劉溪鴿，朱萬成，魏　炯，關(guān)　凱

(東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

巖石力學數(shù)值模擬方法用于采礦工程的技術(shù)經(jīng)濟探討與教學實踐

劉溪鴿，朱萬成，魏炯，關(guān)凱

(東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

摘要：結(jié)合采礦工程特點以及巖石力學數(shù)值模擬方法的發(fā)展現(xiàn)狀，分別從技術(shù)、經(jīng)濟與人才培養(yǎng)三個方面對數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應用問題展開探討。采礦工程在力學背景、工程穩(wěn)定性要求及價值目標等方面均有別于其他巖石工程，這對其選擇何種方法解決生產(chǎn)過程中遇到的巖石力學問題有顯著影響，突出表現(xiàn)為成本的敏感性。由于模型誤差、參數(shù)選擇誤差和監(jiān)測數(shù)據(jù)反演誤差等系統(tǒng)性誤差的客觀存在性，這導致數(shù)值模擬方法在預測巖石力學問題的精確度(可靠性)方面存在著發(fā)展的“上限”。而采礦工程中的巖石力學問題對計算及預測精確度的需求存在“下限”，因此，只要保證數(shù)值模擬方法預測的精確度“上限”達到采礦工程需要的“下限”即是其成功的應用。巖石力學數(shù)值模擬方法預測的精確度與成本投入之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系，機會成本及決策風險控制因素對礦山企業(yè)應用巖石力學數(shù)值模擬方法的效果有重要影響。此外，高等院校在采礦工程人才培養(yǎng)方面加強巖石力學教育，為礦山企業(yè)輸送具有較高巖石力學素質(zhì)的采礦工程師，將是引領(lǐng)礦業(yè)技術(shù)進步的重要組成部分。

關(guān)鍵詞：采礦工程；巖石力學；數(shù)值模擬；技術(shù)經(jīng)濟；教學實踐；高等教育；人才培養(yǎng)；礦山企業(yè)

近年來，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，巖石力學數(shù)值模擬方法在采礦工程領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應用。

關(guān)于巖石力學數(shù)值模擬方法，王芝銀等[1]認為數(shù)值分析方法是解決巖石力學與工程問題的重要工具；劉懷恒[2]提出，隨著計算機軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值方法在工程領(lǐng)域有廣闊的應用前景；鄭穎人[3]、王泳嘉和馮夏庭[4]、徐軍等[5]、李寧等[6]分別闡述了數(shù)值方法在工程應用中存在的問題；此外，孫鈞[7]、孔德森等[8]、唐廣慧等[9]、胡海浪等[10]、于詩剛等[11]歸納總結(jié)了當前常用的幾種巖石力學數(shù)值模擬方法的優(yōu)越性與局限性。文獻[12]、[13]從提高礦石產(chǎn)量與經(jīng)濟效益的角度論證了巖石力學在采礦工程領(lǐng)域的應用價值。王述紅等[14]、朱萬成等[15]、郭保華[16]、胡建華等[17]從采礦工程教學實踐角度討論了數(shù)值模擬方法的優(yōu)越性。

本文立足于采礦工程與巖石力學數(shù)值模擬方法各自的特點，分別從技術(shù)、經(jīng)濟與人才培養(yǎng)的角度對數(shù)值模擬方法在采礦工程中應用展開探討與綜合評價:技術(shù)層面主要指數(shù)值模擬方法在采礦工程中可以充分發(fā)揮效能、解決實際問題，這有賴于技術(shù)本身的發(fā)展；經(jīng)濟層面指應用該項技術(shù)手段的成本利潤率滿足礦山企業(yè)盈利的基本需要；而人才培養(yǎng)層面主要指高等院校在采礦工程的教學實踐中，能夠高效地培養(yǎng)出滿足礦業(yè)發(fā)展需要的巖石力學數(shù)值模擬方面的人才，為巖石力學數(shù)值模擬方法應用與采礦工程實踐搭建橋梁。

1采礦工程的一些特點

雖然采礦工程面對的客體也是自然界中的巖石，但是與交通、水力、國防等一般意義上的巖石工程相比，采礦工程具有一些不同的特點。

首先，力學背景不同[18]。一般巖石工程往往存在或者追求一個相對穩(wěn)定的最終狀態(tài)；而采礦工程是不斷打破現(xiàn)有力學平衡和建立新的力學平衡的過程。

