劉溪鴿，朱萬成，魏　炯，關(guān)　凱

(東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819)

巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法用于采礦工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)探討與教學(xué)實(shí)踐

劉溪鴿，朱萬成，魏炯，關(guān)凱

(東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819)

摘要：結(jié)合采礦工程特點(diǎn)以及巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法的發(fā)展現(xiàn)狀，分別從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與人才培養(yǎng)三個(gè)方面對數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應(yīng)用問題展開探討。采礦工程在力學(xué)背景、工程穩(wěn)定性要求及價(jià)值目標(biāo)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(xué)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(dǎo)致數(shù)值模擬方法在預(yù)測巖石力學(xué)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(xué)問題對計(jì)算及預(yù)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(yù)測的精確度“上限”達(dá)到采礦工程需要的“下限”即是其成功的應(yīng)用。巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法預(yù)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(jī)會(huì)成本及決策風(fēng)險(xiǎn)控制因素對礦山企業(yè)應(yīng)用巖石力學(xué)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(qiáng)巖石力學(xué)教育，為礦山企業(yè)輸送具有較高巖石力學(xué)素質(zhì)的采礦工程師，將是引領(lǐng)礦業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要組成部分。

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

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，巖石力學(xué)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(yīng)用。

關(guān)于巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法，王芝銀等[1]認(rèn)為數(shù)值分析方法是解決巖石力學(xué)與工程問題的重要工具；劉懷恒[2]提出，隨著計(jì)算機(jī)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(yīng)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(yīng)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(dāng)前常用的幾種巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法的優(yōu)越性與局限性。文獻(xiàn)[12]、[13]從提高礦石產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益的角度論證了巖石力學(xué)在采礦工程領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)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(xué)實(shí)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(xué)數(shù)值模擬方法各自的特點(diǎn)，分別從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與人才培養(yǎng)的角度對數(shù)值模擬方法在采礦工程中應(yīng)用展開探討與綜合評價(jià):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(shí)際問題，這有賴于技術(shù)本身的發(fā)展；經(jīng)濟(jì)層面指應(yīng)用該項(xiàng)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(xué)實(shí)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(xué)數(shù)值模擬方面的人才，為巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法應(yīng)用與采礦工程實(shí)踐搭建橋梁。

1采礦工程的一些特點(diǎn)

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(diǎn)。

首先，力學(xué)背景不同[18]。一般巖石工程往往存在或者追求一個(gè)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(xué)平衡和建立新的力學(xué)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(jì)；而采礦工程對工程穩(wěn)定性的要求在時(shí)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(jià)值目標(biāo)不同。一般巖石工程在實(shí)現(xiàn)一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值的基礎(chǔ)上通常兼具比較廣泛的社會(huì)效益，甚至社會(huì)效益是其主要價(jià)值目標(biāo)，因此工程投資較大；而采礦工程是在安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益的最大化，經(jīng)濟(jì)效益是采礦工程的主要價(jià)值目標(biāo)，相比之下，其實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益的功能往往被弱化。

采礦工程的上述特點(diǎn)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(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)60、70年代以來，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和普及應(yīng)用，巖石力學(xué)進(jìn)入了嶄新的發(fā)展階段[19]?；谟邢拊⒂邢薏罘?、離散元等理論的多種數(shù)值模擬方法均借以計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，考慮動(dòng)態(tài)擾動(dòng)、蠕變破壞、滲流、瓦斯、多場耦合等復(fù)雜巖石特性的理論模型也不斷被提出和修正，同時(shí)，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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2.1數(shù)值模擬方法在采礦工程中應(yīng)用的一般步驟

采礦工程中的巖石力學(xué)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(zāi)害預(yù)防和治理等諸多方面的內(nèi)容。

