井巷工程創(chuàng)新教學(xué)實驗平臺建設(shè)

楊立云，孫 強

實驗課程改革

井巷工程創(chuàng)新教學(xué)實驗平臺建設(shè)

楊立云，孫 強

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083）

結(jié)合礦山建設(shè)專業(yè)井巷工程教學(xué)實驗實際情況，分析了傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，提出了建立礦山建設(shè)井巷模型實驗系統(tǒng)平臺的構(gòu)想。根據(jù)實驗教學(xué)需要和創(chuàng)新訓(xùn)練需求，設(shè)計和搭建了包括礦建井巷模型加載系統(tǒng)和數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）監(jiān)測與分析系統(tǒng)組成的多功能井巷工程模型實驗系統(tǒng)平臺，設(shè)計了操作簡便的基礎(chǔ)性教學(xué)實驗，完成了多項大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練、畢業(yè)論文等科研實驗，并打造了開放自主實驗室環(huán)境。

井巷工程教學(xué)；實驗平臺；DIC

“井巷工程”是土木工程礦山建設(shè)方向的核心主干課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生了解和掌握礦山工程、隧道工程和水利工程等相關(guān)理論、設(shè)計、技術(shù)、施工工藝以及施工組織與管理等方面知識。隨著我國高等學(xué)校人才培養(yǎng)機制的轉(zhuǎn)變，即強化基礎(chǔ)課程、壓縮專業(yè)課程和實施通才教育，原有的井巷工程教材和實踐等教學(xué)條件老舊，已無法適應(yīng)新時代要求[1-2]。我校作為老牌礦業(yè)高校，在井巷工程教學(xué)方面亦存在上述問題：實驗技術(shù)和設(shè)備落后，學(xué)生對井巷工程的基本力學(xué)原理很難有清晰概念和直觀感受；實驗室設(shè)備功能單一且操作復(fù)雜，限制了學(xué)生自主發(fā)揮的空間，影響了創(chuàng)新實驗教學(xué)的開展。

2016年我校根據(jù)實際情況提出和創(chuàng)建了井巷工程模型實驗多功能平臺，設(shè)計了井巷模型加載系統(tǒng)和數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）監(jiān)測與分析系統(tǒng)，打造了開放自主實驗環(huán)境，滿足了基礎(chǔ)性教學(xué)實驗和創(chuàng)新性科研實驗要求?；A(chǔ)性教學(xué)實驗包括圓形、矩形和拱形等常用井巷斷面的力學(xué)分析。創(chuàng)新性科研實驗則可以根據(jù)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的問題進(jìn)行設(shè)計或從大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目中獲取，鼓勵大膽實踐創(chuàng)新，曾完成深部巖體爆破、圍巖支護方面的實驗項目，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識與能力。

1 井巷工程基礎(chǔ)實驗課的開展及存在問題

1.1 井巷模型實驗教學(xué)的初步開展

我校原有的井巷模型實驗系統(tǒng)（見圖1）主要由反力架、液壓加載系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成[3]。

圖1 井巷模型實驗系統(tǒng)

井巷工程實驗課主要采用此實驗系統(tǒng)授課，其基本定位是了解+部分演示。具體包括3大環(huán)節(jié)：

一是礦井模型實驗準(zhǔn)備?；谙嗨评碚摑仓笮偷刭|(zhì)模型，主要以石膏、細(xì)沙和水泥作為相似模型材料，并埋設(shè)應(yīng)變磚、壓力盒和位移傳感器等測量儀，澆筑養(yǎng)護完成后，采用臺式水鉆開挖直徑300 mm的圓形巷道（見圖2）。此階段以研究生為主體，本科生主要是了解。

圖2 圓形巷道

二是模型實驗開展階段。通過逐級加載，模擬井巷圍巖的受力變形甚至破壞等現(xiàn)象，測試巷道在不同載荷下的變形、圍巖中應(yīng)力分布等，繪制應(yīng)力/位移等變化曲線（見圖3）。此階段以教師為主體，本科生主要是觀摩和記錄。

三是模型實驗報告編制階段。通過實驗報告，詳細(xì)地敘述井巷模型實驗過程，分析實驗數(shù)據(jù)和總結(jié)實驗結(jié)果。此階段以本科生為主體，主要強化學(xué)生對井巷的基本力學(xué)原理和概念的認(rèn)識。

1.2 存在問題

限于我校井巷工程實驗室實際情況，井巷工程教學(xué)實驗的開展尚存在一系列的問題：

圖3 應(yīng)力變化曲線

（1）實驗場地狹窄。實驗室面積僅70 m2，由于模擬巖體的實驗條件和對數(shù)據(jù)采集的需求，室內(nèi)安裝了重型反力架和加載系統(tǒng)以及繁瑣的測控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。室內(nèi)空間狹小，儀器眾多，在以往的教學(xué)實例中，1個班的學(xué)生進(jìn)入實驗室會造成實驗室擁擠現(xiàn)象，導(dǎo)致很多學(xué)生沒有機會接觸實驗儀器和設(shè)備，并且后面的學(xué)生由于視線受阻，無法很好地參與到實驗教學(xué)中，只能簡單地觀摩，無法自主操作。