其次，工程穩(wěn)定性要求不同。一般巖石工程，例如隧道工程，注重工程的長期穩(wěn)定性，常常是百年大計；而采礦工程對工程穩(wěn)定性的要求在時效上要短得多,只要求在采礦生產(chǎn)作業(yè)期間保持工程巖體穩(wěn)定，待礦體回采完畢則工程允許破壞。

最后，價值目標不同。一般巖石工程在實現(xiàn)一定經(jīng)濟價值的基礎上通常兼具比較廣泛的社會效益，甚至社會效益是其主要價值目標，因此工程投資較大；而采礦工程是在安全生產(chǎn)的基礎上實現(xiàn)礦山企業(yè)經(jīng)濟利益的最大化，經(jīng)濟效益是采礦工程的主要價值目標，相比之下，其實現(xiàn)社會效益的功能往往被弱化。

采礦工程的上述特點對其解決問題所采用的技術(shù)方法有比較重要的影響，尤其表現(xiàn)為成本的敏感性。

2數(shù)值模擬方法的發(fā)展與應用現(xiàn)狀

20世紀60、70年代以來，隨著計算機科學技術(shù)的發(fā)展和普及應用，巖石力學進入了嶄新的發(fā)展階段[19]?；谟邢拊?、有限差分、離散元等理論的多種數(shù)值模擬方法均借以計算機軟件實現(xiàn)應用，考慮動態(tài)擾動、蠕變破壞、滲流、瓦斯、多場耦合等復雜巖石特性的理論模型也不斷被提出和修正，同時，這些數(shù)值模擬方法和模型結(jié)合不同的巖石工程積累了大量的實踐經(jīng)驗。

2.1數(shù)值模擬方法在采礦工程中應用的一般步驟

采礦工程中的巖石力學問題包括生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境的穩(wěn)定性(安全性)評估、采礦方案的優(yōu)選及優(yōu)化、地質(zhì)災害預防和治理等諸多方面的內(nèi)容。

借助計算機進行大規(guī)模數(shù)值模擬計算是巖石力學研究的重要手段之一，其解決問題的一般方法大致可以分為如下幾個步驟：地質(zhì)調(diào)查，包括地應力、地下水、采空區(qū)、主要斷層帶等地質(zhì)條件調(diào)查；實驗室研究，包括相關(guān)巖樣的物理力學實驗、數(shù)值模擬分析等；現(xiàn)場監(jiān)測與反饋分析，包括監(jiān)測巖體的位移與應力變化等，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)信息反饋到計算模型，進一步分析計算；最后，綜合各部分工作結(jié)果得出最終結(jié)論。

巖石力學數(shù)值模擬方法在采礦工程中應用的一般步驟如圖1所示。

圖1　巖石力學數(shù)值模擬方法的一般步驟

2.2數(shù)值模擬方法的技術(shù)局限

雖然數(shù)值模擬方法的引入使巖石力學的發(fā)展產(chǎn)生了飛躍式的進步，但是數(shù)值模擬方法依然存在著一些自身難以克服的局限性。

首先，對自然界中的巖石(巖體)建立概念化的數(shù)值模型，會不可避免的引入模型誤差[20]。作為巖石力學研究的客體，巖體是一類疊加入地熱、地下水、地應力、瓦斯、地震破壞、人為爆破擾動等一系列復雜因素的非連續(xù)介質(zhì)，巖性組分千差萬別、節(jié)理裂隙縱橫交錯，而基于巖石力學理論的數(shù)值模擬方法受限于數(shù)據(jù)的有限性[4]，很難精確地將所有因素都體現(xiàn)在數(shù)值模型中。