借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行大規(guī)模數(shù)值模擬計(jì)算是巖石力學(xué)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(gè)步驟：地質(zhì)調(diào)查，包括地應(yīng)力、地下水、采空區(qū)、主要斷層帶等地質(zhì)條件調(diào)查；實(shí)驗(yàn)室研究，包括相關(guān)巖樣的物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)、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(yīng)力變化等，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)信息反饋到計(jì)算模型，進(jìn)一步分析計(jì)算；最后，綜合各部分工作結(jié)果得出最終結(jié)論。

巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法在采礦工程中應(yīng)用的一般步驟如圖1所示。

圖1　巖石力學(xué)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(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了飛躍式的進(jìn)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(huì)不可避免的引入模型誤差[20]。作為巖石力學(xué)研究的客體，巖體是一類疊加入地?zé)帷⒌叵滤?、地?yīng)力、瓦斯、地震破壞、人為爆破擾動(dòng)等一系列復(fù)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(cuò)，而基于巖石力學(xué)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(dá)到指導(dǎo)工程實(shí)踐的目的是數(shù)值模擬方法在工程應(yīng)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(yàn)人為選取的計(jì)算參數(shù)也會(huì)引起誤差[5,21]。例如，將實(shí)驗(yàn)室小巖石試樣的物理力學(xué)參數(shù)折算到較大規(guī)模巖體中進(jìn)行計(jì)算，會(huì)不可避免地引入誤差[6]；將有限范圍內(nèi)部分點(diǎn)位的地應(yīng)力等監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用于整體研究區(qū)域的計(jì)算分析，會(huì)產(chǎn)生誤差；用定量的參數(shù)表征時(shí)刻處于時(shí)空演化過程中的巖體，也會(huì)帶來誤差。

一般而言，數(shù)值模擬的模型越復(fù)雜、考慮的因素越多相對應(yīng)的計(jì)算參數(shù)也越多，計(jì)算參數(shù)的增多直接導(dǎo)致參數(shù)選取的難度增大，這反而易使計(jì)算結(jié)果的誤差產(chǎn)生累積放大效應(yīng)。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(fù)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?yàn)閿?shù)值模擬方法在計(jì)算巖石力學(xué)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(yù)測精確度(可靠性)上存在著發(fā)展的“上限”。但是，巖石力學(xué)作為一門以指導(dǎo)巖石工程建設(shè)為研究背景的應(yīng)用性質(zhì)的學(xué)科，工程實(shí)用性是其追求的主要目標(biāo)[3,22]。巖石力學(xué)的這一屬性導(dǎo)致其對計(jì)算及預(yù)測精確度要求以滿足工程建設(shè)需要為根本標(biāo)準(zhǔn)，而不是無限制地追求精確度的提升，因此，實(shí)際上巖石工程建設(shè)需要計(jì)算及預(yù)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(xué)數(shù)值模擬方法精確度的“上限”達(dá)到或者接近工程建設(shè)需要的“下限”就是該方法的成功應(yīng)用。

此外，經(jīng)濟(jì)上的合理性是一項(xiàng)技術(shù)能否廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的重要前提，所以工程實(shí)際也需要考慮技術(shù)應(yīng)用效果與技術(shù)應(yīng)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(yīng)用中不可忽略的重要因素。

2.3數(shù)值模擬方法的應(yīng)用成本分析

應(yīng)用巖石力學(xué)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(gè)環(huán)節(jié)緊密相關(guān)，而且，各個(gè)環(huán)節(jié)和部分之間相互銜接、補(bǔ)充，共同實(shí)現(xiàn)對真實(shí)巖體的模擬計(jì)算，缺少任何一部分工作均會(huì)導(dǎo)致數(shù)值模擬的精確度(可靠性)受損失。

在一定范圍內(nèi)，應(yīng)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(huì)受到影響。

