張嘉勇，郭立穩(wěn)

(1．河北省礦業(yè)研究與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山063009;2．河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009)

《礦山壓力》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革

張嘉勇1，2，郭立穩(wěn)1，2

(1．河北省礦業(yè)研究與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山063009;2．河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009)

礦山壓力;實(shí)驗(yàn)教學(xué);采礦工程

結(jié)合學(xué)校采礦工程專業(yè)《礦山壓力》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，提出了通過數(shù)值模擬軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革方案。借助于大型數(shù)值模擬軟件RFPA、ANSYS、FLAC等建立相應(yīng)礦壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型，通過模擬分析和動畫演示等形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，解決了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足，實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器匱乏的問題。軟件模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高了學(xué)生參與模型設(shè)計的積極性和主動性，增加了學(xué)習(xí)興趣，改善了實(shí)驗(yàn)效果。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理工科院校教學(xué)體系中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)大學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力、理論聯(lián)系實(shí)際等能力的重要手段。因此，通過對《礦山壓力》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改進(jìn)，使學(xué)生能夠切實(shí)看到礦山壓力現(xiàn)象的真實(shí)原因以及演變特征。它不僅起到鞏固、深化學(xué)生所學(xué)理論知識的作用，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作的能力和創(chuàng)新能力。

我校近年來在公共基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與教學(xué)改革上做了大量卓有成效的工作。相比而言，專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)改革工作亟待加強(qiáng)。如何充分發(fā)揮高校實(shí)驗(yàn)室在培養(yǎng)大學(xué)生綜合素質(zhì)上的作用，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，是我國高校教學(xué)中一個亟需解決的問題。

目前《礦山壓力》實(shí)驗(yàn)課的改革主要是適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)課學(xué)時數(shù)，如原來的4學(xué)時提高到8學(xué)時;將原先理論課講授的部分內(nèi)容改為實(shí)驗(yàn)課，如“礦山壓力的研究方法”的有關(guān)內(nèi)容，主要在實(shí)驗(yàn)課講授。結(jié)合具體的模型和實(shí)測儀器來講授礦山壓力研究方法，效果將會比課堂理論講授好。但是我?！兜V山壓力》實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備不足，并且該課程為采礦工程專業(yè)的必修主干課程之一，因此，《礦山壓力》實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須另辟蹊徑［1～5］。

一、礦山壓力實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

《礦山壓力》是我校采礦工程專業(yè)必修的主干課程之一，通過該門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該掌握礦山壓力的基本理論和礦壓控制的技術(shù)措施，為畢業(yè)后勝任本職工作奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。但是我校該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直沒有可行的方法，導(dǎo)致無法開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

(1)實(shí)驗(yàn)儀器不足。由于礦山壓力課程需要配套儀器較多，而且單套設(shè)備造價較高，實(shí)驗(yàn)耗材貴，試驗(yàn)成本相對較高，造成我校該方向的儀器設(shè)備匱乏。目前有一臺試驗(yàn)用壓力機(jī)，型號WAW-2000和采動頂板活動規(guī)律模型。目前只能進(jìn)行巖石單軸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，而三軸強(qiáng)度試驗(yàn)、采動裂隙分布規(guī)律等實(shí)驗(yàn)課無法開展。

(2)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容安排不合理?！兜V山壓力》課程實(shí)驗(yàn)課包括5部分內(nèi)容:巖石力學(xué)性質(zhì)測定、巖層控制支護(hù)體力學(xué)性能測試、物理模擬實(shí)驗(yàn)、常用礦壓儀表使用方法以及模型(巷道模型;支柱、支架模型;回采模型)。我們只能開展巖石力學(xué)性質(zhì)測定，其他四個方面實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法開展，更缺乏設(shè)計型和綜合型實(shí)驗(yàn)，這對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力是不利的。

(3)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不完善。目前，《礦山壓力》課程總學(xué)時為32學(xué)時，其中含4學(xué)時的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。學(xué)生多而學(xué)時少，實(shí)驗(yàn)設(shè)備套數(shù)少，分組不可能過細(xì)，多人一組，每個學(xué)生沒有充分的操作機(jī)會，大部分學(xué)生處于被動地位。有的實(shí)驗(yàn)甚至難以開出，只能是學(xué)生看教師演示實(shí)驗(yàn)，而不是學(xué)生自己做實(shí)驗(yàn)，事實(shí)上是看實(shí)驗(yàn)，而不是做實(shí)驗(yàn)。導(dǎo)致專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)沒有達(dá)到應(yīng)有的效果。

