新形勢(shì)下采礦工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

胡浩 朱傳奇 袁安營(yíng) 張明 焦振華

摘? 要：采礦工程作為一個(gè)多科學(xué)交叉的學(xué)科應(yīng)具有更深入的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)。目前采礦工程實(shí)驗(yàn)課教學(xué)手段單一，試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、枯燥，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相互獨(dú)立。依托國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備等硬件條件優(yōu)勢(shì)，對(duì)采礦工程綜合實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行探索。通過建立“礦山虛擬仿真—三維相似材料模擬系統(tǒng)—巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)—工業(yè)CT”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，有助于學(xué)生對(duì)專業(yè)課理論知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通，提高實(shí)驗(yàn)課教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：采礦工程? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? 儀器? 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：TD80-4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）10（c）-0215-04

Abstract： Mining engineering as a multi science interdisciplinary subject should have more in-depth experimental practice teaching. At present， the teaching method of mining engineering experiment course is single， the test system is simple and boring， and the experimental content is independent of each other. Relying on the advantages of hardware conditions such as instruments and equipment of State Key Laboratory， the comprehensive experimental course of mining engineering is explored. By establishing the experimental teaching system of "Mine Virtual Simulation—similar material simulation system—rock mechanics experimental system—CT"， it is helpful for students to understand the theoretical knowledge of professional courses and improve the teaching effect of experimental courses.

Key Words： Mining engineering; Experimental teaching; Instruments; State Key Laboratory

采礦工程作為一個(gè)多學(xué)科交叉融合的學(xué)科，包含力學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多門學(xué)科，所培養(yǎng)的學(xué)生為具有研究、應(yīng)用型的復(fù)合型人才[1]。這就要求采礦工程的專業(yè)課設(shè)計(jì)具有更廣理論知識(shí)，同時(shí)有更多的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)。

1? 采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

隨著時(shí)代的發(fā)展，當(dāng)前采礦工程專業(yè)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)已很難實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型教育。多數(shù)煤炭院校采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課主要包括三部分內(nèi)容：巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)課、二維的相似材料模擬試驗(yàn)課、室內(nèi)礦井模型的參觀。

室內(nèi)礦井模型多為早年制作且無法進(jìn)行更新，模型中的開拓方式、工作面條件、機(jī)械裝備等均與當(dāng)前現(xiàn)代化礦井實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。并且模型多為塑料等材料，存在著損壞修復(fù)困難等問題。二維的相似材料模擬試驗(yàn)所制作的模型為平面模型，無法反映巷道、采場(chǎng)開挖后真實(shí)的圍巖情況。對(duì)于尚未接觸過礦井的本科生來說，不夠直觀、難以引起學(xué)生共鳴，導(dǎo)致于教學(xué)效果一般[2]。巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)內(nèi)容一般為煤巖的單軸壓縮、劈裂、剪切等基本物理參數(shù)。并且學(xué)生少有機(jī)會(huì)參與實(shí)驗(yàn)操作，形成了“教師講授學(xué)生觀察”的教學(xué)模式。教學(xué)內(nèi)容簡(jiǎn)單、教學(xué)形式單一，這些原因讓學(xué)生失去了學(xué)習(xí)的興趣與動(dòng)力。

目前采礦工程實(shí)驗(yàn)課教學(xué)手段單一，加之簡(jiǎn)單、枯燥的試驗(yàn)系統(tǒng)，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)、科研興趣。同時(shí)，各專業(yè)課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相互獨(dú)立，并沒能構(gòu)建好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[3-4]。因此，完善采礦工程實(shí)驗(yàn)課的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，豐富實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容變的尤為重要。

2? 采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的定位

實(shí)驗(yàn)課教學(xué)作為理論課的補(bǔ)充與拓展，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握與理解;激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)、科研興趣。通過形象、直觀的實(shí)驗(yàn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性;開拓視野、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。通過實(shí)驗(yàn)課教學(xué)讓學(xué)生掌握學(xué)科前沿知識(shí)，熟知學(xué)科前沿儀器設(shè)備。

3? 采礦工程綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索

3.1 采礦工程綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

安徽理工大學(xué)是安徽省重點(diǎn)建設(shè)的特色高水平大學(xué)。采礦工程學(xué)科是學(xué)校最早設(shè)立的學(xué)科之一，歷史悠久。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，采礦工程學(xué)科體系完整，圍繞礦井安全高效回采等開展科研工作，科研水平不斷提高，科研條件不斷改善，科研實(shí)力不斷增強(qiáng)。

