數(shù)值計算試驗在采礦工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要:闡述了采礦工程專業(yè)課程傳統(tǒng)教學(xué)方法存在的問題，分析了采礦工程專業(yè)課程涉及面廣、內(nèi)容抽象、實踐性強等特點，提出把數(shù)值計算試驗與傳統(tǒng)教學(xué)方法相結(jié)合，應(yīng)用于教學(xué)實踐，培養(yǎng)學(xué)生科研和創(chuàng)新能力及工程意識，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞:數(shù)值計算試驗 教學(xué)方法 采礦工程

中圖分類號:G642 文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)08(b)-0176-02

The Application of Numerical Test in Mining Engineering Education

XU Nai-zhong

Key Laboratory of Coal Safety and High Efficient Mining Education Co-sponsored by Province and Ministry of Education， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001

Abstract:Mining engineering courses show wide range，abstract content and strong practice. According to their characteristics， the problems of existing teaching methods and advantages of numerical test are discussed. Combined numerical test and traditional teaching methods are applied to teaching practice.It trains research and innovation capacity and engineering thinking of students， and obtains good effects.

Key Words:numerical test;teaching methods;mining engineering

與煤礦系統(tǒng)的復(fù)雜性相對應(yīng)，采礦工程專業(yè)課程具有概念多、涉及面廣、空間想象難、內(nèi)容抽象、實踐性強等特點，依靠傳統(tǒng)的教學(xué)方法和實驗室資源難以表述[1-7]。

如《井巷工程》、《礦山壓力及控制》、《礦井設(shè)計》等課程研究的是巖體力學(xué)及井巷形狀和空間位置選取等問題，其大量的計算公式和抽象的理論分析令學(xué)生理解和記憶均十分困難，難以提起學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的積極性不高。而數(shù)值計算技術(shù)作為輔助教學(xué)手段，有助于學(xué)生理解和記憶，且數(shù)值計算一般結(jié)合實際的工程實例，重現(xiàn)工程進行過程中圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變變化過程，在課程教學(xué)時穿插的數(shù)值計算結(jié)果分析可以看出，學(xué)生對軟件能夠?qū)崿F(xiàn)這么強大的功能頗感新鮮，從而激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

因此，建立立體、形象的數(shù)值模擬教學(xué)系統(tǒng)，對采礦工程專業(yè)和其他非煤專業(yè)提高教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效率意義重大。

1 采礦工程專業(yè)課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 專業(yè)課程涉及面廣且內(nèi)容抽象，課堂教學(xué)難以收到預(yù)期效果

傳統(tǒng)教學(xué)方法采用黑板教學(xué)，信息量小，授課重點基本放在一些陳舊的工程案例上，對新理論、新方法的介紹偏少。僅僅依靠黑板教學(xué)，對于采礦空間關(guān)系復(fù)雜或牽涉到煤巖體細觀特征知識的講解難以到位，這給學(xué)生的理解帶來了一定的難度;而傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)只是對課本知識的再現(xiàn)，這些方法依然是建立在平面圖形基礎(chǔ)之上，缺乏立體感和形象感，教學(xué)效果并沒有明顯的改進。

煤礦井工開采的重要特點是地下作業(yè)，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、工序復(fù)雜。井下生產(chǎn)系統(tǒng)包括掘進、提升、通風(fēng)、排水、動力供應(yīng)等系統(tǒng)，井下生產(chǎn)系統(tǒng)空間交錯復(fù)雜。為了培養(yǎng)采礦工程專業(yè)技術(shù)人才，要求學(xué)生對礦井日常生產(chǎn)與管理的各方面全都了解;因此開設(shè)了數(shù)學(xué)、力學(xué)等基礎(chǔ)課程，地質(zhì)測量學(xué)、礦山電工、井巷工程等專業(yè)基礎(chǔ)課程，采煤學(xué)、礦山壓力及其巖層控制、礦井設(shè)計等專業(yè)主干課程。這些課程與生產(chǎn)實際結(jié)合緊密，課程之間互相交叉，尤其是專業(yè)課程內(nèi)容抽象難懂。

