應(yīng)用數(shù)值試驗(yàn)方法 提升采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量

1、應(yīng)用數(shù)值試驗(yàn)方法 提升采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量 應(yīng)用數(shù)值試驗(yàn)方法 提升采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量 摘要： 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是采礦工程專業(yè)培養(yǎng)采礦工程師的重要途徑之一，本文針對(duì)采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，提出了應(yīng)用RFPA數(shù)值試驗(yàn)方法，構(gòu)建了采礦工程有關(guān)巖石力學(xué)和巖體工程的試驗(yàn)，對(duì)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果以及專業(yè)能力起到很好的推進(jìn)作用。 關(guān)鍵詞： 采礦工程； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 數(shù)值試驗(yàn)； RFPA 中圖分類號(hào)： G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1009-8631202104-0095-01 高等教育的任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高級(jí)專業(yè)人才。采礦工程專業(yè)是實(shí)踐性極強(qiáng)的工科專業(yè)，要培養(yǎng)能適應(yīng)社會(huì)主義現(xiàn)

2、代化建設(shè)需要的德、智、體全面開(kāi)展，根底扎實(shí)、知識(shí)面寬、能力強(qiáng)、素質(zhì)高、具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的采礦工程技術(shù)人員和研究人員【1】，就必須堅(jiān)持“加強(qiáng)根底、突出核心、注重實(shí)踐、整體優(yōu)化的原那么，全面推進(jìn)采礦工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)采礦工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力的重要途徑，是采礦工程專業(yè)教育不可缺少的重要環(huán)節(jié)。由于采礦工程接觸對(duì)象是巖體及巖體工程，物理模型實(shí)驗(yàn)受限較大，因此應(yīng)用數(shù)值試驗(yàn)方法，對(duì)于完善采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)，提升采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量具有極大的推進(jìn)作用。 一、采礦工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀 采礦工程應(yīng)用多學(xué)科理論、技術(shù)和方法，來(lái)系統(tǒng)研究和解決礦床開(kāi)采、開(kāi)拓等方面的有關(guān)問(wèn)題，具有綜合性強(qiáng)和實(shí)踐

3、性強(qiáng)的特點(diǎn)【2】。因此要求采礦工程專業(yè)的學(xué)生應(yīng)具備勇于探索的精神，具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和能力。但是，目前采礦工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)還存在以下問(wèn)題。 一專業(yè)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容體系不完善 采礦工程是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的專業(yè)，專業(yè)課程涉及采礦方法與工藝、地質(zhì)、測(cè)量、力學(xué)、礦山機(jī)電、企業(yè)管理等。實(shí)踐教學(xué)體系應(yīng)包括課程實(shí)驗(yàn)、專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)等，但由于專業(yè)特點(diǎn)及條件限制，不可能包含所有課程內(nèi)容。 二實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)內(nèi)容少，缺乏專業(yè)實(shí)驗(yàn)師資隊(duì)伍 實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)包括公共根底實(shí)驗(yàn)、專業(yè)根底實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容少，特別是專業(yè)實(shí)驗(yàn)，流于形式。專業(yè)實(shí)驗(yàn)師資隊(duì)伍缺乏，實(shí)驗(yàn)開(kāi)出率較低。 三生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)時(shí)間缺乏，實(shí)習(xí)效果不理

4、想 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)時(shí)間往往達(dá)不到實(shí)習(xí)大綱中規(guī)定的學(xué)時(shí)數(shù)，跟實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)投入缺乏有關(guān)，最主要的是跟礦山企業(yè)的特殊性有關(guān)，大多數(shù)礦山企業(yè)考慮到學(xué)生實(shí)習(xí)平安管理及生產(chǎn)壓力的問(wèn)題，往往壓縮實(shí)習(xí)學(xué)時(shí)數(shù)。 四常規(guī)實(shí)驗(yàn)演示性實(shí)驗(yàn)工程多，設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)工程少 實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)工程大多是大綱要求的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，只是作演示而已。綜合幾個(gè)學(xué)科知識(shí)的綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工程很少或沒(méi)有，而綜合性設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高有重要作用。 采礦工程接觸的對(duì)象是巖體或巖體工程，如巷道的開(kāi)挖、采空區(qū)、邊坡工程、排土場(chǎng)、尾礦庫(kù)工程等，這些巖體工程間的相互影響以及巖體工程的變形、穩(wěn)定性等性質(zhì)無(wú)法通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)來(lái)表達(dá)，一是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)巖體工程不允許破壞，工程

5、一旦破壞，整個(gè)采礦工程就報(bào)廢，會(huì)造成巨大的損失和平安事故，二是條件人力、物力、財(cái)力限制不允許。并且礦產(chǎn)資源在自然界的賦存條件是千變?nèi)f化的，地下原始條件是模糊的，具有不確定性，因此采礦工程具有不確定性。 由于采礦工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的特點(diǎn)，很多采礦專業(yè)院校都建立了多功能的虛擬實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)室3，4。西南科技大學(xué)采礦工程專業(yè)數(shù)值計(jì)算實(shí)驗(yàn)室購(gòu)置了RFPARealistic Failure Process Analysis，真實(shí)破壞分析軟件系統(tǒng)，應(yīng)用數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了有益的探索。 二、RFPA系統(tǒng)簡(jiǎn)介 RFPA是一種基于有限元應(yīng)力分析和統(tǒng)計(jì)損傷理論的材料破裂過(guò)程分析數(shù)值計(jì)算方法

