煤矿开采矿山压力研究方法分析

16 2020-04-22

煤矿井工开采前,地下岩体由于自重引起的应力(通常称为“原岩应力”)是处于平衡状态的,但在开掘巷道或进行回采工作时,破坏了原来的应力平衡状态,引起岩体内部的应力重新分布,从而会产生各种力学现象,如顶板跨落、下沉、地板鼓起、巷道变形地表沉陷等矿山压力显现,会给煤矿井工开采工作造成不同程度的危害。本文对现有的几种矿压研究方法进行了分析,以达到对从事矿山压力研究者的启示。


1.实验室及现场试验方法

1.1 介质力学性试验

介质力学性试验主要是选用完整的岩块作为试件,这种试件一般不包含节理裂隙,因为在一个小试样中的节理、裂隙是随机的,不具有代表性,所以各种强度都不是岩石的固有性质,而是一种指标值。为了保证不同的岩石强度所获得的岩石强度指标具有可比性,国际岩石力学学会对岩石强度试验所使用的试件的形状、尺寸、加载速率和湿度等影响因素制定了标准,对不符合标准试件和标准试验条件所获得的强度指标值,必须根据国际标准作相应的修正,这种试验方法主要有单轴抗压强度试验、三轴抗压强度试验、点荷载强度试验、抗拉强度试验、抗剪切强度试验、破坏后强度试验等。


1. 2 相似材料模拟试验

相似模拟实验是以相似理论为基础的模型试验技术,是利用事物或现象间存在的相似和类似等特征来研究自然规律的一种方法,可以人为控制和改变实验条件,从而可以确定单因素和多因素条件下对所模拟实验的结果进行分析,从而根据实验的结果可得出一些特定条件或普遍条件下的一般性规律。它特别适用于那些难以用理论分析的方法获取结果的研究领域,同时也是一种用干对理论研究结果进行分析和比较的有效手段。相似模拟试验的成功主要取决于下列条件:①研究问题的本质。有明确的科研思路及试验目的,能避开次要、随机的因素对研究对象的影响,突出其主要矛盾;②试验要以相似理论为根据,尤其是在研究过程中起决定作用的参数,要充分反映在相似准则中,尽可能满足边界、起始等单值条件;③要有相应的设备作基础,包括试验台及测试仪器等装置,设备应大、中、小相结合,重要的工程项目的模拟通常要用设备完善、测试精密的大型试验台来完成,而属于定性、机理方面规律性的探讨,则可在设备较为简单和投资较少的中、小型试验台上反复进行;④要有严格的科学的工作态度,模型制作工艺规格化,测试记录认真,减少误差,使试验成果具有更高的可信度,即使有某些干扰因素影响产生系统性误差,也应采取措施消除、减轻以至加以改正。


1. 3 现场应力测量

煤矿井工开采测量的应力主要有原始应力、井巷围岩应力和支护结构的受力。由于这些应力状态的复杂性和多变性,要比较准确地测定某一地区的应力,就必须进行充足数量的“点”测量,在此基础上,才能借助数值分析和数理统计、灰色建模、人工智能等方法,进一步描绘出该地区的全部地区地应力场状态。依据测量基本原理的不同,可将测量方法分为直接测量法和间接测量法两大类。其中直接测量法包括扁千斤顶法、刚性包体应力法、水压致裂法、声发射法;间接测量法包括全应力解除法、局部应力解除法、松弛应变测量法、孔壁崩落测量法、地球物理探测法等10多种方法。


1.4 现场岩层移动变形的监测

地下开采引起的岩层与地表移动,是从工作面直接顶板开始,并且逐渐向上发展直至地表。因此要了解岩体在开挖后的移动变形规律,实地观测是最基本的手段,岩层移动变形的监测工作,主要是在工作面周围及其巷道中和钻孔中进行,根据不同的观测目的和观测条件选择观测的地点和方法。主要方法为工作面顶板移动变形监测、覆岩内部移动变形监测、巷道围岩移动与变形监测、支护结构变形的监测、地表移动变形的监测等。