因此，在研究過程中抓主要矛盾、簡化甚至忽略次要影響因素，以達到指導工程實踐的目的是數(shù)值模擬方法在工程應用中的必然選擇。

其次，即使在數(shù)值模擬模型完全正確的前提下，依據(jù)工程經(jīng)驗人為選取的計算參數(shù)也會引起誤差[5,21]。例如，將實驗室小巖石試樣的物理力學參數(shù)折算到較大規(guī)模巖體中進行計算，會不可避免地引入誤差[6]；將有限范圍內(nèi)部分點位的地應力等監(jiān)測數(shù)據(jù)應用于整體研究區(qū)域的計算分析，會產(chǎn)生誤差；用定量的參數(shù)表征時刻處于時空演化過程中的巖體，也會帶來誤差。

一般而言，數(shù)值模擬的模型越復雜、考慮的因素越多相對應的計算參數(shù)也越多，計算參數(shù)的增多直接導致參數(shù)選取的難度增大，這反而易使計算結(jié)果的誤差產(chǎn)生累積放大效應。因此，由于數(shù)值模擬參數(shù)選擇的誤差存在，這使得模型復雜程度與數(shù)值模擬結(jié)果的總誤差之間存在著一定的正相關(guān)關(guān)系。

正因為數(shù)值模擬方法在計算巖石力學問題上存在著難以克服的系統(tǒng)性誤差，所以數(shù)值模擬方法在預測精確度(可靠性)上存在著發(fā)展的“上限”。但是，巖石力學作為一門以指導巖石工程建設為研究背景的應用性質(zhì)的學科，工程實用性是其追求的主要目標[3,22]。巖石力學的這一屬性導致其對計算及預測精確度要求以滿足工程建設需要為根本標準，而不是無限制地追求精確度的提升，因此，實際上巖石工程建設需要計算及預測的精確度存在最低要求，即精確度的“下限”。在此情況下，只要巖石力學數(shù)值模擬方法精確度的“上限”達到或者接近工程建設需要的“下限”就是該方法的成功應用。

此外，經(jīng)濟上的合理性是一項技術(shù)能否廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的重要前提，所以工程實際也需要考慮技術(shù)應用效果與技術(shù)應用成本之間的關(guān)系。因此，技術(shù)成本是數(shù)值模擬方法在采礦工程領(lǐng)域應用中不可忽略的重要因素。

2.3數(shù)值模擬方法的應用成本分析

應用巖石力學數(shù)值模擬方法解決采礦工程問題的成本與其方法自身所包含的各個環(huán)節(jié)緊密相關(guān)，而且，各個環(huán)節(jié)和部分之間相互銜接、補充，共同實現(xiàn)對真實巖體的模擬計算，缺少任何一部分工作均會導致數(shù)值模擬的精確度(可靠性)受損失。

在一定范圍內(nèi)，應用數(shù)值模擬方法的成本投入與研究結(jié)果的精確度存在著正相關(guān)的關(guān)系，即成本投入越高、工作量越大，其研究結(jié)論的精確度(可靠性)越高；反之，研究結(jié)論的精確度(可靠性)則會受到影響。

例如，應用巖石力學數(shù)值模擬方法的過程中，礦山地質(zhì)信息調(diào)查與巖體應力、位移等數(shù)據(jù)的監(jiān)測收集工作往往需要在已有礦產(chǎn)勘探資料的基礎上增加地質(zhì)鉆孔以及布設一些高精度的傳感器，這部分工作的成本均很高，甚至能夠占據(jù)研究成本的大部分。即便如此，這部分資金投入的可壓縮空間十分有限：一方面，數(shù)值模擬模型參數(shù)的選取很大程度上依賴于地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果，如果地質(zhì)調(diào)查資金投入不夠，地應力條件、巖體力學參數(shù)、斷層帶范圍等研究不清楚，即便在計算模型合理的情況下也會嚴重影響數(shù)值模擬結(jié)果；另一方面，如果不投入資金進行現(xiàn)場監(jiān)測，則數(shù)值模擬結(jié)果就得不到校驗、力學演化過程也無法得到反饋修正，其計算的精確度(可靠性)也沒有辦法保證。

此外，當應用巖石力學數(shù)值模擬方法的成本投入達到某一閾值的情況下，也會產(chǎn)生類似經(jīng)濟學中“邊際效益”遞減的效應，即數(shù)值模擬方法的精確度隨著成本投入的增加不會無限提高，這主要受限于該技術(shù)手段本身的精確度“上限”。