如礦井設(shè)計這門課程，其礦井開拓系統(tǒng)及采區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容繁多且抽象難懂，怎樣根據(jù)煤層的賦存狀況選擇井巷的位置是學(xué)習(xí)的重難點，而車場、硐室及巷道的布置教科書中都是以平面圖和剖面圖表示，缺乏空間立體感，教師講起來費時費力，學(xué)生們聽起來抽象難懂;達不到預(yù)期的教學(xué)效果，為后續(xù)采煤課程設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計埋下隱患。

1.2 實驗室教學(xué)資源有限

實驗室教學(xué)主要是結(jié)合不同課程要求安排不同實驗內(nèi)容，如礦井設(shè)計這門課程，實驗室教學(xué)主要是參觀礦井模型。通過模型的參觀及講解，加強學(xué)生對課堂知識的理解。實驗室模型感官效果雖好，但學(xué)生很難掌握巷道與煤巖地層的立體圖、平面圖及剖面圖的對應(yīng)關(guān)系，學(xué)生僅僅能看， 不能融入場景當中;而且模型個數(shù)有限，反映的內(nèi)容也比較片面，與課堂內(nèi)容存在諸多差別;而且現(xiàn)有的教學(xué)模型通常跟不上現(xiàn)場的變化，若從新制作物理模型，制作費用又較大。

2 數(shù)值計算試驗特點

2.1 理論結(jié)合實踐，夯實學(xué)生基礎(chǔ)知識

采礦工程試驗主要是為了解決礦山開采過程中的煤巖體受力變形、破壞規(guī)律及其穩(wěn)定性控制等問題，從而合理確定礦山開采方案，為礦山工程各項設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。在采礦過程中，由于學(xué)生專業(yè)實踐經(jīng)驗的缺乏，難以對采礦過程形成清晰的感性認識，對于礦山煤巖體的應(yīng)力場、位移場、裂隙場等的分布規(guī)律缺乏想象。即使采用多媒體輔助教學(xué)，上述概念還需在學(xué)生的腦海中反復(fù)構(gòu)思才能有所消化。

運用圖形顯示和三維可視化技術(shù)處理數(shù)值計算的結(jié)果，在將其與實驗室試驗及實際工程中的采礦現(xiàn)象相結(jié)合，可以將抽象的概念在三維空間上加以描述，形象地顯示分析結(jié)果，將采礦過程枯燥、乏味的概念和理論轉(zhuǎn)化為圖文并茂、形象生動的畫面;這樣可以啟發(fā)學(xué)生的專業(yè)形象思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高教學(xué)的質(zhì)量和效果;同時有助于減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)生的分析思維能力，增強學(xué)生對采礦工程的感性認識;從而使學(xué)生可以更加容易理解和掌握采礦工程專業(yè)課程的一些疑難問題，如采場覆巖三帶分布等問題。通過這種與計算機技術(shù)結(jié)合的教學(xué)方式，可以擴大學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識解決工程實際問題的能力，為做好采礦工程設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計和走上工作崗位打下堅實的基礎(chǔ)。

2.2 預(yù)演實驗室試驗，促進教學(xué)

數(shù)值計算試驗可以再現(xiàn)采礦工程中觀察到的破壞現(xiàn)象(如巖石破裂過程應(yīng)力場及聲發(fā)射場、巖石裂紋擴展過程等);它既保留了物理實驗直觀性的優(yōu)點，又克服了物理實驗觀測難、分析難、重復(fù)難、費用高、周期長的弊病;還能夠得到許多在實際試驗室中觀察不到的重要信息及實驗室無法真實再現(xiàn)的試驗現(xiàn)象，如采動巖移應(yīng)力場和位移場、采場沖擊地壓、突水、含瓦斯煤巖突出等采礦工程災(zāi)害現(xiàn)象。因為這些現(xiàn)象通常都涉及尺度更大的巖體結(jié)構(gòu)，通過普通實驗室小型試樣加載實驗難以實現(xiàn)。

