煤礦井工開采前，地下巖體由于自重引起的應(yīng)力（通常稱為“原巖應(yīng)力”）是處于平衡狀態(tài)的，但在開掘巷道或進(jìn)行回采工作時(shí)，破壞了原來(lái)的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起巖體內(nèi)部的應(yīng)力重新分布，從而會(huì)產(chǎn)生各種力學(xué)現(xiàn)象，如頂板跨落、下沉、地板鼓起、巷道變形地表沉陷等礦山壓力顯現(xiàn)，會(huì)給煤礦井工開采工作造成不同程度的危害。本文對(duì)現(xiàn)有的幾種礦壓研究方法進(jìn)行了分析，以達(dá)到對(duì)從事礦山壓力研究者的啟示。

1.實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法

1.1 介質(zhì)力學(xué)性試驗(yàn)

介質(zhì)力學(xué)性試驗(yàn)主要是選用完整的巖塊作為試件，這種試件一般不包含節(jié)理裂隙，因?yàn)樵谝粋€(gè)小試樣中的節(jié)理、裂隙是隨機(jī)的，不具有代表性，所以各種強(qiáng)度都不是巖石的固有性質(zhì)，而是一種指標(biāo)值。為了保證不同的巖石強(qiáng)度所獲得的巖石強(qiáng)度指標(biāo)具有可比性，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)對(duì)巖石強(qiáng)度試驗(yàn)所使用的試件的形狀、尺寸、加載速率和濕度等影響因素制定了標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不符合標(biāo)準(zhǔn)試件和標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件所獲得的強(qiáng)度指標(biāo)值，必須根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)作相應(yīng)的修正，這種試驗(yàn)方法主要有單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、抗剪切強(qiáng)度試驗(yàn)、破壞后強(qiáng)度試驗(yàn)等。

1. 2 相似材料模擬試驗(yàn)

相似模擬實(shí)驗(yàn)是以相似理論為基礎(chǔ)的模型試驗(yàn)技術(shù)，是利用事物或現(xiàn)象間存在的相似和類似等特征來(lái)研究自然規(guī)律的一種方法，可以人為控制和改變實(shí)驗(yàn)條件，從而可以確定單因素和多因素條件下對(duì)所模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，從而根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可得出一些特定條件或普遍條件下的一般性規(guī)律。它特別適用于那些難以用理論分析的方法獲取結(jié)果的研究領(lǐng)域，同時(shí)也是一種用干對(duì)理論研究結(jié)果進(jìn)行分析和比較的有效手段。相似模擬試驗(yàn)的成功主要取決于下列條件：①研究問(wèn)題的本質(zhì)。有明確的科研思路及試驗(yàn)?zāi)康模鼙荛_次要、隨機(jī)的因素對(duì)研究對(duì)象的影響，突出其主要矛盾；②試驗(yàn)要以相似理論為根據(jù)，尤其是在研究過(guò)程中起決定作用的參數(shù)，要充分反映在相似準(zhǔn)則中，盡可能滿足邊界、起始等單值條件；③要有相應(yīng)的設(shè)備作基礎(chǔ)，包括試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)試儀器等裝置，設(shè)備應(yīng)大、中、小相結(jié)合，重要的工程項(xiàng)目的模擬通常要用設(shè)備完善、測(cè)試精密的大型試驗(yàn)臺(tái)來(lái)完成，而屬于定性、機(jī)理方面規(guī)律性的探討，則可在設(shè)備較為簡(jiǎn)單和投資較少的中、小型試驗(yàn)臺(tái)上反復(fù)進(jìn)行；④要有嚴(yán)格的科學(xué)的工作態(tài)度，模型制作工藝規(guī)格化，測(cè)試記錄認(rèn)真，減少誤差，使試驗(yàn)成果具有更高的可信度，即使有某些干擾因素影響產(chǎn)生系統(tǒng)性誤差，也應(yīng)采取措施消除、減輕以至加以改正。