3礦山企業(yè)應用數(shù)值模擬方法的決策考慮

基于巖石力學理論的數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應用涉及一整套系統(tǒng)性的工作，因此，其應用存在著一定的技術(shù)門檻。目前，中國的巖石力學研究機構(gòu)主要包括科研院所和高等院校，許多礦山企業(yè)自身并不具備做巖石力學數(shù)值模擬及分析的能力。礦山企業(yè)一般以科研立項、與科研機構(gòu)合作的方式實現(xiàn)研究成果共享。

礦山企業(yè)作為一種以盈利為目的的社會經(jīng)營組織，其決策的根本目標是在保證安全生產(chǎn)的前提下采出最多的礦石、實現(xiàn)最大的經(jīng)濟效益，而巖石力學數(shù)值模擬方法只是礦山企業(yè)達到此目標的手段之一。雖然該方法在巖石工程領(lǐng)域的發(fā)展及應用成績斐然，但就采礦工程而言，實際上大部分生產(chǎn)活動是在沒有借助數(shù)值模擬工具做系統(tǒng)性分析的條件下完成的。一般而言，礦山技術(shù)人員憑借經(jīng)驗可以解決的大部分巖石力學問題，只有在經(jīng)驗方法不足以解決問題的情況下，礦山才尋求包括數(shù)值模擬方法在內(nèi)的其他解決辦法和技術(shù)支持。礦山企業(yè)委托科研機構(gòu)做巖石力學數(shù)值模擬研究以實現(xiàn)解決問題的目的，主要涉及兩方面的經(jīng)濟考慮：即應用該方法的機會成本和礦山企業(yè)決策的風險控制。

首先，借助醫(yī)院信息化系統(tǒng)，專責小組調(diào)取2014年10月以后的就診、抽血、取藥等環(huán)節(jié)的各個步驟節(jié)點數(shù)據(jù)，分析等候時間較長的原因。

3.1機會成本因素

礦山企業(yè)面對生產(chǎn)實踐中出現(xiàn)的巖石力學問題，其解決思路大致可以分為兩種：其一，企業(yè)的領(lǐng)導及技術(shù)人員憑借多年的生產(chǎn)經(jīng)驗提出解決方案，資金投入直接用于解決問題；其二，首先以科研立項的方式委托科研單位做包括數(shù)值模擬在內(nèi)的巖石力學研究，再根據(jù)其研究結(jié)果有針對性地投入資金。從企業(yè)經(jīng)營決策的角度考慮，相比于企業(yè)技術(shù)人員憑借經(jīng)驗直接提出解決問題的方案，應用數(shù)值模擬方法輔助決策和解決問題，雖然更加科學合理，但這無疑增加了生產(chǎn)成本。

機會成本是指在面臨多方案擇一決策時，被舍棄的選項中的最高價值[23]。對礦山企業(yè)而言，采用數(shù)值模擬方法解決問題的機會成本常常很高，一方面這與巖石力學數(shù)值模擬方法自身的高成本屬性有關(guān)，另一方面與礦山企業(yè)實現(xiàn)提高經(jīng)濟效益的多樣化資金投入的選擇途徑有關(guān)。只有在采用巖石力學數(shù)值模擬方法的資金收益率大于其他解決方案的資金收益率的情況下，巖石力學數(shù)值模擬方法對礦山企業(yè)才具有足夠的吸引力。

因此，當?shù)V山企業(yè)生產(chǎn)成本需要控制、科研資金投入有限而需要解決的問題較多時，采用數(shù)值模擬方法解決問題的機會成本容易很高，這是礦山通常采用經(jīng)驗決策而非巖石力學方法的重要原因。

3.2風險控制因素

礦山企業(yè)委托科研機構(gòu)做數(shù)值模擬的另一方面考慮是實現(xiàn)部分風險轉(zhuǎn)移。

一般而言，礦山的巖石力學問題大多涉及安全生產(chǎn)，而且通常是現(xiàn)場技術(shù)人員不能憑經(jīng)驗確定工程安全性的風險較高問題。在此情況下，礦山企業(yè)尋求技術(shù)支撐的訴求與實現(xiàn)部分風險轉(zhuǎn)移的意愿均比較強烈，通過委托科研機構(gòu)做巖石力學研究的方式便是一個較好的選擇。