(4)實(shí)驗(yàn)課考核方式不合理?！兜V山壓力》實(shí)驗(yàn)教學(xué)不單獨(dú)計成績或不計成績，實(shí)驗(yàn)教學(xué)為課程的輔助部分，導(dǎo)致學(xué)生的主動性得不到充分調(diào)動，學(xué)生普遍存在重理論輕實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象。學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ω叩?、?shí)驗(yàn)完成質(zhì)量好壞，從課程考核中幾乎得不到反映，使得學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課不重視，更缺乏通過實(shí)驗(yàn)課培養(yǎng)自己專業(yè)工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的意識。

二、礦山壓力實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革探索

針對我校礦山壓力實(shí)驗(yàn)室教學(xué)儀器設(shè)備匱乏，實(shí)驗(yàn)條件不足的特點(diǎn)，提出了通過數(shù)值模擬軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革方案。

結(jié)合《礦山壓力》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，通過大型數(shù)值模擬軟件RFPA、ANSYS、FLAC等建立不同礦壓實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過參數(shù)優(yōu)化、模擬分析和動畫演示等實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可視化。

(一)RFPA模擬單軸壓縮實(shí)驗(yàn)

RFPA系列軟件可進(jìn)行巖石、混凝土等脆性材料受載的變形破壞分析，其聲發(fā)射模式的探測，亦可進(jìn)行簡單的工程應(yīng)用分析，如地下工程開挖及支護(hù)過程中的應(yīng)力場、位移場監(jiān)測及聲發(fā)射(微震)監(jiān)控等［6］。圖1為巖石材料單軸壓縮的破壞過程。圖2為從數(shù)值試驗(yàn)得到的載荷-位移全過程曲線。

通過巖石載荷-位移全過程曲線顯現(xiàn)了如下基本的巖石力學(xué)性質(zhì):

(1)線性變形階段。在加載的初期，載荷-位移曲線幾乎是線性的。

(2)非線性變形階段。當(dāng)載荷達(dá)到試件最大承載能力的50%左右時，試件的變形開始偏離線性，部分基元破壞。

(3)軟化階段。當(dāng)達(dá)到最大載荷之后，使試件進(jìn)一步變形的載荷越來越小，進(jìn)入弱化階段，直至試件產(chǎn)生宏觀破壞。

(二)ANSYS模擬掘進(jìn)工作面掏槽后圍巖變形實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用ANSYS軟件模擬掘進(jìn)工作面煤壁內(nèi)部掏槽后圍巖變形情況［7～8］。

模型選用拱形巷道，尺寸設(shè)為:寬度為3．0 m，高度為3．5 m，掏槽影響距離為30 m。巷道垂直方向受力2．5 ×107Pa，水平方向受力1．6 ×107Pa。

選擇四種掏槽位置:位置1、位置2、位置3和位置4，其掏槽中心距離巷道底板位置:1/7處、2/7處、3/7處、4/7處。掏槽后四種模型模擬變形效果如圖3、圖4、圖 5、圖 6 所示。

下圖為四種位置情況下，巷道頂板在Y方向上的位移、側(cè)幫在X方向上的位移和底板在Y方向上的位移。

通過對頂板、側(cè)幫和底板在X、Y方向的位移和應(yīng)力變化分析，表明位置1掏槽后底板底臌量達(dá)到0．25m，拉應(yīng)力達(dá)到 7．5 ×107Pa，底板完整性遭到破壞，不利用鋪設(shè)軌道。而位置3、位置4對底板位移影響較小，同時頂板下沉量較大。位置2底臌量為0．05m，拉應(yīng)力達(dá)到2×107Pa，促使底板裂隙發(fā)育。

(三)FLAC模擬回采工作面采動裂隙分布實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用FLAC軟件模擬回采工作面開采過程中采動裂隙變化及分布規(guī)律［9］。

(1)數(shù)值模型幾何尺寸

尺寸:162m(x_走向)×225m(y_傾向)×74m(z_垂直方向);單元數(shù):58320;節(jié)點(diǎn)數(shù):63250。

(2)巖層從上至下，分布情況

02_粉砂巖:厚 2m，03_5 煤:厚 1．4m，04_粉砂巖:厚1.2m，05_細(xì)砂巖:厚 2.1m，06_粉砂巖:厚2.9m，07_泥巖:厚3m，08_細(xì)砂巖:厚2．7m，09_粉砂巖:厚2.9m，10_粉砂巖:厚3.9m，11_7煤老頂:厚3.6m，12_7煤直接頂:厚2m，13_7煤偽頂:厚0.6m，14_7煤層:厚3.4m，15_7煤直接底:厚0.8m，16_7煤老底:厚 2.2m，17_粉砂巖:厚 1m，18_8煤:厚1.3m，19_粉砂巖:厚 5m，巖層傾角:6°(如圖 7所示)。

圖7 巖層分布情況

煤層開采后，將采區(qū)上方煤巖層擴(kuò)容區(qū)視為裂隙帶，越靠近采空區(qū)的部位，擴(kuò)容值越大，即裂隙體積擴(kuò)展越嚴(yán)重，巖體導(dǎo)水導(dǎo)氣性增強(qiáng)，形成裂隙帶。據(jù)此分析得到裂隙帶在開采過程中形成發(fā)展特征及分布規(guī)律。