（2）實驗室設(shè)備存在局限性。傳統(tǒng)的井巷模型實驗室的加載系統(tǒng)由反力架和液壓裝置組成，笨重、操作復(fù)雜，且變形監(jiān)測技術(shù)采用常規(guī)的壓力盒、應(yīng)變片和位移計等電測儀器，只能夠測量巖體中某固定點的應(yīng)力分布情況，測量結(jié)果不具有連續(xù)性，不能很好地表征在不同應(yīng)力下試件應(yīng)力的分布情況，也無法掌握模型試件的薄弱受力點，且不直觀，無法實時顯現(xiàn)。所以傳統(tǒng)變形檢測技術(shù)已經(jīng)不能很好地滿足科研和實驗教學(xué)的要求。

（3）實驗耗時且耗費資源多。傳統(tǒng)的井巷模型實驗需要做大量的前期準(zhǔn)備工作，包括大量實驗材料的購買、實驗?zāi)Ｐ偷闹圃旌宛B(yǎng)護以及實驗設(shè)備的運行和維護等。一個模型實驗的完成需要耗費大量的人力、財力和物力，無法適用于創(chuàng)新性實驗教學(xué)。

（4）井巷工程實驗課時少，實驗項目有限。目前，井巷工程實驗課時少，再加上以上幾點問題的存在，所以只能進(jìn)行圓形巷道的模擬實驗，對于其他具有代表性的矩形和拱形等井巷模型實驗都無法開展。為了滿足幾個班級的上課要求，模型試件不能被加載破壞。這種教學(xué)方式導(dǎo)致實驗結(jié)果出現(xiàn)較大誤差以及不能實現(xiàn)井巷圍巖破壞現(xiàn)象的模擬。所以井巷工程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)十分薄弱。

2 基于DIC技術(shù)的實驗平臺設(shè)計與搭建

為了適應(yīng)新時代下礦山建設(shè)人才培養(yǎng)的要求，我校2016年建立了井巷工程模型實驗多功能平臺，主要包括井巷模型加載系統(tǒng)和數(shù)字圖像相關(guān)分析（DIC）監(jiān)測與分析系統(tǒng)。傳統(tǒng)的井巷模型實驗室預(yù)埋壓力盒、應(yīng)變片和位移計等[4-6]，監(jiān)測技術(shù)落后。近些年實驗力學(xué)測試技術(shù)和設(shè)備發(fā)展迅速，數(shù)字圖像相關(guān)分析（DIC）方法在各行各業(yè)都得到越來越廣泛的應(yīng)用，且操作簡單、適應(yīng)性廣[7-10]。該實驗平臺簡單實用、實驗成本低、適用范圍廣、可視化程度高。學(xué)生可通過電腦屏幕直觀地了解實驗?zāi)Ｐ蛻?yīng)變變化情況。與此同時，該系統(tǒng)能夠滿足不同形狀巷道斷面的變形監(jiān)測，實現(xiàn)整個模型全場的應(yīng)變分析。該系統(tǒng)的建立不僅能滿足本科基礎(chǔ)教學(xué)實驗要求，而且能為大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練提供創(chuàng)新性科研實驗設(shè)備支撐，推動了先進(jìn)實驗技術(shù)的教學(xué)和應(yīng)用。礦山模型加載系統(tǒng)如圖4所示，采用液壓千斤頂和壓力傳感器實現(xiàn)豎向靜態(tài)加載和載荷顯示。

圖4 模型加載系統(tǒng)

該加載系統(tǒng)載荷范圍為0~300 kN，可以滿足長寬50~300 mm、厚5~200 mm的試件加載。選擇厚度較小的試件時，可以近似視為平面應(yīng)力模型。實驗過程中，將試件放入加載框架內(nèi)，通過螺絲桿推動楔塊來固定不同厚度的試件。此加載系統(tǒng)簡單靈活、拆卸方便、占地空間少、操作簡單、造價成本低。在同樣的實驗條件下，可以制作、安裝多套，讓學(xué)生分組實驗，親自動手。

數(shù)字圖像相關(guān)分析（DIC）監(jiān)測與分析系統(tǒng)由計算機、數(shù)據(jù)采集裝置、照明設(shè)備和DIC分析軟件等組成，如圖5所示。照明設(shè)備為白光光場，提供穩(wěn)定光源。數(shù)據(jù)采集裝置由CCD相機組成，用以拍攝試件變形前后的圖像。計算機在整個測量過程中負(fù)責(zé)下達(dá)采集和圖像保存命令，并裝載DIC分析軟件，進(jìn)行后期的圖像相關(guān)計算與分析。

圖5 DIC監(jiān)測與分析系統(tǒng)