1. 3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)量

煤礦井工開采測(cè)量的應(yīng)力主要有原始應(yīng)力、井巷圍巖應(yīng)力和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力。由于這些應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性和多變性，要比較準(zhǔn)確地測(cè)定某一地區(qū)的應(yīng)力，就必須進(jìn)行充足數(shù)量的“點(diǎn)”測(cè)量，在此基礎(chǔ)上，才能借助數(shù)值分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)、灰色建模、人工智能等方法，進(jìn)一步描繪出該地區(qū)的全部地區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)。依據(jù)測(cè)量基本原理的不同，可將測(cè)量方法分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法兩大類。其中直接測(cè)量法包括扁千斤頂法、剛性包體應(yīng)力法、水壓致裂法、聲發(fā)射法；間接測(cè)量法包括全應(yīng)力解除法、局部應(yīng)力解除法、松弛應(yīng)變測(cè)量法、孔壁崩落測(cè)量法、地球物理探測(cè)法等10多種方法。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)巖層移動(dòng)變形的監(jiān)測(cè)

地下開采引起的巖層與地表移動(dòng)，是從工作面直接頂板開始，并且逐漸向上發(fā)展直至地表。因此要了解巖體在開挖后的移動(dòng)變形規(guī)律，實(shí)地觀測(cè)是最基本的手段，巖層移動(dòng)變形的監(jiān)測(cè)工作，主要是在工作面周圍及其巷道中和鉆孔中進(jìn)行，根據(jù)不同的觀測(cè)目的和觀測(cè)條件選擇觀測(cè)的地點(diǎn)和方法。主要方法為工作面頂板移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)、覆巖內(nèi)部移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)、巷道圍巖移動(dòng)與變形監(jiān)測(cè)、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測(cè)、地表移動(dòng)變形的監(jiān)測(cè)等。

2.數(shù)值分析與仿真模擬方法

將現(xiàn)代工程數(shù)值計(jì)算方法應(yīng)用千巖土工程的分析與設(shè)計(jì)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的，應(yīng)該說(shuō)對(duì)于形狀規(guī)則介質(zhì)均勻的結(jié)構(gòu)分析，解析法能夠提供較為準(zhǔn)確的分析結(jié)果。然而，巖體作為一種工程地質(zhì)介質(zhì)， 在工程影響的范同內(nèi)，由于涉及到不同的巖層、軟弱帶及結(jié)構(gòu)面，往往表現(xiàn)為強(qiáng)烈的非均質(zhì)性，加之實(shí)際工程情況又是十分復(fù)雜多樣的，傳統(tǒng)的解析法必然遇到難以克服的困難。在這種情況下，通常 有兩種可供選擇的途徑：其一是模擬試驗(yàn)的方法，其二是數(shù)值解法。近年來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及和發(fā)展，數(shù)值方法獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并且已滲透到科學(xué)與工程技術(shù)研究的各個(gè)領(lǐng)域，成為工程人員必不可少的分析工具。在巖石力學(xué)領(lǐng)域常用的數(shù)值分析方法主要包括有限元法、邊界元法、離散元法等。

2.1 有限單元法

有限單元法實(shí)際上是變分法的一種特殊的有效形式。其基本思想是：把連續(xù)體離散化為一系列鄰接單元，每個(gè)單元內(nèi)可任意指定各種不同的力學(xué)性質(zhì)，從而可以在一定程度上更好地模擬巖體地實(shí)際情況，特殊的“節(jié)理”單元可以有效地模擬巖體結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性。這種方法的成功與否主要取決兩個(gè)因素：一是對(duì)巖體材料的認(rèn)識(shí)程度，即能否正確確定計(jì)算參數(shù)的問(wèn)題；二是能否正確選定計(jì)算模型的問(wèn)題。

2. 2 邊界元方法

邊界元方法是建立干微分方程本身的一種數(shù)值計(jì)算方法，在處理線彈性問(wèn)題上具有巨大的優(yōu)越性。其基本思想是：由于大量的工程問(wèn)題最終歸結(jié)為求解一個(gè)或一組微分方程，這類方程只在極少數(shù)情況下才可能有精確解，邊界單元法就是首先把問(wèn)題的微分方程轉(zhuǎn)化為邊界積分方程。由于實(shí)際問(wèn)題的復(fù)雜性，直接由邊界積分方程解析的求解未知函數(shù)是非常困難的，所以，通常通過(guò)數(shù)值方法得到未知函數(shù)的近似解。

