采礦工程的技術(shù)價(jià)值及教學(xué)實(shí)踐

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摘要:通過(guò)分析巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，從技術(shù)層面、經(jīng)濟(jì)價(jià)值層面以及教學(xué)實(shí)踐，即人才培養(yǎng)層面三個(gè)層面對(duì)巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法的具體選擇與應(yīng)用進(jìn)行細(xì)致的討論。由于采礦工程在造價(jià)和穩(wěn)定性程度等方面區(qū)別于其他工程，因此選擇一個(gè)對(duì)的方法是極其重要的，這種方法要求達(dá)到巖石力學(xué)中數(shù)值計(jì)算的精準(zhǔn)度下限，同時(shí)又因?yàn)閿?shù)值模擬方法本身存在著誤差，因此選擇一個(gè)在上限與下限之間的方法是我們的目標(biāo)。數(shù)值模擬的精準(zhǔn)度與技術(shù)投入、經(jīng)濟(jì)投入和人才投入都有一定的關(guān)系，因此我們從這三方面來(lái)具體探討巖石力學(xué)方法的選擇與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:巖石力學(xué);數(shù)值模擬方法;采礦工程

由于技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)值模擬方法得到廣泛運(yùn)用，成為采礦工程得以進(jìn)行的必要工具和手段，巖石力學(xué)模擬數(shù)值方法就是采礦應(yīng)用中非常重要的一種方法。本文從巖石力學(xué)模擬方法在采礦工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀入手，結(jié)合采礦工程的特點(diǎn)，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值與教學(xué)實(shí)踐中的人才培養(yǎng)具體探討巖石力學(xué)模擬數(shù)值的優(yōu)缺點(diǎn)，為采礦工程中對(duì)方發(fā)的選取提供相關(guān)的參考。

1數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)值模擬方法不僅能夠分析施工過(guò)程中各種因素對(duì)工程穩(wěn)定性的影響，還能夠通過(guò)具體數(shù)值的帶入模擬出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和力學(xué)原理。常用的數(shù)值模擬方法有剛體元法、離散元法、流行元法、無(wú)界元法、邊界元法和有限元法等等很多方法，通過(guò)這些數(shù)值模擬方法的分析來(lái)指導(dǎo)具體的工程進(jìn)展已經(jīng)是必不可少的了［1］?，F(xiàn)階段巖石力學(xué)在采礦工程中的應(yīng)用主要包括四個(gè)方面:煤層底板突水、地應(yīng)力問(wèn)題、巷道和建筑物維護(hù)以及巖層的控制與移動(dòng)［2］。

2采礦工程的特點(diǎn)

采礦工程是不斷尋找新的平衡點(diǎn)的工程，主要操作原理就是打破原有的平衡，建立新的平衡。不同于建筑橋梁的設(shè)計(jì)要求長(zhǎng)期穩(wěn)定，采礦只追求短期穩(wěn)定，工程在采礦完畢之后可以破壞，而且不同于一般工程追求社會(huì)效益，采礦工程主要是追求價(jià)值，是在安全性的基礎(chǔ)上追求企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化，這些特點(diǎn)要求采礦工程一定要在安全性的基礎(chǔ)上降低成本。

3數(shù)值模擬方法的簡(jiǎn)單介紹

采礦工程中運(yùn)用數(shù)值模擬方法主要解決的是巖層的短期穩(wěn)定性評(píng)估、采礦方法的選擇與優(yōu)化以及地質(zhì)災(zāi)害的防范和治理等問(wèn)題，數(shù)值模擬的收稿日期:2017－04－25作者簡(jiǎn)介:孫若飛(1994－)，男，山東煙臺(tái)市人，西安科技大學(xué)本科在讀。具體應(yīng)用步驟一般是先進(jìn)行礦山地質(zhì)調(diào)查，同時(shí)進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，確定巖體力學(xué)參數(shù)，建立具體模型，進(jìn)行數(shù)值模擬，確定結(jié)果，得出結(jié)論［3］。

4采用巖石力學(xué)數(shù)值模擬分析的原因分析

巖石力學(xué)數(shù)值模擬是較為復(fù)雜的整套分析，礦山企業(yè)通常是通過(guò)與高校或者科研機(jī)構(gòu)來(lái)合作而實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。礦山企業(yè)的本質(zhì)目標(biāo)是盈利，因此，開(kāi)采就要在保證安全的基礎(chǔ)上，做到成本最小化，利益最大化。現(xiàn)在盡管數(shù)值模擬技術(shù)得到應(yīng)用，但是一般的企業(yè)會(huì)考慮成本問(wèn)題，只有在經(jīng)驗(yàn)不足或者情況十分復(fù)雜的時(shí)候才會(huì)采用數(shù)值模擬方法。