例如，應(yīng)用巖石力學(xué)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(yīng)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(chǔ)上增加地質(zhì)鉆孔以及布設(shè)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(yīng)力條件、巖體力學(xué)參數(shù)、斷層帶范圍等研究不清楚，即便在計(jì)算模型合理的情況下也會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)值模擬結(jié)果；另一方面，如果不投入資金進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，則數(shù)值模擬結(jié)果就得不到校驗(yàn)、力學(xué)演化過程也無法得到反饋修正，其計(jì)算的精確度(可靠性)也沒有辦法保證。

此外，當(dāng)應(yīng)用巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法的成本投入達(dá)到某一閾值的情況下，也會(huì)產(chǎn)生類似經(jīng)濟(jì)學(xué)中“邊際效益”遞減的效應(yīng)，即數(shù)值模擬方法的精確度隨著成本投入的增加不會(huì)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(yīng)用數(shù)值模擬方法的決策考慮

基于巖石力學(xué)理論的數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應(yīng)用涉及一整套系統(tǒng)性的工作，因此，其應(yīng)用存在著一定的技術(shù)門檻。目前，中國的巖石力學(xué)研究機(jī)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(xué)數(shù)值模擬及分析的能力。礦山企業(yè)一般以科研立項(xiàng)、與科研機(jī)構(gòu)合作的方式實(shí)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(huì)經(jīng)營組織，其決策的根本目標(biāo)是在保證安全生產(chǎn)的前提下采出最多的礦石、實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益，而巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法只是礦山企業(yè)達(dá)到此目標(biāo)的手段之一。雖然該方法在巖石工程領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用成績斐然，但就采礦工程而言，實(shí)際上大部分生產(chǎn)活動(dòng)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(yàn)可以解決的大部分巖石力學(xué)問題，只有在經(jīng)驗(yàn)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(jī)構(gòu)做巖石力學(xué)數(shù)值模擬研究以實(shí)現(xiàn)解決問題的目的，主要涉及兩方面的經(jīng)濟(jì)考慮：即應(yīng)用該方法的機(jī)會(huì)成本和礦山企業(yè)決策的風(fēng)險(xiǎn)控制。

首先，借助醫(yī)院信息化系統(tǒng)，專責(zé)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(gè)步驟節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析等候時(shí)間較長的原因。

3.1機(jī)會(huì)成本因素

礦山企業(yè)面對生產(chǎn)實(shí)踐中出現(xiàn)的巖石力學(xué)問題，其解決思路大致可以分為兩種：其一，企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)及技術(shù)人員憑借多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)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(xiàng)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(xué)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(yàn)直接提出解決問題的方案，應(yīng)用數(shù)值模擬方法輔助決策和解決問題，雖然更加科學(xué)合理，但這無疑增加了生產(chǎn)成本。

機(jī)會(huì)成本是指在面臨多方案擇一決策時(shí)，被舍棄的選項(xiàng)中的最高價(jià)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(jī)會(huì)成本常常很高，一方面這與巖石力學(xué)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(shí)現(xiàn)提高經(jīng)濟(jì)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(xué)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(xué)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(dāng)?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(shí)，采用數(shù)值模擬方法解決問題的機(jī)會(huì)成本容易很高，這是礦山通常采用經(jīng)驗(yàn)決策而非巖石力學(xué)方法的重要原因。

3.2風(fēng)險(xiǎn)控制因素

礦山企業(yè)委托科研機(jī)構(gòu)做數(shù)值模擬的另一方面考慮是實(shí)現(xiàn)部分風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移。

一般而言，礦山的巖石力學(xué)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(yàn)確定工程安全性的風(fēng)險(xiǎn)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(shí)現(xiàn)部分風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移的意愿均比較強(qiáng)烈，通過委托科研機(jī)構(gòu)做巖石力學(xué)研究的方式便是一個(gè)較好的選擇。