2.数值分析与仿真模拟方法

将现代工程数值计算方法应用千岩土工程的分析与设计是近几十年发展起来的,应该说对于形状规则介质均匀的结构分析,解析法能够提供较为准确的分析结果。然而,岩体作为一种工程地质介质, 在工程影响的范同内,由于涉及到不同的岩层、软弱带及结构面,往往表现为强烈的非均质性,加之实际工程情况又是十分复杂多样的,传统的解析法必然遇到难以克服的困难。在这种情况下,通常 有两种可供选择的途径:其一是模拟试验的方法,其二是数值解法。近年来,随着电子计算机应用的普及和发展,数值方法获得了长足的进步,并且已渗透到科学与工程技术研究的各个领域,成为工程人员必不可少的分析工具。在岩石力学领域常用的数值分析方法主要包括有限元法、边界元法、离散元法等。


2.1 有限单元法

有限单元法实际上是变分法的一种特殊的有效形式。其基本思想是:把连续体离散化为一系列邻接单元,每个单元内可任意指定各种不同的力学性质,从而可以在一定程度上更好地模拟岩体地实际情况,特殊的“节理”单元可以有效地模拟岩体结构的不连续性。这种方法的成功与否主要取决两个因素:一是对岩体材料的认识程度,即能否正确确定计算参数的问题;二是能否正确选定计算模型的问题。


2. 2 边界元方法

边界元方法是建立干微分方程本身的一种数值计算方法,在处理线弹性问题上具有巨大的优越性。其基本思想是:由于大量的工程问题最终归结为求解一个或一组微分方程,这类方程只在极少数情况下才可能有精确解,边界单元法就是首先把问题的微分方程转化为边界积分方程。由于实际问题的复杂性,直接由边界积分方程解析的求解未知函数是非常困难的,所以,通常通过数值方法得到未知函数的近似解。


2. 3 离散元方法

离散元方法适用于研究在准静力或动力条件下的节理系统或块体集合的力学问题,能够分析变形连续和不连续的多个物体的相互作用问题、物体的断裂问题以及大位移和大转动问题,能够处理范围广泛的材料结构关系、相互作用准则和任意几何形状。它是一种显式求解的数值方法,该方法与在时域中进行的其他显式计算相似。由于用显式法时不需要形成矩阵,因此可以考虑大的位移和非线性,而不用花费额外的计算时间。


2.4 仿真模拟方法虚拟现实仿真技术

虚拟现实仿真技术是一门以系统科学、计算机科学和概率论与数理统计学为基础,结合各应用领域的技术特点和应用中的需要,逐渐发展起来的边缘性技术,同时它也是一门实验性科学,随着各门学科的发展,虚拟现实仿真也得到日新月异的发展,已成为近年来十分活跃的新兴技术,为矿山压力研究提供了新手段。虚拟现实仿真系统在航空航天、军事 科学研究、工业生产、交通运输、环境保护、生态平衡 卫生医疗等领域已经得到成功的应用,并取得显著的经济效益。


2.5 虚拟现实仿真技术的优越性

现代虚拟现实仿真是以系统理论、形式化理论、 随机过程与统计学理论和优化理论为基础,以计算机为工具,对具有不确定性因素的现实系统或未来系统进行动态实验研究的理论和方法,在求解岩层控制学复杂系统中,系统仿真具有很好的优越性:①系统仿真技术已成为继理论分析和实物试验之后,认识客观世界规律性的新型手段,它可以将研制过程、运行过程和实施过程放在实验室中进行,具有良好的可控制、无破坏性、可复现性和经济性等特点;

②系统仿真在理论上体现了实验思考的方法论,用它可以探索高技术领域和复杂系统深层次的运动机理和规律性,给出人们直观逻辑推理不能预见的系统动态特征,具有科学的先验性;③对于包含多种随机因素的复杂系统,通常难以用数学模型或解析方法作精确地描述和求解,系统仿真则可根据系统内部的逻辑关系和数学关系,面向系统的实际过程和行为来构造仿真模型,在很少假设或不作假设的前提下建立包括系统主要因素和具体细节的模型框架,并通过仿真实验运行,得到复杂系统的解,因而被称为科学技术领域中“最后的方法”④系统仿真建模具有面向过程的特点,仿真模型与所研究系统的运行过程在形式上和逻辑上存在对应性,避免了建立抽象数学模型的困难,显著简化了建模过程。


3.结语

由于矿山压力的影响因素是多种多样的,显现规律是复杂的,而且目前所有的矿山压力研究方法都不够完善,还没有一种研究方法可以全面地、系统地研究矿山压力各方面问题。因此,从矿山压力的特点出发,综合采用实验室研究、现场研究、数值分析研究、计算机仿真模拟研究,井以现场应用修正为辅的综台性研究方法,将是未来煤矿井工开采过程矿山压力研究的主要有效方法。


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