摘要：非煤矿山生产安全事故时有发生，不仅给人民的生命财产带来了巨大的损失，而且也给安全生产监管工作带来了极大的挑战。本文创新性的对有限元分析在非煤矿山生产安全和安全监管中的运用进行了论述，在非煤矿山开采施工前，需要借助有限元软件对开采方案进行数值模拟，根据模拟结果分析出矿山开挖后存在的安全风险隐患，以此对开采施工方案进行调整，从而得出最优的施工方案。也为安全监管部门针对性的制定安全监管计划、监管方案提供了科学的指导。不仅提高了监管效率，而且为进一步指导非煤矿山安全生产和安全监管提供了新的科学思路。

　　关键词：有限元；非煤矿山；安全生产；监督管理；数值模拟

　　采用统计、对比分析等方法为非煤矿山安全监管部门提供决策支撑，并提出了强化重点对象精准监管、严格安全生产条件、严控项目准人等意见，以此来减少非煤矿山安全生产事故的发生；从美国矿山安全健康监察局对矿山安全监管采取的有效措施和创新的安全监管体制机制等方面总结了美国矿山安全生产现状及安全经验；为防止危及生产安全的设备进入矿山生产过程，引起事故发生，应该加强金属非金属地下矿山可用产品安全标志管理，加强监管监察；影响金属非金属矿山安全生产的主要因素的缺乏完善的安全管理制度、安全设施、技术未能及时更新和强化、井下各项系统设置和布置不合理等方面，并提出了相关的管理对策；对作业环节中存在的主要隐患进行辨识，并运用统计分析方法，采取针对性的管理措施，以此降低矿山事故发生的概率；对金属非金属矿山事故多发时段、地域、类型及缘由等规律进行总结，并针对性的提出了相应的解决对策。对山东某金矿的安全生产情况进行了评价，分析了存在的问题和缺陷，并提出了相应的建议和解决方案。

　　以上研究主要从建立健全安全生产体制机制、对部分问题提出管理及解决方案、加强监管等方面入手，以此来减少安全生产事故的发生，为矿山安全生产做出了积极贡献。本文创新性的将有限元分析方法运用于非煤矿山生产安全和安全监管，将企业的生产安全与安全监管部门有机集合。不仅为企业安全生产提供技术指导，而且进一步具体了安全监管的重点环节，提高了监管效率。为减少生产安全事故的发生提供了新的思路和方法，是认真贯彻落实习*平总*记在中央*治局第十九次集体学习中强调的“运用依靠科技提高应急管理的科学化、专业化”的具体体现之一。

　　1有限元分析介绍

　　有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。具有运用范围广、计算精度高、可靠性强等特点。

　　基于以上特点，为了便于求解，解决实际工程问题，出现了大量的有限元软件，如ANSYS、Abaqus、Hypermesh、COMSOL Multiphysics等，运用这些软件，结合工程实际，对工程问题进行数值模拟分析，得出可视化的结果，为工程决策者提供有效的科学参考。

　　2有限元分析在非煤矿山安全生产中的运用分析

　　通过有限元分析，能够得出非煤矿山合理的回采顺序、开采参数和有效的矿山工程技术治理方案，进一步确保矿山高效、安全、经济的生产。

　　2.1非煤矿山地下矿山中的运用分析

　　顶板事故、机械伤害和中毒事故已经成为非煤矿山安全生产的主要事故。目前，有效加强监管、督促企业落实好安全生产主体责任是确保非煤矿山安全生产的重要方法途径。由于地下矿山地质环境极为复杂，运用现有的科技手段，很难精确的得出地应力分布、地层含水及地层构造等情况。因此，在矿山开采设计过程中，巷道的支护方式、支护参数的确定基本都是通过理想化的计算再结合一定的工程实践经验得出。因此，所得出的结果都是静态的，而矿山生产是一个动态的过程，需对矿山工程进行动态的管理。如果运用有限元分析就能够对矿山工程进行动态监测和预测，特别是在矿山采场巷道布置、巷道变形、通风管理及爆破方案优化等方面具有显著效果。

　　（1）巷道布置及巷道变形监测预警及处理措施。矿山在掘进生产过程中，由于工程扰动的影响，地层原岩应力平衡被打破，从而地应力将进行重新分布，引起各巷道断面所受的应力发生变化，出现部分巷道稳定、部分巷道变形较大、部分巷道因支护方式或者支付参数的不合理而垮塌，导致冒顶片帮事故时常发生。因此，巷道开挖前，应该根据矿山开采方案、开采设计中涉及到的相关物理力学参数，如巷道断面尺寸、矿层厚度、矿石物理力学性质、巷道推进方向、矿层埋深等，建立物理力学模型，并运用有限元软件对建立好的有模型进行模拟分析，得出开挖后巷道应力重分布和变形情况。工程技术人员根据应力分布及巷道变形情况对巷道的布置、参数的设定和支护参数、支护方位进行调整，得出最安全、经济的开采方案。

