采矿工程的技术价值及教学实践

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验，通过运用现场检测到的数据，确定岩体力学参数，建立具体模型，进行数值模拟，确定结果，得出结论［3］。

4采用岩石力学数值模拟分析的原因分析

岩石力学数值模拟是较为复杂的整套分析，矿山企业通常是通过与高校或者科研机构来合作而实现该项技术的应用。矿山企业的本质目标是盈利，因此，开采就要在保证安全的基础上，做到成本最小化，利益最大化。现在尽管数值模拟技术得到应用，但是一般的企业会考虑成本问题，只有在经验不足或者情况十分复杂的时候才会采用数值模拟方法。

5技术分析

数值模拟尽管相比经验判断有很大优势，但是仍然存在较大局限:①数值模拟方法是根据具体数据来建立模型计算，尽管在模型中会引入误差值来提高模型的准确度，但是岩石力学的实际情况要复杂得多，自然灾害，人为因素等很多不可控的因素并不能完全考虑到，因此数值模拟存在误差;②即便是在模型完全准确的情况下，有可能出现参数的引入偏差问题，通常来说，模型越复杂，需要引入的参数越多就越容易出现偏差;③尽管采用精准度较高的数值模拟分析，但是其中数值以及模型运算仍然需要认为的操作与经验判断，因此不可能呈现完美的结果，一定会存在偏差正是由于这些问题的存在，模拟数值方法的精准度存在着一个上限，但是实际工程中我们对精准度又有要求，有一个下限，即保证工程安全和相对精确，这样的要求下，选择的方法在上限与下限之间即是好的方法。

6成本分析

是否采用数值模拟分析方法主要基于以下两层考虑:一是需要考虑机会成本，机会成本就是指在选择一种决策时放弃的另外一种机会所带来的最大效益。通常来说，在企业面临岩石力学问题时，会有两种解决方案，一种是凭借开采工程队伍中或者企业中有能力的人靠着以往开采经验来判断以解决问题，另一种是通过技术外包的方式，企业支付一定费用，将岩石力学问题交由高校实验室或者科研机构来解决。虽然第二种方案会得到更精准的数据，但是企业基于成本考虑，通常会选择第一种方案，只有在选用数值模拟方法时利润远高于凭借经验判断时，企业才会选用第二种方案。另一层是风险控制问题，一般而言，矿石开采工程中都会涉及安全问题，在工人凭借经验进行判断时，通常风险会特别高，一旦出现人员伤亡或者其他安全事故，一方面会影响工程的进展，另一方面会对企业信誉造成一定影响。这就使企业在工程进行中不得不将安全放在第一位，这也是选择数值模拟方法的重要原因。

7教学实践分析

7．1岩石力学模拟方法对教学质量的提高有重要作用

在采矿工程中，力学问题是不可避免的，在采矿工程教学中，力学也是教学的一个重点，尽管很多学校将力学设置为基础课程，但是力学教学和采矿教学是分割开来的，这样会导致学生对对采矿工程中力学的重要性意识不到位，岩石力学数值模拟方法可以很好地改善这种情况，让学生认识到力学的作用，将理论与实践相结合，可以在以后工作中更好的发挥理论的作用。

7．2岩石力学模拟数值方法是采矿人员所必须掌握的技能

岩石力学数值模拟的成本之所以高是包含了知识技术，这其中最主要的影响因素就是人才的因素，要想提高工程的准确度又降低成本，加强技术人员的素质的主要因素，这一方法的培养也是采矿人才的必修课程。纵观教育历史，高等院校在培育人才方面一直起引领作用，与采矿工程有关的院校一面可以完成相关的研究任务，一面可以加强人才培养，这样的教育方式让人才的培养更专业全面，也让岩石力学数值模拟方法得到更广泛的运用。

8结论

采矿工程与其他工程有着明显的不同之处，要在保证安全的前提下实现利润的最大化，这是选择岩石力学模拟数值法的前提条件，模拟数值方法尽管在技术上存在一定的局限性，但是相比依靠人为经验判断能很好地提高准确性。由于企业需要控制成本，而模拟数值方法的主要成本来源于人力，因此高校在教学中改善传统教育方式，加强岩石力学模拟数值方法的实践教学，向企业输送高素质人才是重点，这也是未来企业进一步发展的关键。

参考文献:

［1］刘溪鸽，等．岩石力学数值模拟方法用于采矿工程的技术经济探讨与教学实践［J］．中国矿业，2016，(1):155－160．

［2］牛贯非，等．基于数值模拟的储层岩石力学参数预测模型分析及应用［J］．油气地质与采收率，2017，(1):1－7．

［3］曾亚武，等．岩石矿物细胞元模型的精细模拟试验验证［J］．武汉大学学报(工学版)，2014，(12):217－221，259．

作者:孙若飞 单位:西安科技大学能源学院