礦山的生產(chǎn)事故，尤其是人員的傷亡事故，會對礦山企業(yè)的正常運營帶來非常大的負面影響，在極端情況下甚至可以導致企業(yè)停產(chǎn)、破產(chǎn)，這就促使礦山企業(yè)決策時必須把安全生產(chǎn)放在首位。生產(chǎn)的安全性與企業(yè)效益最大化的矛盾越突出、巖石力學問題越復雜、企業(yè)承擔的風險也會越大，這些內(nèi)部動因間接促進了巖石力學數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應用。

4高等院校采礦工程的人才培養(yǎng)

采礦工程是一門實踐性很強的學科，各個領(lǐng)域的先進技術(shù)都可以吸收利用。同計算機輔助設計技術(shù)在采礦工程領(lǐng)域的廣泛普及應用一樣，巖石力學數(shù)值模擬方法輔助決策也將在采礦工程中發(fā)揮越來越大的作用。而在巖石力學數(shù)值模擬方法普及方面，高等院校的作用極為重要。

4.1巖石力學數(shù)值模擬方法是提高采礦教學質(zhì)量的重要手段

在采礦工程技術(shù)的發(fā)展中，力學將始終扮演著重要的角色[24]。在傳統(tǒng)的采礦工程教學(尤其是本科生教學)中，力學雖然被作為采礦專業(yè)的基礎知識進行教育，但是將力學教學與采礦方法教學在課程設置上割裂開來，并沒有很好地體現(xiàn)出二者之間的聯(lián)系。這種培養(yǎng)模式導致學生體會不到力學在采礦工程中的重要地位，當學生走出校門步入工作崗位后，仍然將實踐經(jīng)驗作為采礦生產(chǎn)設計的唯一準繩，這大大削弱了高等教育在引領(lǐng)礦業(yè)發(fā)展方面發(fā)揮的作用。

在此情況下，巖石力學數(shù)值模擬方法的教學方式優(yōu)勢明顯。數(shù)值模擬一方面以巖石力學為基礎，可以讓學生真正體會到力學在采礦工程中的重要地位；另一方面將采礦方法與力學知識相結(jié)合，用可視化的計算結(jié)果解釋采礦工程的實際問題，可以引發(fā)學生興趣、提高教學質(zhì)量。

巖石力學數(shù)值模擬方法還具有技術(shù)成本低、可重復操作的特點，可以作為物理實驗教學與現(xiàn)場生產(chǎn)實習的重要補充。

4.2巖石力學數(shù)值模擬方法是未來采礦人才的必備知識技能

實際上，巖石力學數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應用成本主要體現(xiàn)為智力成本，人的因素十分重要。數(shù)值模擬需要相關(guān)科研人員對模型參數(shù)不斷調(diào)整、對現(xiàn)場巖體變形破壞等情況長期的跟蹤監(jiān)測，最后綜合評價計算與監(jiān)測結(jié)果給出建議。

此外，從礦山企業(yè)生產(chǎn)實際的角度考慮，外部科研人員的長期進駐、調(diào)研對礦山企業(yè)的生產(chǎn)會有諸多干擾，同時也增加了人員管理的成本。因此，擁有自己巖石力學人才隊伍是礦山企業(yè)以低成本方式獲得高技術(shù)支撐的必要手段。

由此可見，掌握巖石力學數(shù)值計算方法是未來采礦工程師的基本素養(yǎng)。

縱觀人類教育的發(fā)展史，高等院校(大學)一直在引領(lǐng)人類科學技術(shù)進步方面發(fā)揮著巨大的作用。采礦工程相關(guān)的高等院校一方面承擔了相關(guān)課題的理論研究任務，另一方面也具有培育人才的社會功能。在科學研究成果應用于生產(chǎn)實踐、轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力方面，高等院校起到了重要的樞紐作用、為巖石力學數(shù)值模擬方法在采礦工程中的廣泛應用提供了人才保障。