3 平臺應(yīng)用實例

3.1 基礎(chǔ)教學(xué)實驗

基礎(chǔ)教學(xué)實驗試件選用彈性有機玻璃（PMMA）板，分別模擬圓形巷道、矩形巷道和半圓拱形巷道。試件散斑的制作在研究生指導(dǎo)下完成，學(xué)生可先在白紙上練習(xí)噴斑，然后再進(jìn)行試件噴斑。試件散斑制作采用手動噴制，在試件一側(cè)表面均勻噴繪白色啞光漆，然后用黑色啞光漆噴繪形成隨機散斑，散斑直徑約0.5 mm，散斑密度約為70%。其中，噴斑后的拱形巷道如圖6所示。

圖6 拱形巷道散斑試件

實驗過程中，通過液壓千斤頂給試件施加豎向靜態(tài)壓應(yīng)力，壓力傳感器實時監(jiān)測載荷大小，CCD相機拍攝不同壓力載荷下的試件照片，DIC分析系統(tǒng)實時計算和顯示試件觀測區(qū)域的變形或應(yīng)變云圖。圓形巷道、矩形巷道和半圓拱形巷道的部分實驗結(jié)果見圖7。學(xué)生可根據(jù)實驗測量結(jié)果編寫實驗報告，對實驗結(jié)果進(jìn)行更進(jìn)一步的分析和總結(jié)。

圖7 3種斷面形狀巷道的實驗結(jié)果

3.2 創(chuàng)新性實驗

我校大學(xué)生培養(yǎng)過程中有2個創(chuàng)新環(huán)節(jié)，一是大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目，二是科研性畢業(yè)論文項目。近幾年，該實驗平臺完成了多項創(chuàng)新性實驗項目，如深部巖體爆破實驗采用石膏模型（見圖8）進(jìn)行高地應(yīng)力載荷下的掏槽和光面爆破模擬實驗、圍巖支護實驗、巷道變形破壞實驗等。另外，還進(jìn)行了高地應(yīng)力對爆炸應(yīng)變場的分布特征影響實驗研究（見圖9）。

圖8 深部巖體爆破實驗

圖9 深部巖體爆破的應(yīng)變場分布云圖

4 打造開放自主實驗室環(huán)境

為了充分發(fā)揮井巷工程模型實驗多功能平臺在教學(xué)中的作用，需要打造開放自主的實驗室環(huán)境，鼓勵學(xué)生開展創(chuàng)新實驗。首先，在開放程度上，真正實現(xiàn)24 h全面開放。其次，實驗室面向全校師生，任何教師和學(xué)生可以向?qū)嶒炇医處熖峤簧暾垐蟾?，?jīng)教師審閱后，均可在實驗輔助人員的幫助下進(jìn)行實驗。最后，由實驗室教師主導(dǎo)，打造實驗室中實驗項目共享數(shù)據(jù)庫，并建立實驗室微信交流群，實現(xiàn)及時溝通與分享，營造良好的學(xué)術(shù)氛圍。

5 結(jié)語

根據(jù)土木工程專業(yè)礦山建設(shè)方向本科“井巷工程”課程實驗教學(xué)和創(chuàng)新性實驗需要，建立了井巷工程模型實驗多功能平臺，主要包括井巷模型加載系統(tǒng)和數(shù)字圖像相關(guān)分析（DIC）監(jiān)測與分析系統(tǒng)。設(shè)計了圓形、矩形和拱形等3種斷面巷道的基礎(chǔ)教學(xué)實驗，服務(wù)完成了多項大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練和畢業(yè)論文等科研類項目。本實驗平臺滿足了本科生的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)學(xué)生對不同形狀巷道的力學(xué)特征知識點的掌握提供了直觀印象，亦為大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目和畢業(yè)論文項目等提供了實驗設(shè)備支撐。

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Construction of experimental platform for innovative teaching of shaft and tunnel engineering

YANG Liyun, SUN Qiang

(School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)

In combining with the actual situation of mine construction engineering teaching experiment, this paper analyses the existing problems in traditional teaching and puts forward the conception of establishing the experiment system platform for the shaft and tunnel construction model. According to the needs of experimental teaching and innovative training, a multi-functional experiment system platform for shaft and tunnel engineering model is designed and built, which consists of the shaft and tunnel model loading system and digital image correlation (DIC) monitoring and analysis system. The basic teaching experiment with simple operation is designed, a number of scientific research experiments such as innovative training and graduation thesis for college students are completed, and an open and independent laboratory environment is created.

shaft and tunnel engineering teaching; experimental platform; DIC

N33

A

1002-4956(2019)12-0219-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.051

2019-04-09

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）教學(xué)改革項目（J160614）；中國礦業(yè)大學(xué)（北京）大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目

楊立云（1983—），男，河北邢臺，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，從事礦山建設(shè)、實驗力學(xué)方面的教學(xué)與研究。E-mail: yangly@cumtb.edu.cn