采矿系统工程第七章PPT.pptVIP

* 第七章 矿山压力系统分析 第一节 岩石移动规律的数值计算与系统模拟 岩石移动规律的研究有理论分析法、实验室研究方法与数值模拟方法。 理论分析为实验研究与数值模拟提供了指导，对比较简单的问题通过分析推导可以得到解析解或闭合形式解，但能得到这种解的情况很少。 对岩体介质物理性质的认识离不开实验研究。 现场原位实验与现场测试、实验室的岩石试件实验与相似材料的模拟实验，都是我们逐渐认识工程岩体介质不可缺少的途径。 数值方法引入岩石移动规律的研究之后就成为了一种非常有效地研究手段，而且随着计算机及计算技术的发展，数值方法必将越来越显示其重要性。 一、数值计算与系统模拟常用方法简介 1 有限元法 有限元法分析问题的一般步骤为： 将结构离散化，即将所分析的结构分割成有限元单元体，使相邻单元仅在节点处相连接，分析对象由这个单元结合体代替原有结构。 单元分析。 求单元刚度矩阵 集合刚度矩阵及载荷向量，并引入支撑条件组成有限元方程组 求解有限元方程，求得节点位移 计算单元内部各点的应变及应力 2 差分法 遵循力的平衡原理，加上组成结构材料的本构关系和应变、位移的几何协调关系可以导出微分方程。用差分来近似地表示各阶微分。对于每一个间距点可建立差分方程，结合边界条件则可得到以各间距点上函数值为基本未知量的代数方程组，解此方程组可得各间距点上的函数值。 3、加权残值法 大量工程的分析问题，往往可归结为在一定边界条件或初始条件下求解微分方程。在实际工程中，由于结构的复杂性和边界条件的不规则性，通常需借助于数值解。加权残值法的基本思想是假设包含有特定常数的试函数，这一试函数当然不一定是，而且往往不是原微分方程的精确解，代回原方程时便出现误差，即残值。可以按一定的规则去消除残值，消除残值的过程可以得到一系列代数方程，求解这些代数方程组，便可求得试函数中的待定系数，从而求得近似解。 4、边界元法 边界元法是一种解偏微分方程定解问题的数值方法，其特点是只对边界进行离散，可以降低问题的维数，从而提高了计算效率，节省工作量。此外还可适用于无限域、应力集中等问题，因而受到重视。边界元法要采用弹性力学问题的基本解，所以实质上也是一种半解析数值方法。 第二节 矿山压力及其控制的系统模型 一、巷道围岩支护系统的特点 系统论认为，系统是物质存在的形式，世界上没有离开系统的物质。系统是具有特定功能的、相互间具有有机联系的诸要素所构成的一个整体，它存在于环境包围之中，环境是系统外界事物及诸要素的集合。将系统论原理用于巷道支护，进行分析研究，可以得出许多有意义的结论，指导设计施工，并有更高的水平认识巷道支护。 1、巷道支护系统功能及构件要素分析 输入、转换机构和输出是构成系统的三要素。 用系统论来考察巷道支护，发现也确实存在这样一个系统，即由围岩、支护和环境三个子系统构成的围岩—支护系统，它来源于人类改造自然的需要。 具体功能是：承受构造应力、自重应力、采动应力、爆破震动等各种载荷及地下水、空气等的作用，保持巷道在服务年限内的安全稳定，以满足通风、行人、运输、排水、铺设管线等要求。 围岩是指开挖后发生扰动、应力状态发生较大变化的巷道周围一定范围的岩体，一般是巷道半径的3~5倍，根据所处的地质条件，可以是一种或几种岩层。 支护是指为了加固、支撑围岩而采取的某种或某几种支护方式，主要包括砌碹、各种支架、锚杆、喷射混凝土、铺网等支护或注浆加固。 环境包括自然环境、工程技术环境和社会经济环境。 该系统的输入主要是地应力、外界震动等各种载荷以及地下水、空气的作用等；输出包括围岩和支护的变形、破坏、风化、锈蚀、抵抗地应力、防渗漏水、保持巷道稳定的功能等。 2、巷道围岩—支护的特点 （1）围岩—支护系统是复合系统 （2）围岩—支护系统是开放子系统 （3）围岩—支护系统是动态系统 （4）围岩—支护系统是灰色系统 3、系统科学原理的应用 （1）整体性与相关性原理 （2）结构性原理 （3）动态性原理及反馈原理 （4）最优化原理 二、巷道围岩与支护相互作用模型 控制论观点：围岩和支架是对立统一的两个子系统，二者具有控制论的一般属性。 因为：它可以通过改变系统内部状态和外部行为，系统具有明确的因果性和反馈性。 1巷道围岩与支护相互作用模型 其中：弹性模型 开尔文模型 粘塑性模型 2、围岩和支护相互作用的控制模型推导 ①状态变量为X，令X1=ε1，X2=ε2，X3=ε3。 ②输入控制变量V，令V1=σ，V2=P(u)，V3=f3。 ③输出变量Y，Y=X1+X2+X3