6、，是一個(gè)能夠模擬材料漸進(jìn)破裂直至失穩(wěn)全過(guò)程的數(shù)值試驗(yàn)方法。該方法的一個(gè)重要特色是考慮了材料性質(zhì)的非均性，是一種通過(guò)非均勻性模擬非線性、通過(guò)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法模擬非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問(wèn)題的材料破裂過(guò)程分析新型數(shù)值分析方法【5】。 RFPA是將細(xì)觀力學(xué)方法與數(shù)值計(jì)算方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)考慮非均勻性特點(diǎn)研究巖石、混凝土等準(zhǔn)脆性材料的非線性力學(xué)行為，是一種運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法解決非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問(wèn)題的新型數(shù)值分析方法，為巖石、混凝土等準(zhǔn)脆性材料的非線性力學(xué)響應(yīng)和破壞過(guò)程的分析與模擬提供了非常有用的和方便的工具【6】。 RFPA系統(tǒng)具有以下功能：1模擬巖石、混凝土等準(zhǔn)脆性介質(zhì)的破裂過(guò)程，特別適宜于研究由局部破

7、壞過(guò)程引起的應(yīng)力重新分布對(duì)進(jìn)一步變形和破壞過(guò)程的影響；2模擬巖石、混凝土等準(zhǔn)脆性介質(zhì)破裂過(guò)程的聲發(fā)射規(guī)律，從而研究巖石、混凝土等準(zhǔn)脆性介質(zhì)破裂過(guò)程的聲發(fā)射頻度與震級(jí)關(guān)系以及巖石失穩(wěn)破壞的前兆特征；3通過(guò)嵌入的Weibull分布、正態(tài)分布等各種統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)，考慮材料力學(xué)參數(shù)強(qiáng)度、彈模等的非均勻性分布特征，從而可以從本質(zhì)上研究巖石、混凝土等準(zhǔn)脆性介質(zhì)變形的非線性特征；4可以考慮微觀缺陷，也可以考慮節(jié)理、裂隙等宏觀缺陷；5可以模擬加載引起的破裂過(guò)程，也可以模擬自重引起的破壞過(guò)程。 三、RFPA系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)工程的設(shè)計(jì) 根據(jù)RFPA系統(tǒng)的功能及采礦工程專業(yè)特性，西南科技大學(xué)采礦工程專業(yè)構(gòu)建了巖石力學(xué)方面和巖

8、體工程方面的實(shí)驗(yàn)工程，主要包括以下內(nèi)容。 一巖石力學(xué)RFPA數(shù)值試驗(yàn) 在巖石力學(xué)課程教學(xué)中，巖石的根本力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)包括單軸壓縮試驗(yàn)、常規(guī)三軸試驗(yàn)、直三軸試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)等，RFPA系統(tǒng)可以對(duì)巖石試件進(jìn)行以上試驗(yàn)的2D和3D試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)選定巖石的性能，用RFPA建立數(shù)值模型，給定巖石的材料參數(shù)包括均質(zhì)度、細(xì)觀彈性模量、細(xì)觀抗壓強(qiáng)度等，設(shè)定邊界條件包括加載的控制方式、加載速率等，即可進(jìn)行試件的變形與破壞過(guò)程數(shù)值試驗(yàn)。從數(shù)值試驗(yàn)可以得到試件中任意位置的變形與應(yīng)力信息，此外，通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)，可以觀察到巖石試樣中裂紋的萌生、擴(kuò)展、貫穿過(guò)程與聲發(fā)射過(guò)程，以及變形局部化和應(yīng)力重分布等復(fù)雜的斷裂現(xiàn)象。 二

9、巖體工程RFPA數(shù)值試驗(yàn) 結(jié)合采礦工程專業(yè)特點(diǎn)及學(xué)校專業(yè)特色，我們開(kāi)設(shè)以下內(nèi)容的RFPA試驗(yàn)：采礦誘發(fā)的巖層移動(dòng)規(guī)律及其平安穩(wěn)定性模擬分析、采空區(qū)平安性能模擬分析、地下工程施工誘發(fā)的地表沉陷計(jì)算模擬分析、隧道群的變形破壞過(guò)程計(jì)算模擬分析、巖質(zhì)邊坡變形破壞模擬分析、排土場(chǎng)穩(wěn)定性模擬分析等。通過(guò)這些試驗(yàn)清楚地觀察到巖體工程變形和破壞過(guò)程及其相應(yīng)的規(guī)律。 四、實(shí)踐效果 數(shù)值試驗(yàn)中，RFPA數(shù)值試驗(yàn)?zāi)軌蚱鸬皆谖锢韺?shí)驗(yàn)中“試驗(yàn)機(jī)的作用，與真實(shí)的巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)相比，數(shù)值試驗(yàn)機(jī)具有使用靈活、簡(jiǎn)單與方便等優(yōu)點(diǎn)，可大大降低試驗(yàn)本錢(qián)。 此外，RFPA數(shù)值試驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)閹r石力學(xué)試驗(yàn)、巖體工程試驗(yàn)過(guò)程提供大量的過(guò)程力學(xué)信息，可以再現(xiàn)許多物理實(shí)驗(yàn)所不能觀察到的力學(xué)現(xiàn)象(例如試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、聲發(fā)射等)，讓學(xué)生深刻體會(huì)領(lǐng)悟試驗(yàn)過(guò)程，從而使學(xué)生對(duì)巖石和巖體工程的變形與破壞過(guò)程有更加清晰準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量和效果。 參考文獻(xiàn)： 【1】 徐學(xué)鋒.2l世紀(jì)采礦工程專業(yè)人才素質(zhì)教育研究J.煤炭技術(shù)，2007.261：1-3. 【2】 郭兵兵，陳國(guó)祥，徐星.采礦工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的優(yōu)化J.中國(guó)地質(zhì)教育，2021，782：34-39. 【3】 張東升，屠世浩，萬(wàn)志軍等.采礦工程特色專業(yè)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革