　　（2）爆破震动影响范围预测及预防措施。爆破是非煤矿山生产中风险较高的一个作业环节，因爆破作业而导致的顶板事故时有发生。为了提前弄清爆破震动的影响范围，根据爆破方案中设定的爆破参数结合矿山地应力大小、岩石物理力参数、矿山地质条件等，建立矿山爆破效果物理力学模型，并运用有限元分析软件对模型进行求解，得出爆破震动的影响范围和影响程度。一方面能够根据求解情况，对不合理的爆破方案进行优化，科学合理确定出炮眼布设参数、布设方式、装药量等，提高爆破效率，节约爆破成本；另一方面，为后续的清岩工作方案的制定和实施提供科学依据，极大的提高清岩效率和减少清岩风险。

　　（3）通风风阻预测及处理。科学的通风管理是确保地下矿山安全生产的重要前提，确保合格的风量、风速、风质是矿井通风管理的主要内容。矿山生产过程中，由于巷道掘进导致巷道长度的增加以及巷道变形的影响，巷道风阻变大，引起工作面的风量和风速不能满足要求，容易导致窒息事故；此外，矿山爆破作业后炮烟的流动路径、耗散时间、排烟效果均与巷道通风效率紧密相关，如果巷道通风系统不可靠，可能会导致中毒窒息事故的发生。因此，需要结合巷道布置情况、风机工作参数、作业人员数量、爆破参数等来建立矿井通风质量评估有限元模型，运用有限元模拟软件进行求解分析，得出通风系统风阻云分布图、风流流速云分布图以及炮烟耗散路径图等可视化直观图解。并以此为依据及时调整巷道断面、巷道形状，正确选用风机型号，准确设定风机运行参数，合理布设风窗尺寸，科学优化通风系统，提升通风效率。

　　2.2非煤矿山露天矿山中的运用分析

　　（1）边坡稳定性监管分析。边坡失稳是露天矿山安全生产的最大威胁之一，如何确保边坡稳定是非煤矿山生产安全的重点工作。目前，对于高陡边坡而言采用在线监测边坡稳定性是较为普遍和有效的做法。但在线监测具有成本高、专业性强等特点，需要企业配备有高素质的专业技术人员或者购买第三方服务作为支撑，对人才队伍要求高、资金投入大，对于效益较差的中小型矿山建立边坡在线监测系统不切实际。因此，在矿山生产前，根据矿山的开采参数、岩性、爆破参数等为依据，并考虑降雨、地震等多重因素作用下的应力分布与应变，通过建立符合企业实际情况的边坡稳定性有限元模型，精准找出应力集中区域以及可能出现较大变形的部位，安全监管部门可据此判断边坡是否存在失稳风险，针对性的督促企业提前采取诸如锚杆支护、坡面防护、削坡减载等防治措施，有效避免边坡坍塌事故的发生。随着矿山开采进程推进，边坡不断开挖、台阶逐级形成，边坡的形态、岩土体性质等都会发生变化。有限元分析可以结合现场监测数据，对边坡稳定性系数进行动态计算与监测。比如，根据不同的开采阶段（不同的台阶高度、坡面角度等情况），从而对开采方案进行优化，实时评估边坡的稳定性。安全监管部门依据稳定性变化趋势，及时要求企业调整开采作业方式或加强边坡维护，并制定出切实可行的边坡检查制度，指导工作人员对重点风险点加强检查。从而降低了中小型露天矿山因边坡失稳而造成的安全风险。

　　（2）爆破作业安全。爆破是中小露天矿山开采常用方式，而爆破产生的震动对周边环境影响较大。有限元分析可模拟爆破震动波在岩土体中的传播规律以及对周围岩体、附近建筑物（像矿山的值班室、周边居民房屋等）的影响范围和强度。企业据此能够科学合理地确定爆破安全距离、限定单次爆破的最大装药量等参数，防止因爆破震动过大导致边坡岩土体松动、周边建筑物墙体开裂等安全隐患，确保爆破作业安全开采。同时，有限元分析还能结合相关力学原理，对爆破产生的飞石运动轨迹、速度以及可能波及的范围进行预估。基于这些预估结果，监管部门可以要求矿山企业设置有效的飞石防护网、合理扩大并严格管控爆破警戒区域，避免飞石飞出警戒范围对现场作业人员、过往行人以及矿山设备造成伤害，最大限度降低爆破作业带来的意外风险。