礦山的生產(chǎn)事故，尤其是人員的傷亡事故，會(huì)對礦山企業(yè)的正常運(yùn)營帶來非常大的負(fù)面影響，在極端情況下甚至可以導(dǎo)致企業(yè)停產(chǎn)、破產(chǎn)，這就促使礦山企業(yè)決策時(shí)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(xué)問題越復(fù)雜、企業(yè)承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)越大，這些內(nèi)部動(dòng)因間接促進(jìn)了巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應(yīng)用。

4高等院校采礦工程的人才培養(yǎng)

采礦工程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，各個(gè)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)都可以吸收利用。同計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在采礦工程領(lǐng)域的廣泛普及應(yīng)用一樣，巖石力學(xué)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(xué)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(xué)數(shù)值模擬方法是提高采礦教學(xué)質(zhì)量的重要手段

在采礦工程技術(shù)的發(fā)展中，力學(xué)將始終扮演著重要的角色[24]。在傳統(tǒng)的采礦工程教學(xué)(尤其是本科生教學(xué))中，力學(xué)雖然被作為采礦專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行教育，但是將力學(xué)教學(xué)與采礦方法教學(xué)在課程設(shè)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(dǎo)致學(xué)生體會(huì)不到力學(xué)在采礦工程中的重要地位，當(dāng)學(xué)生走出校門步入工作崗位后，仍然將實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)作為采礦生產(chǎn)設(shè)計(jì)的唯一準(zhǔn)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(xué)數(shù)值模擬方法的教學(xué)方式優(yōu)勢明顯。數(shù)值模擬一方面以巖石力學(xué)為基礎(chǔ)，可以讓學(xué)生真正體會(huì)到力學(xué)在采礦工程中的重要地位；另一方面將采礦方法與力學(xué)知識(shí)相結(jié)合，用可視化的計(jì)算結(jié)果解釋采礦工程的實(shí)際問題，可以引發(fā)學(xué)生興趣、提高教學(xué)質(zhì)量。

巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法還具有技術(shù)成本低、可重復(fù)操作的特點(diǎn)，可以作為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)習(xí)的重要補(bǔ)充。

4.2巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法是未來采礦人才的必備知識(shí)技能

實(shí)際上，巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應(yīng)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(jià)計(jì)算與監(jiān)測結(jié)果給出建議。

此外，從礦山企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的角度考慮，外部科研人員的長期進(jìn)駐、調(diào)研對礦山企業(yè)的生產(chǎn)會(huì)有諸多干擾，同時(shí)也增加了人員管理的成本。因此，擁有自己巖石力學(xué)人才隊(duì)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(xué)數(shù)值計(jì)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(xué))一直在引領(lǐng)人類科學(xué)技術(shù)進(jìn)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(dān)了相關(guān)課題的理論研究任務(wù)，另一方面也具有培育人才的社會(huì)功能。在科學(xué)研究成果應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)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(xué)數(shù)值模擬方法在采礦工程中的廣泛應(yīng)用提供了人才保障。

5建議與討論

首先，巖石力學(xué)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(yīng)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(xué)化是人類自然科學(xué)發(fā)展的必由之路，而以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬方法是現(xiàn)代數(shù)學(xué)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(xué)技術(shù)的發(fā)展水平。數(shù)值模擬方法被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究與應(yīng)用的各個(gè)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(jìn)性。因此，采礦工程排斥或否定數(shù)值模擬方法作用及價(jià)值的觀點(diǎn)有失偏頗。而且，隨著巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法的不斷發(fā)展及相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的持續(xù)積累，其應(yīng)用效果會(huì)逐漸提升，應(yīng)用成本也會(huì)適當(dāng)降低，這對數(shù)值模擬方法在采礦工程領(lǐng)域的應(yīng)用有積極的促進(jìn)作用。

其次，工程實(shí)用性是采礦工程領(lǐng)域應(yīng)用巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法的根本目標(biāo)。