5技術(shù)分析

數(shù)值模擬盡管相比經(jīng)驗(yàn)判斷有很大優(yōu)勢(shì)，但是仍然存在較大局限:①數(shù)值模擬方法是根據(jù)具體數(shù)據(jù)來(lái)建立模型計(jì)算，盡管在模型中會(huì)引入誤差值來(lái)提高模型的準(zhǔn)確度，但是巖石力學(xué)的實(shí)際情況要復(fù)雜得多，自然災(zāi)害，人為因素等很多不可控的因素并不能完全考慮到，因此數(shù)值模擬存在誤差;②即便是在模型完全準(zhǔn)確的情況下，有可能出現(xiàn)參數(shù)的引入偏差問(wèn)題，通常來(lái)說(shuō)，模型越復(fù)雜，需要引入的參數(shù)越多就越容易出現(xiàn)偏差;③盡管采用精準(zhǔn)度較高的數(shù)值模擬分析，但是其中數(shù)值以及模型運(yùn)算仍然需要認(rèn)為的操作與經(jīng)驗(yàn)判斷，因此不可能呈現(xiàn)完美的結(jié)果，一定會(huì)存在偏差正是由于這些問(wèn)題的存在，模擬數(shù)值方法的精準(zhǔn)度存在著一個(gè)上限，但是實(shí)際工程中我們對(duì)精準(zhǔn)度又有要求，有一個(gè)下限，即保證工程安全和相對(duì)精確，這樣的要求下，選擇的方法在上限與下限之間即是好的方法。

6成本分析

是否采用數(shù)值模擬分析方法主要基于以下兩層考慮:一是需要考慮機(jī)會(huì)成本，機(jī)會(huì)成本就是指在選擇一種決策時(shí)放棄的另外一種機(jī)會(huì)所帶來(lái)的最大效益。通常來(lái)說(shuō)，在企業(yè)面臨巖石力學(xué)問(wèn)題時(shí)，會(huì)有兩種解決方案，一種是憑借開(kāi)采工程隊(duì)伍中或者企業(yè)中有能力的人靠著以往開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷以解決問(wèn)題，另一種是通過(guò)技術(shù)外包的方式，企業(yè)支付一定費(fèi)用，將巖石力學(xué)問(wèn)題交由高校實(shí)驗(yàn)室或者科研機(jī)構(gòu)來(lái)解決。雖然第二種方案會(huì)得到更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，但是企業(yè)基于成本考慮，通常會(huì)選擇第一種方案，只有在選用數(shù)值模擬方法時(shí)利潤(rùn)遠(yuǎn)高于憑借經(jīng)驗(yàn)判斷時(shí)，企業(yè)才會(huì)選用第二種方案。另一層是風(fēng)險(xiǎn)控制問(wèn)題，一般而言，礦石開(kāi)采工程中都會(huì)涉及安全問(wèn)題，在工人憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷時(shí)，通常風(fēng)險(xiǎn)會(huì)特別高，一旦出現(xiàn)人員傷亡或者其他安全事故，一方面會(huì)影響工程的進(jìn)展，另一方面會(huì)對(duì)企業(yè)信譽(yù)造成一定影響。這就使企業(yè)在工程進(jìn)行中不得不將安全放在第一位，這也是選擇數(shù)值模擬方法的重要原因。

7教學(xué)實(shí)踐分析

7．1巖石力學(xué)模擬方法對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高有重要作用

在采礦工程中，力學(xué)問(wèn)題是不可避免的，在采礦工程教學(xué)中，力學(xué)也是教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)，盡管很多學(xué)校將力學(xué)設(shè)置為基礎(chǔ)課程，但是力學(xué)教學(xué)和采礦教學(xué)是分割開(kāi)來(lái)的，這樣會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)對(duì)采礦工程中力學(xué)的重要性意識(shí)不到位，巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法可以很好地改善這種情況，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到力學(xué)的作用，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，可以在以后工作中更好的發(fā)揮理論的作用。

7．2巖石力學(xué)模擬數(shù)值方法是采礦人員所必須掌握的技能

巖石力學(xué)數(shù)值模擬的成本之所以高是包含了知識(shí)技術(shù)，這其中最主要的影響因素就是人才的因素，要想提高工程的準(zhǔn)確度又降低成本，加強(qiáng)技術(shù)人員的素質(zhì)的主要因素，這一方法的培養(yǎng)也是采礦人才的必修課程?？v觀教育歷史，高等院校在培育人才方面一直起引領(lǐng)作用，與采礦工程有關(guān)的院校一面可以完成相關(guān)的研究任務(wù)，一面可以加強(qiáng)人才培養(yǎng)，這樣的教育方式讓人才的培養(yǎng)更專業(yè)全面，也讓巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法得到更廣泛的運(yùn)用。

8結(jié)論

采礦工程與其他工程有著明顯的不同之處，要在保證安全的前提下實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)的最大化，這是選擇巖石力學(xué)模擬數(shù)值法的前提條件，模擬數(shù)值方法盡管在技術(shù)上存在一定的局限性，但是相比依靠人為經(jīng)驗(yàn)判斷能很好地提高準(zhǔn)確性。由于企業(yè)需要控制成本，而模擬數(shù)值方法的主要成本來(lái)源于人力，因此高校在教學(xué)中改善傳統(tǒng)教育方式，加強(qiáng)巖石力學(xué)模擬數(shù)值方法的實(shí)踐教學(xué)，向企業(yè)輸送高素質(zhì)人才是重點(diǎn)，這也是未來(lái)企業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn):

［1］劉溪鴿，等．巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法用于采礦工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)探討與教學(xué)實(shí)踐［J］．中國(guó)礦業(yè)，2016，(1):155－160．

［2］牛貫非，等．基于數(shù)值模擬的儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)模型分析及應(yīng)用［J］．油氣地質(zhì)與采收率，2017，(1):1－7．

［3］曾亞武，等．巖石礦物細(xì)胞元模型的精細(xì)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2014，(12):217－221，259．

作者:孫若飛 單位:西安科技大學(xué)能源學(xué)院