實(shí)驗(yàn)課是對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)和驗(yàn)證的重要手段，實(shí)驗(yàn)是教學(xué)中必不可少的環(huán)節(jié)。儀器設(shè)備是實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展的前提條件，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)。儀器設(shè)備的性能直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果，以及學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)情況[5]。安徽理工大學(xué)深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)越，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)大樓一棟，面積24650m2。實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備總值達(dá)1億多元，并構(gòu)建了如下研究系統(tǒng)：仿工程復(fù)雜物理場(chǎng)煤巖力學(xué)演化特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);動(dòng)靜荷載下氣固耦合煤巖沖擊動(dòng)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);深部工程支護(hù)體性能檢測(cè)系統(tǒng);含瓦斯煤巖損傷、破壞微細(xì)觀全時(shí)演化監(jiān)測(cè)系統(tǒng);三維立體相似材料模擬智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

依托采礦工程學(xué)科優(yōu)勢(shì)，以及深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備等硬件條件優(yōu)勢(shì)，對(duì)采礦工程綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索。

3.2 采礦工程綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采礦工程專業(yè)學(xué)生經(jīng)過前期認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，已對(duì)礦井有了初步的認(rèn)識(shí)。通過采礦工程綜合實(shí)驗(yàn)對(duì)采煤學(xué)、巖體力學(xué)、礦山壓力與巖層控制、礦山水文地質(zhì)、井巷工程等專業(yè)課知識(shí)進(jìn)行梳理[6]。讓學(xué)生全面地了解礦井相關(guān)知識(shí)，有層次地進(jìn)行探索性學(xué)習(xí)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器設(shè)備，采礦工程綜合實(shí)驗(yàn)課由以下四部分組成：礦山虛擬仿真系統(tǒng)—三維相似材料模擬系統(tǒng)—巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)—工業(yè)CT。

3.2.1 礦山虛擬仿真實(shí)系統(tǒng)

教學(xué)目的：全面了解礦井工業(yè)廣場(chǎng)、井下工作環(huán)境、礦井機(jī)械設(shè)備以及生產(chǎn)工藝。

安徽理工大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個(gè)大場(chǎng)景寬視野的3D教學(xué)環(huán)境，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及三維建模技術(shù)，創(chuàng)造出一個(gè)1：1的虛擬場(chǎng)景。內(nèi)置動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，通過排布在空間中的數(shù)個(gè)動(dòng)作捕捉攝像頭將運(yùn)動(dòng)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以圖像的形式記錄下來，通過3D圖形工作站將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同時(shí)間計(jì)量單位的空間位置（X，Y，Z），本實(shí)驗(yàn)可通過捕捉操作者頭部、手部運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)時(shí)顯示在LED大屏，實(shí)現(xiàn)自然高效的交互式教學(xué)效果。教師采用交互設(shè)備，模仿真實(shí)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)過程，學(xué)生佩戴立體眼鏡，仿佛置身于真實(shí)的操作環(huán)境中。實(shí)驗(yàn)室可用于大型工程三維漫游（如礦井生產(chǎn)）、高精端儀器虛擬拆裝及操作、危險(xiǎn)系數(shù)較高的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)操作過程演練、不可逆公共安全災(zāi)害應(yīng)急展示等。采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開放管理平臺(tái)在校園網(wǎng)面向所有用戶開放，對(duì)校內(nèi)外展示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息。學(xué)生可在校園內(nèi)任意網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)訪問平臺(tái)資源，不僅可以方便地利用平臺(tái)資源學(xué)習(xí)和開展實(shí)驗(yàn)，還可以根據(jù)平臺(tái)上提供的器材自由搭建合理的典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開放管理平臺(tái)還具有信息發(fā)布、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集分析、互動(dòng)交流、成績(jī)?cè)u(píng)定、成果展示等功能。同時(shí)該平臺(tái)為開放式，根據(jù)教學(xué)的需要可添加其他實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