5建議與討論

首先，巖石力學數(shù)值模擬方法是解決巖石工程問題的重要技術(shù)手段，解決采礦工程問題應積極對其加以利用。

將自然界中的客觀事物與規(guī)律數(shù)學化是人類自然科學發(fā)展的必由之路，而以計算機技術(shù)為基礎的數(shù)值模擬方法是現(xiàn)代數(shù)學發(fā)展的重要成就，它甚至在一定程度上代表了人類生產(chǎn)力與科學技術(shù)的發(fā)展水平。數(shù)值模擬方法被廣泛應用于科學研究與應用的各個領(lǐng)域并取得了大量的成績，足以證明該方法的可靠性和先進性。因此，采礦工程排斥或否定數(shù)值模擬方法作用及價值的觀點有失偏頗。而且，隨著巖石力學數(shù)值模擬方法的不斷發(fā)展及相關(guān)工程實踐經(jīng)驗的持續(xù)積累，其應用效果會逐漸提升，應用成本也會適當降低，這對數(shù)值模擬方法在采礦工程領(lǐng)域的應用有積極的促進作用。

其次，工程實用性是采礦工程領(lǐng)域應用巖石力學數(shù)值模擬方法的根本目標。

經(jīng)前文論述，巖石力學數(shù)值模擬方法在精確度方面存在著發(fā)展的“上限”。雖然隨著科學技術(shù)的發(fā)展此“上限”的提高有其必然性且有助于其在采礦工程領(lǐng)域的應用，但是，只從提高數(shù)值模擬精確度的角度出發(fā)解決問題容易成本高昂。既然巖石力學數(shù)值模擬方法的精確度“上限”達到或者接近工程建設需要的“下限”就是該方法的成功應用，那么在采礦工程應用中不妨以降低工程需要的精確度“下限”為補償。例如，在保證巖石力學數(shù)值模擬結(jié)果趨勢正確、數(shù)值不出現(xiàn)過大偏差或錯誤的前提下，可以通過增加相關(guān)工程維護成本的方式為數(shù)值模擬結(jié)果誤差留有足夠的余地、適當降低對其計算結(jié)果精確度的要求?？傊鉀Q采礦工程問題的思路不應囿于任何一種方法本身，一切以安全地實現(xiàn)問題解決并取得最大化的經(jīng)濟效益為目標。

再次，經(jīng)濟因素對巖石力學數(shù)值模擬方法在采礦工程中應用效果有較大影響，應趨利避害。

隨著“以人為本”的科學發(fā)展觀念在全社會形成價值認同并逐漸上升為相關(guān)的政策法規(guī)，這將導致礦山企業(yè)人員傷亡事故的風險損失大大提高。從風險控制的角度考慮，礦山企業(yè)決策也傾向于通過科研立項的方式與科研機構(gòu)實現(xiàn)風險共擔，這間接促進了巖石力學數(shù)值模擬方法在采礦工程中的普及應用。但是，目前除了國家資金投入的科研項目外，巖石力學數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應用大多以礦山企業(yè)與科研機構(gòu)進行項目合作的方式實現(xiàn)，合作是在礦山企業(yè)盡量控制成本的基礎上實現(xiàn)的，這種成本控制的因素容易導致巖石力學研究結(jié)果的精確度(可靠性)受到損失，也為工程的安全性造成負面影響。因此，在巖石力學數(shù)值模擬方法應用于采礦工程的過程中，經(jīng)濟因素的作用應引起相關(guān)責任方的重視。

最后，高等院校在采礦相關(guān)人才培養(yǎng)方面應注重巖石力學數(shù)值模擬方法的教育，貼近采礦生產(chǎn)實際、引領(lǐng)礦業(yè)技術(shù)革新。

高等院校在大學本科生和研究生(尤其是工程碩士)的教學培養(yǎng)中，要貫徹巖石力學數(shù)值模擬方法服務于工程實踐的理念。在開設“應用巖石力學”、“計算巖石力學”、“巖石破裂過程數(shù)值實驗”、“材料損傷與破裂”等課程的同時，需要加強巖石力學數(shù)值模擬方法用于工程實踐的研究方法教育，提高學生這方面的認識水平和現(xiàn)場操作能力，推進巖石力學數(shù)值模擬方法的現(xiàn)場應用。