　　2.3在尾矿库中的运用分析

　　（1）坝体稳定性分析。尾矿库坝体结构复杂，包含初期坝、堆积坝及不同粒度尾矿堆积层。运用有限元分析，考虑尾矿的物理力学特性（如重度、抗剪强度等）、坝体的结构形式（如初期坝、堆积坝等）以及库内水位变化等因素，建立尾矿库坝体的有限元模型，模拟分析坝体在正常工况以及洪水、地震等特殊工况下的应力、位移情况，计算坝体的稳定性系数，判断坝体是否满足安全要求，比如在洪水工况下，如果坝体的抗滑稳定性系数低于规定标准，就表明存在溃坝风险。

　　（2）渗流场模拟与渗漏风险评估。尾矿库内水位变化及渗流情况关乎坝体安全。有限元软件模拟尾矿堆积体渗流场，预测浸润线位置，分析不同防渗措施（土工膜防渗、帷幕灌浆等）下的渗流控制效果。一旦发现模拟结果显示浸润线过高接近坝面，预示着渗漏风险增大，需及时排查坝体防渗系统漏洞，采取反滤、导渗等补救措施，防止管涌、流土等渗透破坏导致坝体溃决。

　　（3）风险防范与应急预案制定。基于有限元分析得到的尾矿库坝体稳定性结果，制定相应的风险防范措施，如合理控制尾矿排放速度和堆积高度，确保坝体有足够的安全超高和干滩长度；设置有效的排洪设施，并定期对坝体进行加固和维护等。同时，还可以依据不同工况下坝体可能出现的破坏形式和破坏程度，制定科学合理的应急预案，以便在出现紧急情况时能够快速响应，最大程度降低尾矿库溃坝等事故造成的危害，保障周边区域的安全。

　　3有限元分析在安全监管中的运用分析

　　通过对地下矿山巷道、露天矿山边坡、尾矿库的安全监管探讨，安全生产监督管理部门除了需要加强对矿山图文资料的监督检查，更需要加强对矿山作业现场监督检查。因为安全事故基本是因为矿山现场管理混乱，未发现矿山现场隐患而引起的。因此，需要提前发现矿山现场可能存在的风险类型、风险点位置，制定出切实可行的检查计划和方案，针对性的督促企业加强对矿山现场的管理，对于减少安全生产事故尤为重要。

　　3.1制定科学的监督检查计划和方案

　　安全监督管理部门可以联合专业技术团队收集矿山岩土体的详细地质资料，包括岩石类型物理力学参数（如密度、弹性模量、内摩擦角等），了解矿山当前开采具体数据（台阶高度、坡面角度、爆破参数等）以及周边环境情况。借助有限元分析计算，查看应力云图和位移云图分析判断重点部位是否出现较为明确的应力集中区域以及位移异常点位等结果，判断出矿山可能发生的诸如边坡坍塌、山体滑坡、透水等灾害的发生过程和影响范围，及对矿山作业区域、人员、设备等的危害程度，安全隐患风险点进行分类，划分出风险等级，并根据风险等级制定出合理的监督检查计划和方案，以此来提高监管效率。还可利用有限元分析对应急处置过程中的关键环节进行模拟验证，比如救援人员在边坡坍塌现场开展救援工作时，分析现场岩土体的稳定性变化对救援行动的影响等。借此发现应急方案中可能存在的问题，进而对应急方案进行优化完善，确保在灾害发生时能够更安全、高效地开展救援工作，最大程度减少事故损失。

　　3.2督促矿山保质保量完成隐患整改

　　安全监管部门根据制定的检查方案对矿山企业进行检查时，可以针对矿山的风险点，判断矿山的隐患排查制度、应急预案是否可行。并重点检查通过有限元分析获取的风险点，对发现的问题，责令企业进行整改。在企业完成隐患整改后，需要对矿山企业对隐患的整改情况进行复查。在一些特定情况下，如何判断非煤矿山企业整改后是否符合要求，是否会影响其他生产系统，造成新的隐患。此时，需要根据矿山的工程背景及整改参数建矿山整改后的有限元模型，依据有限元软件进行数值分析，得到矿山整个生产系统的风险点情况，判断出矿山对隐患的整改是否符合要求。从而，做到了严格执法、科学执法、动态执法和高效执法。

　　4总结

　　通过对有限元分析在非煤矿山生产安全和安全监管中的运用论述分析，得出以下结论。

　　（1）将有限元分析运用于非煤矿山安全生产和非煤矿山安全监管中理论上是可行的。通过有限元分析，运用有限元软件能够提前模拟分析出矿山生产过程中的工程问题，从而为优化开采或建设方案提供了科学指导。

　　（2）运用有限元分析方法，建立安全监管有限元模型，提前预测分析出非煤矿山企业的风险隐患，针对性的制定监管方案，进一步科学高效的督促非煤矿山安全生产。

　　（3）运用有限元分析方法，借助有限元软件对非煤矿山生产安全和安全监管的具体应用效果，需要将该科学方法运用到实际的矿山生产安全和安全监管中后做出具体的检验分析，并不断进行完善。