2. 3 離散元方法

離散元方法適用于研究在準(zhǔn)靜力或動(dòng)力條件下的節(jié)理系統(tǒng)或塊體集合的力學(xué)問(wèn)題，能夠分析變形連續(xù)和不連續(xù)的多個(gè)物體的相互作用問(wèn)題、物體的斷裂問(wèn)題以及大位移和大轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題，能夠處理范圍廣泛的材料結(jié)構(gòu)關(guān)系、相互作用準(zhǔn)則和任意幾何形狀。它是一種顯式求解的數(shù)值方法，該方法與在時(shí)域中進(jìn)行的其他顯式計(jì)算相似。由于用顯式法時(shí)不需要形成矩陣，因此可以考慮大的位移和非線性，而不用花費(fèi)額外的計(jì)算時(shí)間。

2.4 仿真模擬方法虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)是一門以系統(tǒng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合各應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用中的需要，逐漸發(fā)展起來(lái)的邊緣性技術(shù)，同時(shí)它也是一門實(shí)驗(yàn)性科學(xué)，隨著各門學(xué)科的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真也得到日新月異的發(fā)展，已成為近年來(lái)十分活躍的新興技術(shù)，為礦山壓力研究提供了新手段。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)在航空航天、軍事 科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)平衡 衛(wèi)生醫(yī)療等領(lǐng)域已經(jīng)得到成功的應(yīng)用，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

2.5 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)的優(yōu)越性

現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(shí)仿真是以系統(tǒng)理論、形式化理論、 隨機(jī)過(guò)程與統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)具有不確定性因素的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)或未來(lái)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究的理論和方法，在求解巖層控制學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)中，系統(tǒng)仿真具有很好的優(yōu)越性：①系統(tǒng)仿真技術(shù)已成為繼理論分析和實(shí)物試驗(yàn)之后，認(rèn)識(shí)客觀世界規(guī)律性的新型手段，它可以將研制過(guò)程、運(yùn)行過(guò)程和實(shí)施過(guò)程放在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，具有良好的可控制、無(wú)破壞性、可復(fù)現(xiàn)性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)；

②系統(tǒng)仿真在理論上體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)思考的方法論，用它可以探索高技術(shù)領(lǐng)域和復(fù)雜系統(tǒng)深層次的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和規(guī)律性，給出人們直觀邏輯推理不能預(yù)見的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征，具有科學(xué)的先驗(yàn)性；③對(duì)于包含多種隨機(jī)因素的復(fù)雜系統(tǒng)，通常難以用數(shù)學(xué)模型或解析方法作精確地描述和求解，系統(tǒng)仿真則可根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯關(guān)系和數(shù)學(xué)關(guān)系，面向系統(tǒng)的實(shí)際過(guò)程和行為來(lái)構(gòu)造仿真模型，在很少假設(shè)或不作假設(shè)的前提下建立包括系統(tǒng)主要因素和具體細(xì)節(jié)的模型框架，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，得到復(fù)雜系統(tǒng)的解，因而被稱為科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中“最后的方法”④系統(tǒng)仿真建模具有面向過(guò)程的特點(diǎn)，仿真模型與所研究系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程在形式上和邏輯上存在對(duì)應(yīng)性，避免了建立抽象數(shù)學(xué)模型的困難，顯著簡(jiǎn)化了建模過(guò)程。

3.結(jié)語(yǔ)

由于礦山壓力的影響因素是多種多樣的，顯現(xiàn)規(guī)律是復(fù)雜的，而且目前所有的礦山壓力研究方法都不夠完善，還沒有一種研究方法可以全面地、系統(tǒng)地研究礦山壓力各方面問(wèn)題。因此，從礦山壓力的特點(diǎn)出發(fā)，綜合采用實(shí)驗(yàn)室研究、現(xiàn)場(chǎng)研究、數(shù)值分析研究、計(jì)算機(jī)仿真模擬研究，井以現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用修正為輔的綜臺(tái)性研究方法，將是未來(lái)煤礦井工開采過(guò)程礦山壓力研究的主要有效方法。