产品介绍 | 智能化矿山数值模拟与仿真联合实验室
发布时间：
2026-02-03
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当前，矿山安全治理正处于由传统管理模式向模型驱动、数字预控的现代模式转型的关键阶段。运用数值模拟与仿真技术，对灾害演化过程进行高精度推演与风险可视化预警，既是应对复杂多变的矿山安全挑战的迫切需要，也是构建行业长效安全治理体系、推动安全防控能力现代化的必然路径。
智能化矿山数值模拟与仿真联合实验室（以下简称“联合实验室”）于2023年11月正式成立，由北京大学南昌创新研究院（以下简称“北大南昌院”）与北京龙软科技股份有限公司联合共建。实验室聚焦矿山安全生产中的关键问题，致力于研发自主可控的多物理场耦合仿真引擎，并结合龙软云GIS平台，围绕矿压灾害、瓦斯治理、水害防治、粉尘防控等典型应用场景，构建覆盖“地质构造—开采活动—灾害演化”全过程的智能化矿山灾害防控体系，为矿山安全生产提供科学、精准的智能决策支持，助力我国矿山灾害防治实现从“经验防控”向“数字预控”的战略转型。
2025年以来，联合实验室在仿真引擎研发、求解器拓展、并行计算优化及工程验证等方面取得一系列阶段性重要进展，初步建成具有自主知识产权、兼顾计算精度与运行效能的数值模拟技术体系，为智能化矿山建设提供了可靠的仿真工具与科学决策依据，进一步夯实了矿山安全数字化转型的技术基础。
一、软件架构的全面优化与升级
在软件架构层面，联合实验室完成了系统的全面重构与升级。新版软件架构支持命令行交互模式与基于Web界面的可视化仿真操作，实现了与龙软GIS系统的深度数据互通。这一升级显著增强了系统的灵活性、可扩展性与用户友好性，为多场景协同仿真与工程应用提供了统一高效的技术平台。
图1 web操作界面
二、岩土力学求解器的功能拓展
在矿压应用场景方面，联合实验室成功开发出针对煤矿工作面回采过程的动态仿真功能，实现了矿山地质灾害动力学演化过程的高精度模拟。研究团队构建了线弹性、Mises Plastic、Mohr-Coulomb、Cam-Clay、Modified Cam-Clay等多种岩土体本构模型，为不同力学行为下的复杂岩土工程仿真奠定了全面的理论支撑。在仿真过程中，该系统能够精确标识开挖扰动引起的地层塑性区，有效区分剪应力与拉应力导致的破坏类型，并对复合型破坏区域进行可视化标记，从而完成回采开挖全过程的多方案动态对比与优化分析。
图2 矿压岩土应用场景
针对工作面回采中出现的顶板下沉问题，实验室研发了多种接触算法，用于模拟顶底板间的复杂力学行为，并可依据具体问题选用显式动力学求解器或准静态求解器，增强了仿真策略的适应性。此外，新开发的锚杆支护模块进一步拓展了系统在巷道支护仿真中的应用范围，该模块实现了锚杆节点与岩体实体单元的解耦，支持在任意位置嵌入杆单元，结合塑性本构模型模拟锚杆在弹性、塑性乃至断裂等多种工况下的力学响应，完成了锚杆—围岩体系的高效非线性力学仿真。
图3 工作面回采模拟（剖面图）与巷道支护
针对工作面回采的顶板垮落问题，联合实验室团队开发了基于SPH的岩体仿真模块。通过对地层进行粒子化建模，SPH方法能够有效地仿真岩体的连续-不连续过程，表征岩体受力发生断裂和剥离的现象，实现因回采导致的顶板垮落问题的仿真。该模块是基于CPU-GPU并行架构开发，在模拟工作面回采和覆岩运移的动态演化过程上具有出色的性能表现。
图4 顶板垮落SPH模拟
三、水动力学求解器的拓展
在地下渗流研究领域，联合实验室自主研发了基于有限体积法的渗流仿真模块。该模块在典型场景中展现出与主流商业软件相当的模拟精度，能够为矿山地下水渗流场模拟提供有效的分析手段。该模块有助于刻画采动影响下渗流场的动态演化趋势，支持对工作面突水风险区域及危险时段进行定量评估，并可对不同防治工程方案的实施效果开展可视化对比分析，从而为矿山防治水工程的方案研究与决策优化提供有价值的数值参考依据。
图5 瞬态渗流孔隙压力场与商业软件结果对比
实验室开发的基于光滑粒子动力学（SPH）的巷道突水三维模拟系统，能够高精度仿真突水灾害全过程。该系统可用于分析不同突水条件下突水发生的场景演化，评估突水影响的时空范围与破坏强度，并为巷道防水设计、应急疏散路径规划及抢险方案制定提供关键的科学依据和可视化决策支持。
图6 三维巷道突水模拟
实验室基于有限体积法与Saint-Venant方程研发了一维巷道水动力快速模拟系统，该系统可用于模拟巷道突水工况下的水流演进、局部积水及非恒定流传播过程，支持对突水条件下的水位变化趋势、流量分布特征及淹没演进时间进行预测分析。该系统有助于为矿井防灾规划、排水系统优化、应急路径设计及突水风险评估提供数值模拟参考与工程决策支持。
图7 一维巷道流水位随时间变化图
通过结合SPH方法的精细化三维模拟能力与一维有限体积法的高效预测特性，本团队构建了一套覆盖“机理研究-快速评估”的多尺度数值模拟体系，分别在巷道突水机理分析与河道洪水演进预测中发挥了重要作用，显著提升了相关领域工程问题的模拟实用性与决策支持能力。
四、基于OpenMP和GPU的并行加速
在计算性能方面，联合实验室通过引入多层次并行技术大幅提升了仿真效率，包括基于OpenMP的全程序加速与代数方程组求解优化，以及支持GPU并行计算的代数方程组加速模块，显著增强了大规模仿真任务的处理能力。
五、更多数值仿真案例入库
在案例验证阶段，团队开展了大量标准案例的对比测试，仿真结果与主流商业软件高度一致；同时，基于真实煤矿地层模型的仿真应用进一步验证了系统在复杂工程场景中的准确性与实用性，为智慧矿山建设提供了有力的技术支撑。
图8 全尺寸工作面回采模拟
图9 全尺寸工作面回采模拟
六、多项知识产权成果
在过去一年的发展中，智能化矿山数值模拟与仿真联合实验室围绕矿山安全与智能决策的关键需求，形成了多项具有自主知识产权的成果，包括：
发明专利：
一种面向矿山的有限元法蠕变材料接触计算方法
一种面向智慧矿山的断层的几何建模方法、
一种岩体基质-裂隙-巷道瓦斯扩散的数值模拟方法
智慧矿山物性参数实时反演与煤层开采模拟实时优化方法
软件著作权：
基于XML文件格式的数值仿真求解器界面软件
高水平论文：
基于光滑粒子法的多物理场耦合模拟研究进展
A Mulit-stage Bayesian optimization algorithm for physical parameter inversion in overlying strata of mined-out areas
这些重要成果，标志着联合实验室在关键技术自主研发与工程化应用方面迈出了坚实步伐。通过构建覆盖“地质构造—开采活动—灾害演化”全链条的一体化仿真技术体系，实验室正逐步推动矿山安全防控从经验依赖向数据驱动、从被动应对向智能预控的深刻转变。未来，联合实验室将持续深化多物理场耦合仿真核心能力，拓展技术应用的广度与深度，为矿山行业数字化转型与长效治理体系建设提供更加坚实的科学工具与决策支撑，助力我国矿山安全治理迈向精准化、智能化新阶段。
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