同課堂枯燥的教學(xué)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課的3D及交互功能，可以讓學(xué)生身臨其境，親身體驗(yàn)礦井環(huán)境，更深入地將理論知識(shí)與現(xiàn)場(chǎng)情況相結(jié)合，有利于學(xué)生深入思考圍巖失穩(wěn)等力學(xué)機(jī)理。結(jié)合虛擬仿真系統(tǒng)中的嵌入模塊，授課老師可以從機(jī)械裝備、回采工藝、圍巖受力多個(gè)角度，全方位、立體式的引導(dǎo)學(xué)生展開學(xué)習(xí)采礦工程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)未知問題進(jìn)行積極探索的精神。

3.2.2 三維相似材料模擬系統(tǒng)

教學(xué)目的：通過相似材料模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)、制作、開挖等步驟，掌握采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)及礦山壓力的規(guī)律。了解以應(yīng)力為主控因素的三維礦壓理論。

煤層回采過程中，隨著工作面的推進(jìn)，圍巖原有力學(xué)平衡狀態(tài)遭到破壞，上覆巖層發(fā)生變形移動(dòng)，直至破壞垮落。三維相似材料模擬試驗(yàn)作為研究煤層回采過程頂板變形破壞的主要手段之一，具有方便、快捷、可重復(fù)的優(yōu)勢(shì)。三維相似材料模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由：加載系統(tǒng)、回采系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及輔助配套系統(tǒng)等部分組成。采用多種檢測(cè)方式相結(jié)合、運(yùn)用多種檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠有效獲取煤層回采過程的關(guān)鍵信息，保證測(cè)量結(jié)果的可靠性。采用應(yīng)力傳感器對(duì)回采面的應(yīng)力變化進(jìn)行檢測(cè)，采用分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)對(duì)裂縫位置及開合程度進(jìn)行評(píng)估，采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)裂隙的萌生及發(fā)展過程，采用超聲檢測(cè)技術(shù)與相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部裂隙成像，對(duì)煤層回采過程中上覆巖層破裂狀態(tài)及應(yīng)力變化情況進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)。

相比二維相似材料模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，三維相似材料模擬實(shí)現(xiàn)了模擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)的高度相似性。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中要同時(shí)考慮相似比、工作面布置、回采速度、煤層傾角等多重因素，確保模型與實(shí)際工況地質(zhì)力學(xué)條件更相近，在此過程中學(xué)生能夠?qū)λ鶎W(xué)專業(yè)課知識(shí)進(jìn)行梳理并運(yùn)用。三維相似材料模擬系統(tǒng)更直觀地展示了工作面的回采過程，盡可能地還原了實(shí)際條件下的生產(chǎn)狀況，讓學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)上覆巖層變形破壞過程，掌握采場(chǎng)三維礦壓的動(dòng)態(tài)演化。

3.2.3 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

教學(xué)目的：掌握巖石單軸壓縮、剪切、劈裂等實(shí)驗(yàn)的方法，能夠完成單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、泊松比、彈性模量等力學(xué)參數(shù)的計(jì)算。

實(shí)驗(yàn)室MTS816巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由美國(guó)MTS公司生產(chǎn)的專門用于巖石及混凝土試驗(yàn)的多功能電液伺服控制剛性試驗(yàn)機(jī)，具備軸壓、圍巖、剪切三套獨(dú)立的閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，可完成煤巖體單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮流變?cè)囼?yàn)、剪切試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、斷裂試驗(yàn)、滲流試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)等，能夠測(cè)定煤巖體各種力學(xué)特性，具有精度高，可靠性好，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是目前世界上最為先進(jìn)的室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備。全程計(jì)算機(jī)控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集及處理;配備軸壓、圍壓與剪切三套獨(dú)立的伺服系統(tǒng);實(shí)心鋼制荷重架只儲(chǔ)存很小的彈性能從而實(shí)現(xiàn)剛性壓力試驗(yàn);伺服閥反應(yīng)敏捷，試驗(yàn)精度高;與試件直接接觸的引伸計(jì)可在高溫高壓環(huán)境中工作，實(shí)現(xiàn)的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行精確的測(cè)量;試驗(yàn)可采用任意加載波形與速率，三種控制方式可在試驗(yàn)中自動(dòng)轉(zhuǎn)換;調(diào)節(jié)范圍寬廣的閉環(huán)加熱系統(tǒng)可提供均勻的溫度場(chǎng)。MTS-816巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為目前我國(guó)最先進(jìn)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之一，剪切、滲流等模塊齊全，可配合PIC-2型聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用。氣固耦合煤巖細(xì)觀變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與MTS-816巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)聯(lián)合使用，可以實(shí)現(xiàn)煤巖體氣固、流固耦合細(xì)觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