6結(jié)論

與其他巖石工程注重工程的長期穩(wěn)定性和廣泛的社會效益不同，采礦工程是以在保障安全的前提下實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化為主要目標。采礦工程的這一屬性對礦山企業(yè)是否采用巖石力學數(shù)值模擬方法解決問題的決策有重要影響。

數(shù)值模擬方法是當前巖石力學研究的重要手段之一，被廣泛應用于解決各類巖石工程問題。但是，數(shù)值模擬方法本身存在一些難以克服的局限性，模型誤差、參數(shù)選擇誤差以及監(jiān)測數(shù)據(jù)反演誤差等系統(tǒng)性誤差導致數(shù)值模擬方法的精確度(可靠性)存在著發(fā)展的“上限”。盡管如此，只要巖石力學數(shù)值模擬方法精確度的“上限”達到或者接近工程建設需要的“下限”就是該方法的成功應用。解決工程實際問題可以從提高“上限”或降低“下限”兩個角度著眼，以達到用最低的成本實現(xiàn)最高效益的目標。

巖石力學數(shù)值模擬方法是一整套嚴密且完整的系統(tǒng)性解決問題的方法，一方面對礦山企業(yè)而言存在一定的技術(shù)門檻，另一方面在保障研究可靠性的基礎上成本較高，這使得巖石力學數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應用受到一定程度的限制。但是，礦山企業(yè)尋求技術(shù)支撐與風險轉(zhuǎn)移的訴求，客觀上促進了巖石力學數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應用。

高等院校應加強巖石力學數(shù)值模擬方法在采礦工程教學實踐中的地位，為礦山企業(yè)輸送具有較高巖石力學素質(zhì)的采礦工程師，將是引領(lǐng)礦業(yè)技術(shù)進步的重要組成部分。

參考文獻

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Technical and economic analysis and teaching practice about the numerical modelling method of rock mechanics applied in mining engineering

LIU Xi-ge，ZHU Wan-cheng，WEI Jiong，GUAN Kai

(Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

Abstract:By considering both the characteristics of mining engineering and the development status of numerical modelling method of rock mechanics，the issue of numerical modelling method of rock mechanics applied in mining engineering has been discussed in terms of technology，economy and talent cultivation.Mining engineering is different from other rock engineering in mechanical background，engineering stability requirement and value goals，which has a significant impact on what kind of method to be chosen to solve the rock mechanics problems in the process of mining production，especially concerning about the sensitivity of the cost.For the reason of the objective existence of systematic errors，including the model errors，parameter errors，and error in retrieval of monitoring data，etc.，as a consequence，the development of accuracy (reliability) of the numerical modelling method in solving the of rock mechanics problems exists the “upper limit”.Meanwhile，the accuracy requirements of mining engineering exists the “l(fā)ower limit” when the numerical modelling method was used.Therefore，it is a successful application as long as the “upper limit” of numerical modelling catches up with the “l(fā)ower limit” of engineering requirements.And the accuracy of the numerical modelling method has a certain positive correlation relationship with the costs，both the opportunity cost factors and the decision-making risk control factors of mining enterprises have an important effect on the application of the numerical modelling method of rock mechanics in mining engineering.In addition，in the aspect of talents cultivation of mining engineering in institutions of higher education，numerical modelling method of rock mechanics should be strengthened in order cultivate the mining engineers with high quality knowledge of rock mechanics，which is helpful for advancing the development of mining technology.

Key words：mining engineering；rock mechanics；numerical modelling；technological economy；teaching practice；higher education；talents cultivation；mine enterprise

收稿日期：2014-10-19

基金項目：國家自然科學基金項目資助(編號:51222401；51374049；51304037); 中央高?；究蒲袠I(yè)務費項目資助(編號:N120101001；N120301002); 高等學校博士學科點專項科研基金資助(編號:20110042110035)

作者簡介：劉溪鴿(1989-)，男，博士，從事巖石力學與工程方面的研究工作。E-mail：liuxigeneu@163.com。 通訊作者：朱萬成(1974-)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事巖石力學與工程方面的教學與研究工作。E-mail：zhuwancheng@mail.neu.edu.cn。

中圖分類號：TD31;G642

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)01-0155-06