矿工程研究中科学合理地应用数值模拟技术，对于提高采矿工程中的围岩稳定性具有十分重要的作用。
参考文献：
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作者简介：
李强，男，辽宁阜新人，大学本科学历，研究方向：采矿工程。