在煤層走向方向上，冒落破碎區(qū)域巖層體積擴(kuò)容，裂隙區(qū)域體積擴(kuò)容。

(1)工作面向前推進(jìn)25m時，采空區(qū)上方15m～25m范圍內(nèi)粉砂巖、5煤、泥巖這些較薄或軟弱煤巖層內(nèi)部及巖層接觸面處開始產(chǎn)生裂隙。在走向方向上，裂隙帶范圍長約11m，邊緣落后于工作面煤壁約7m。

(2)工作面向前推進(jìn)40m時，裂隙帶發(fā)育，其中5煤層中裂隙發(fā)展速度大于其下方的泥巖，但裂隙高度變化不大。在走向方向上，裂隙帶范圍長約12m，邊緣落后于工作面煤壁約12m。

(3)工作面向前推進(jìn)60m時，裂隙帶位于采空區(qū)上方16m～26m。在走向方向上，裂隙帶范圍長約25m，邊緣落后于工作面煤壁約19m。

(4)工作面向前推進(jìn)80m時，裂隙帶高度擴(kuò)展到采空區(qū)上方13m～28m，粉砂巖、5煤、泥巖、細(xì)砂巖各煤巖層內(nèi)部均產(chǎn)生裂隙。在走向方向上，裂隙帶范圍長約47m，邊緣落后于工作面煤壁約22m。

(5)工作面向前推進(jìn)100m時，裂隙帶高度基本保持穩(wěn)定，為采空區(qū)上方13m～28m。在走向方向上，裂隙帶范圍長約77m，邊緣落后于工作面煤壁約21m。此階段，裂隙區(qū)域中部開始逐漸閉合。工作面推進(jìn)100m時裂隙變化模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 工作面向前推進(jìn)100m

五、結(jié) 語

針對我校礦山壓力實(shí)驗(yàn)室教學(xué)實(shí)際情況，提出了通過數(shù)值模擬軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革方案。借助于大型數(shù)值模擬軟件RFPA、ANSYS、FLAC等建立不同礦壓實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^參數(shù)優(yōu)化、模擬分析和動畫演示等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這樣不僅可以直觀顯示實(shí)驗(yàn)效果，同時也培養(yǎng)了學(xué)生操作模擬軟件的技能。模擬分析涵蓋巖石基本力學(xué)性質(zhì)測定，圍巖變形規(guī)律以及支護(hù)效果分析等《礦山壓力》實(shí)驗(yàn)教學(xué)各個環(huán)節(jié)。軟件模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高了學(xué)生參與模型設(shè)計的積極性和主動性，增加了學(xué)習(xí)興趣，改善了實(shí)驗(yàn)效果。

［1］ 錢鳴高，石平五．礦山壓力與頂板控制［M］．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003．

［2］ 馬文頂，許家林，鄒喜正．“礦山壓力與巖層控制”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2004，23(6):58-60．

［3］ 姜福興．礦山壓力與巖層控制課程改革研究［J］．中國礦業(yè)，2003，12(3):63-65．

［4］ 閆立章．用相似模擬物理模型研究礦山壓力［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2009，36(4):21-25．

［5］ 陳曉祥，張盛，韋四江．?dāng)?shù)值模擬技術(shù)在《礦山壓力及其控制》輔助教學(xué)中的應(yīng)用［J］．科技教育，2009，26:194-195．

［6］ 唐春安，王述紅，傅玉芳．巖石破裂過程數(shù)值試驗(yàn)［M］．北京:科學(xué)出版社，2003．

［7］ 劉波，韓彥輝(美國)．FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南［M］．北京:人民交通出版社，2005．

［8］ 彭文斌．FLAC3D實(shí)用教程［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

［9］ 張朝輝．ANSYS12．0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

Reform and Research of Laboratory Lecturing Method on Ground Pressure

ZHANG Jia-yong1，2，GUO Li-wen1，2
(1．College of Mining Engineering，Hebei United University Tangshan Hebei 063009，China;2．Hebei Key Laboratory or Mineral Development＆ Security Technology，Tangshan Hebei 063009，China)

Ground Pressure;Laboratory Lecturing;Mining Engineering

The numerical simulation software for the experimental teaching reform plans is put forward based on the ground pressure experiment teaching situation of the mining engineering．The question of shortage of funds for experiment and experimental teaching instrument lack was solved through the simulation analysis and animation of the experimental teaching by numerical simulation software RFPA，ANSYS，F(xiàn)LAC．The experimental effect was improved by software simulation experiment teaching and students＇participation in the model design has improved and interest in learning increased．

G642．0

A

2095-2708(2012)04-0030-04

2012-05-03