在進行實驗室試驗之前，安排適當?shù)臄?shù)值計算試驗，可以對實驗室試驗的試驗?zāi)康摹⒃囼灢襟E和主要試驗現(xiàn)象進行一定程度的預(yù)演，講解試驗的重點、難點，使學(xué)生對實驗室試驗有更加全面的把握和準備。如對于巖石應(yīng)力應(yīng)變試驗，在試驗時學(xué)生很難在試驗過程中獲得直觀的認識，激發(fā)不起學(xué)生的興趣，也很難讓學(xué)生對試驗的全過程有清晰的認識，試驗的效果相對比較差。因而在進行試驗前，可以利用數(shù)值計算試驗預(yù)演方法，使學(xué)生首先有很充分的認識，再結(jié)合實際的試驗現(xiàn)象，使學(xué)生更加主動積極地去思考，加深對問題的理解，則可以達到很好的教學(xué)效果。

3 數(shù)值計算試驗在采礦工程教學(xué)中的應(yīng)用

在采礦過程中，要把煤體或有用礦物安全采出，需解決兩類問題:采場圍巖控制和巷道圍巖控制。采場圍巖控制指巖體結(jié)構(gòu)是如何破斷的，破斷后的巖塊是否趨于穩(wěn)定狀態(tài)，以及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后的形態(tài)變化;巷道圍巖控制指開采后覆巖移動、變形和破壞導(dǎo)致圍巖應(yīng)力場的變化規(guī)律，開采對工作面周圍巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，以及采動影響下巷道圍巖控制機理及控制技術(shù)。那么針對上述兩個問題，在采礦工程教學(xué)中，需要授課的內(nèi)容是巖體力學(xué)問題、采場及巷道穩(wěn)定性控制問題等。若利用好數(shù)值計算試驗，在授課時可以讓學(xué)生清楚的了解上述問題的解決方法。

如《巖體力學(xué)》是采礦工程的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在教學(xué)中關(guān)于巖石抗拉、抗壓、抗剪性能等基本實驗可以采用實驗室試驗和數(shù)值計算試驗相結(jié)合的方法。實驗室試驗鍛煉學(xué)生實際動手能力;但是由于實驗室資源有限，不可能做若干組試驗，而通過數(shù)值計算試驗可以彌補上述不足，學(xué)生可以考慮不同巖性、彈模、泊松比及尺寸比等情況下，巖石的變形損傷演化和宏觀破壞過程中的應(yīng)力場、聲發(fā)射場等重要信息。

采場和巷道圍巖控制問題是由于工程項目尺寸較大，這些問題單單在課堂上用文字或圖片的形式加以詳細描述，對于沒有多少現(xiàn)場實踐經(jīng)驗的學(xué)生來說還是抽象難懂，不易掌握;而實驗室試驗又存在觀測難、結(jié)果分析難、試驗過程不可恢復(fù)等問題。如講授《井巷工程》巷道開挖及支護工藝過程，可通過數(shù)值計算為學(xué)生演示不同圍巖、不同開挖斷面及不同支護參數(shù)組合條件下巷道的位移場及應(yīng)力場分布情況，以便合理選取支護參數(shù)。講授《礦山壓力及控制》覆巖運移規(guī)律時，通過數(shù)值計算演示覆巖運移過程及位移場與應(yīng)力場的演化規(guī)律。

因此，在課堂講學(xué)中，結(jié)合工程實例，加上實驗室試驗和數(shù)值計算試驗，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，把理論和現(xiàn)場相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生工程意識。

4 結(jié)語

數(shù)值計算試驗具有通用性強，實現(xiàn)常規(guī)實驗室試驗無法實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集和分析功能，及大尺寸復(fù)雜工程求解功能，彌補了傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，是提高教學(xué)質(zhì)量的一種有效途徑。合理地將數(shù)值計算試驗與采礦工程傳統(tǒng)教學(xué)方式相結(jié)合，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生工程意識，為今后工作打下堅實基礎(chǔ)。作為采礦工程專業(yè)教學(xué)方法改革，數(shù)值計算試驗無疑是一種好的選擇。

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