以MTS816為主的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將工程現(xiàn)場(chǎng)的問題帶入實(shí)驗(yàn)室小尺度進(jìn)行分析解決，探究試樣破裂原因，最終將實(shí)驗(yàn)結(jié)果回歸現(xiàn)場(chǎng)用于解決現(xiàn)場(chǎng)問題。培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)運(yùn)用能力以及探索創(chuàng)新能力。在試驗(yàn)過程中配合聲發(fā)射設(shè)備，可以幫助學(xué)生拓寬科技視野，

3.2.4 工業(yè)CT

教學(xué)目的：從微觀變形認(rèn)識(shí)試件破壞。了解學(xué)科前沿知識(shí)，熟知學(xué)科前沿儀器設(shè)備。

實(shí)驗(yàn)室Phoenix v|tome|x L 300配置了獨(dú)有的單極300kV微焦點(diǎn)射線管。由于射線管的單極設(shè)計(jì)，系統(tǒng)不僅有高放大倍率，而且可用于高衰減率材料的試件檢測(cè)。v|tome|x L 300以花崗巖為機(jī)械平臺(tái)基座，配有輻射安全防護(hù)室，可檢測(cè)重量達(dá)50kg、長(zhǎng)度達(dá)600mm/直徑達(dá)500mm的試件。特點(diǎn)：二維檢測(cè)和三維CT的細(xì)節(jié)分辨率達(dá)1微米，單極設(shè)計(jì)的射線管，具有高放大倍率（射線管到試件的最小距離為5mm），可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量功能，缺陷識(shí)別和高精度量測(cè)，檢測(cè)范圍廣泛，無需更換射線管可檢測(cè)各種不同的試件，可對(duì)高衰減率試件采用300kV的非破壞性定量分析，采用三維加速重建軟件，可在數(shù)分鐘內(nèi)完成重建。對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)模型重構(gòu)，獲取內(nèi)部所有物理信息，包括各個(gè)組分的占比、形參以及其他根據(jù)定制化的功能?？砷_展動(dòng)載作用下含瓦斯煤巖體微觀損傷演化探測(cè);實(shí)現(xiàn)煤巖體內(nèi)部幾何形態(tài)、斷裂面表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)面三維空間分布特征的智能監(jiān)測(cè);開展動(dòng)靜載荷作用下含瓦斯煤巖多尺度裂隙演化及三維重構(gòu)實(shí)驗(yàn)。三軸加載驅(qū)替裝置可以模擬地層條件下的壓力環(huán)境，進(jìn)行驅(qū)替并獲得軸向及外圍應(yīng)力變化曲線，并實(shí)時(shí)觀測(cè)三軸施壓過程中，內(nèi)部孔隙變化、裂縫變化等形貌發(fā)展規(guī)律，于驅(qū)替過程中進(jìn)行快速CT掃描，觀察驅(qū)替路徑。三軸力學(xué)加載裝置與巖芯數(shù)字掃描儀配套使用，可實(shí)現(xiàn)加載全過程的快速CT掃描，該裝置具備恒溫系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化與調(diào)控。

利用CT技術(shù)將煤巖試件內(nèi)部可視化，直觀的展示煤巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生更好的理解煤巖變形破壞過程，解決了長(zhǎng)久以來這類抽象知識(shí)對(duì)學(xué)生的困擾。同時(shí)，工業(yè)CT拓寬了學(xué)生的視野，改變了學(xué)生對(duì)采礦工程專業(yè)—枯燥艱苦的認(rèn)識(shí)，增加了學(xué)習(xí)興趣。

4? 結(jié)語

通過建立“礦山虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)—三維相似材料模擬系統(tǒng)—巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)—工業(yè)CT” 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，系統(tǒng)地向?qū)W生展示了“工程現(xiàn)場(chǎng)—實(shí)驗(yàn)室尺度—微觀變形”之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生將現(xiàn)場(chǎng)問題轉(zhuǎn)換到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析的思維方式。同時(shí)利于學(xué)生對(duì)專業(yè)課理論知識(shí)進(jìn)行梳理，提高實(shí)驗(yàn)課教學(xué)效果。

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