經(jīng)前文論述，巖石力學(xué)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(xué)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(yīng)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(xué)數(shù)值模擬方法的精確度“上限”達(dá)到或者接近工程建設(shè)需要的“下限”就是該方法的成功應(yīng)用，那么在采礦工程應(yīng)用中不妨以降低工程需要的精確度“下限”為補(bǔ)償。例如，在保證巖石力學(xué)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(cuò)誤的前提下，可以通過增加相關(guān)工程維護(hù)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(dāng)降低對其計(jì)算結(jié)果精確度的要求?？傊鉀Q采礦工程問題的思路不應(yīng)囿于任何一種方法本身，一切以安全地實(shí)現(xiàn)問題解決并取得最大化的經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)。

再次，經(jīng)濟(jì)因素對巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法在采礦工程中應(yīng)用效果有較大影響，應(yīng)趨利避害。

隨著“以人為本”的科學(xué)發(fā)展觀念在全社會(huì)形成價(jià)值認(rèn)同并逐漸上升為相關(guān)的政策法規(guī)，這將導(dǎo)致礦山企業(yè)人員傷亡事故的風(fēng)險(xiǎn)損失大大提高。從風(fēng)險(xiǎn)控制的角度考慮，礦山企業(yè)決策也傾向于通過科研立項(xiàng)的方式與科研機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)，這間接促進(jìn)了巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法在采礦工程中的普及應(yīng)用。但是，目前除了國家資金投入的科研項(xiàng)目外，巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應(yīng)用大多以礦山企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行項(xiàng)目合作的方式實(shí)現(xiàn)，合作是在礦山企業(yè)盡量控制成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，這種成本控制的因素容易導(dǎo)致巖石力學(xué)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(fù)面影響。因此，在巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法應(yīng)用于采礦工程的過程中，經(jīng)濟(jì)因素的作用應(yīng)引起相關(guān)責(zé)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(yīng)注重巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法的教育，貼近采礦生產(chǎn)實(shí)際、引領(lǐng)礦業(yè)技術(shù)革新。

高等院校在大學(xué)本科生和研究生(尤其是工程碩士)的教學(xué)培養(yǎng)中，要貫徹巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法服務(wù)于工程實(shí)踐的理念。在開設(shè)“應(yīng)用巖石力學(xué)”、“計(jì)算巖石力學(xué)”、“巖石破裂過程數(shù)值實(shí)驗(yàn)”、“材料損傷與破裂”等課程的同時(shí)，需要加強(qiáng)巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法用于工程實(shí)踐的研究方法教育，提高學(xué)生這方面的認(rèn)識(shí)水平和現(xiàn)場操作能力，推進(jìn)巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法的現(xiàn)場應(yīng)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(huì)效益不同，采礦工程是以在保障安全的前提下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化為主要目標(biāo)。采礦工程的這一屬性對礦山企業(yè)是否采用巖石力學(xué)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(dāng)前巖石力學(xué)研究的重要手段之一，被廣泛應(yīng)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(dǎo)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(xué)數(shù)值模擬方法精確度的“上限”達(dá)到或者接近工程建設(shè)需要的“下限”就是該方法的成功應(yīng)用。解決工程實(shí)際問題可以從提高“上限”或降低“下限”兩個(gè)角度著眼，以達(dá)到用最低的成本實(shí)現(xiàn)最高效益的目標(biāo)。

巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法是一整套嚴(yán)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(chǔ)上成本較高，這使得巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移的訴求，客觀上促進(jìn)了巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應(yīng)用。

高等院校應(yīng)加強(qiáng)巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法在采礦工程教學(xué)實(shí)踐中的地位，為礦山企業(yè)輸送具有較高巖石力學(xué)素質(zhì)的采礦工程師，將是引領(lǐng)礦業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要組成部分。

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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(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號:51222401；51374049；51304037); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目資助(編號:N120101001；N120301002); 高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)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(xué)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(dǎo)師，主要從事巖石力學(xué)與工程方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：zhuwancheng@mail.neu.edu.cn。

中圖分類號：TD31;G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1004-4051(2016)01-0155-06