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首页大面积充填采矿流固耦合分析与优化研究
"大面积充填采矿时的流固耦合数值分析及优化 (2009年)" 这篇2009年的论文主要探讨了在大面积充填采矿过程中如何处理涌水型矿井的水文地质条件,通过流固耦合的数值分析方法来优化采矿设计,确保采场的安全性。作者余伟健等人首先介绍了有限差分法在流固耦合计算的基本原理,这是数值模拟的基础,用于分析流体(如地下水)和固体(如矿石和岩体)之间的相互作用。 文章针对司家营铁矿南区的实际情况,这个地区的地下水丰富,采矿过程中面临的涌水量大,因此,选择合适的计算参数至关重要。研究人员确定了4个关键因素,每个因素3个不同水平,组合成总共9个计算方案。他们利用这些方案对采矿与充填进行了数值模拟,以模拟采矿过程中的渗流场变化和采场涌水量。 通过对不同方案的比较分析,论文着重研究了采矿过程中渗流场的演变以及采场涌水量对地表沉降的影响。这些分析对于理解地下水如何影响矿体稳定性,以及如何选择最优的采矿策略以减少地表沉降具有重要意义。最后,基于这些分析,研究者能够确定最佳的充填采矿方案,以最大程度地降低负面影响,提高矿山的安全性和经济效益。 关键词包括大面积充填采矿、流固耦合、数值分析和优化,表明论文的核心内容涉及这些领域。该研究采用了FLAC 3D软件进行流固耦合分析,这是一种常用的地下工程数值模拟工具,能有效地模拟复杂的力学行为。 论文的发表对于大水型矿山的大面积开采设计提供了理论支持和技术指导,对于未来的矿山安全评价和采矿工程实践具有重要的参考价值。通过深入理解流固耦合效应,可以更好地预测和控制地下水对矿体稳定性的影响,进而制定出更安全、更经济的采矿策略。
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第
24
卷第
4
期
2
∞
9
年
12
月
矿业工程研究
Mineral
Engineering
Research
Vo
1.
24
No
.4
Dec.
2009
大面积充填采矿时的流固搞合数值分析及优化
余伟健
1
气高谦
3
(1
湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,湖南湘潭
411201
;
2.
湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭
411201
;3.
北京科技大学土木与环境工程学院,北京
1
∞
083)
摘
要:针对大面积充填采矿涌水型矿井的水文地质条件,进行了流因祸合的数值分析.首先,阐述了有限差分法的流罔搞合的
计算基本原理;然后,根据司家营铁矿南区矿体的特点,合理地选取了各计算参数,确立了
4
因素
3
水平共
9
个计算方案,并分别对这
些方案进行了采矿与元填的数位模拟分析;最后,针对采矿过程中的渗流场和采场涌水量进行分析,并得到了不同方案对地表沉降的
影响程度,从而最终优选出最佳方案.该研究成果为大水型矿山的大面积开采设计和安全评价提供一定的参考价值.
关键词:大面积充填采矿;流固搞合;数值分析;优化
中图分类号
:TD853.34
文献标识码
:A
目前,在进行大面积地下采矿时,采场安全和围
岩稳定性成为研究的热点,其影响因素错综复杂,其
中之一就是水的影响.在地下水和降水较多的地区,进
行大面积采矿时,不但会诱发岩层的移动,而且涌水
多也会直接影响矿山生产效益.唐山钢铁司家营铁矿
南区的开采就面临着这个问题,其地下水非常充足,
采矿坑内涌水量较大.水和岩石的相互作用势必会影
响大面积采场围岩及顶板的稳定性和安全性,有必要
进行专门的流固搞合分析,并达到优化充填采矿.目前
有关地下工程的流固搞合问题大多采用数值计算方
法进行间,因此,本文根据流固搞合作用机制,采用
FLAC
3D
进行分析与优化.
l
流体-固体相互作用数值表达
在地下工程中,除开采诱发的动态应力外,渗透
压力也会对岩石造成变形损伤,不能忽略导水裂隙生
成过程中水压力的影响.这里涉及
2
种搞合
:
(1)
应力
渗流搞合问题.这种问题是将孔隙介质中流体压力与
应力建构在统一的本构模型中,平行计算应力场与渗
流场;
(2)
固-液藕合.这种娟合的实质是材料体积应变
收稿日期
:2
∞
9-03-17
文章编号
:1674-5876(2009)04-0011-07
对孔隙的影响可以通过流动本构定律加以反映,反之
孔隙压力的变化可引起固体产生变形.在
FLAC
汩的
有限差分计算中,将质量平衡方程和流体矢量与孔隙
压力之间的关系运用到均质、各向同性的恒流单元
体.对于均质、各向同性固体和恒流液体,达西定律可
表示为[叫
qi=-kW
-P
队
g;]
,
(1)
式中
,
qi:
流体的矢量
,m!
s;p:
孔隙压力,
MPa;Xi:
坐标矢
量分量
,
m;k:
渗透系数
,
m
4
/
(N
s)
;Pf
:
流体密度,
k
g/
m
3
;gi:
重力矢量的
3
个分量
,m!
S2.
对于小变形问题,流体的平衡可由下式表达:
号子=-问
(2)
式中
,
qv:
流体源头流动强度,1/
s;C:
流量的变化,即每
单位孔隙介质中由于流体扩散造成的流体体积变化.
渗流的本构方程可表示为
业=上旦
ι+α
旦旦
-β
豆
Z
,
(3)
ðt M ðt
..-
ðt
r
式中,
M:Biot
模量
,
N/m
2
;
α:
Biot
系数
4:
排水状态下的
热系数,
I
I''C
.
将
(3)
式代人
ρ)
式,可以导出:
基金项目:国家科技支撑计划课题资助项目。∞
8BAB32B01)
作者简介:余伟健
(1978-)
,男,江西都昌人,讲师,博士,研究方向:岩石力学、数值分析与围岩控制等
.E-mail:ywjlah@163.com
11
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