《矿山压力》课程实验教学方法改革

张嘉勇，郭立稳

(1．河北省矿业研究与开发重点实验室，河北唐山063009;2．河北联合大学矿业工程学院，河北唐山063009)

《矿山压力》课程实验教学方法改革

张嘉勇1，2，郭立稳1，2

(1．河北省矿业研究与开发重点实验室，河北唐山063009;2．河北联合大学矿业工程学院，河北唐山063009)

矿山压力;实验教学;采矿工程

结合学校采矿工程专业《矿山压力》课程的实验教学现状，提出了通过数值模拟软件进行实验教学的改革方案。借助于大型数值模拟软件RFPA、ANSYS、FLAC等建立相应矿压实验教学模型，通过模拟分析和动画演示等形式进行实验教学，解决了实验经费不足，实验教学仪器匮乏的问题。软件模拟实验教学提高了学生参与模型设计的积极性和主动性，增加了学习兴趣，改善了实验效果。

实验教学是理工科院校教学体系中不可或缺的重要环节，是培养大学生动手能力、创新能力、理论联系实际等能力的重要手段。因此，通过对《矿山压力》课程实验教学方法的改进，使学生能够切实看到矿山压力现象的真实原因以及演变特征。它不仅起到巩固、深化学生所学理论知识的作用，更重要的是培养学生独立工作的能力和创新能力。

我校近年来在公共基础课实验室建设与教学改革上做了大量卓有成效的工作。相比而言，专业实验室的教学改革工作亟待加强。如何充分发挥高校实验室在培养大学生综合素质上的作用，提高实验教学的质量，是我国高校教学中一个亟需解决的问题。

目前《矿山压力》实验课的改革主要是适当增加实验课学时数，如原来的4学时提高到8学时;将原先理论课讲授的部分内容改为实验课，如“矿山压力的研究方法”的有关内容，主要在实验课讲授。结合具体的模型和实测仪器来讲授矿山压力研究方法，效果将会比课堂理论讲授好。但是我校《矿山压力》实验教学设备不足，并且该课程为采矿工程专业的必修主干课程之一，因此，《矿山压力》实验教学必须另辟蹊径［1～5］。

一、矿山压力实验教学存在的问题

《矿山压力》是我校采矿工程专业必修的主干课程之一，通过该门课程的学习，学生应该掌握矿山压力的基本理论和矿压控制的技术措施，为毕业后胜任本职工作奠定坚实基础。但是我校该课程的实验教学一直没有可行的方法，导致无法开展实验教学。

(1)实验仪器不足。由于矿山压力课程需要配套仪器较多，而且单套设备造价较高，实验耗材贵，试验成本相对较高，造成我校该方向的仪器设备匮乏。目前有一台试验用压力机，型号WAW-2000和采动顶板活动规律模型。目前只能进行岩石单轴强度实验，而三轴强度试验、采动裂隙分布规律等实验课无法开展。

(2)实验课内容安排不合理。《矿山压力》课程实验课包括5部分内容:岩石力学性质测定、岩层控制支护体力学性能测试、物理模拟实验、常用矿压仪表使用方法以及模型(巷道模型;支柱、支架模型;回采模型)。我们只能开展岩石力学性质测定，其他四个方面实验教学无法开展，更缺乏设计型和综合型实验，这对培养学生的创新意识和创新能力是不利的。

(3)实验教学方式不完善。目前，《矿山压力》课程总学时为32学时，其中含4学时的实验教学环节。学生多而学时少，实验设备套数少，分组不可能过细，多人一组，每个学生没有充分的操作机会，大部分学生处于被动地位。有的实验甚至难以开出，只能是学生看教师演示实验，而不是学生自己做实验，事实上是看实验，而不是做实验。导致专业课实验教学没有达到应有的效果。

(4)实验课考核方式不合理。《矿山压力》实验教学不单独计成绩或不计成绩，实验教学为课程的辅助部分，导致学生的主动性得不到充分调动，学生普遍存在重理论轻实验的现象。学生实验能力高低、实验完成质量好坏，从课程考核中几乎得不到反映，使得学生对实验课不重视，更缺乏通过实验课培养自己专业工程实践能力和创新能力的意识。

二、矿山压力实验教学方法改革探索

针对我校矿山压力实验室教学仪器设备匮乏，实验条件不足的特点，提出了通过数值模拟软件进行实验教学的改革方案。

结合《矿山压力》课程实验教学内容，通过大型数值模拟软件RFPA、ANSYS、FLAC等建立不同矿压实验模型，通过参数优化、模拟分析和动画演示等实现实验教学的可视化。

(一)RFPA模拟单轴压缩实验

RFPA系列软件可进行岩石、混凝土等脆性材料受载的变形破坏分析，其声发射模式的探测，亦可进行简单的工程应用分析，如地下工程开挖及支护过程中的应力场、位移场监测及声发射(微震)监控等［6］。图1为岩石材料单轴压缩的破坏过程。图2为从数值试验得到的载荷-位移全过程曲线。

通过岩石载荷-位移全过程曲线显现了如下基本的岩石力学性质:

(1)线性变形阶段。在加载的初期，载荷-位移曲线几乎是线性的。

(2)非线性变形阶段。当载荷达到试件最大承载能力的50%左右时，试件的变形开始偏离线性，部分基元破坏。

(3)软化阶段。当达到最大载荷之后，使试件进一步变形的载荷越来越小，进入弱化阶段，直至试件产生宏观破坏。

(二)ANSYS模拟掘进工作面掏槽后围岩变形实验

应用ANSYS软件模拟掘进工作面煤壁内部掏槽后围岩变形情况［7～8］。

模型选用拱形巷道，尺寸设为:宽度为3．0 m，高度为3．5 m，掏槽影响距离为30 m。巷道垂直方向受力2．5 ×107Pa，水平方向受力1．6 ×107Pa。

选择四种掏槽位置:位置1、位置2、位置3和位置4，其掏槽中心距离巷道底板位置:1/7处、2/7处、3/7处、4/7处。掏槽后四种模型模拟变形效果如图3、图4、图 5、图 6 所示。

下图为四种位置情况下，巷道顶板在Y方向上的位移、侧帮在X方向上的位移和底板在Y方向上的位移。

通过对顶板、侧帮和底板在X、Y方向的位移和应力变化分析，表明位置1掏槽后底板底臌量达到0．25m，拉应力达到 7．5 ×107Pa，底板完整性遭到破坏，不利用铺设轨道。而位置3、位置4对底板位移影响较小，同时顶板下沉量较大。位置2底臌量为0．05m，拉应力达到2×107Pa，促使底板裂隙发育。

(三)FLAC模拟回采工作面采动裂隙分布实验

应用FLAC软件模拟回采工作面开采过程中采动裂隙变化及分布规律［9］。

(1)数值模型几何尺寸

尺寸:162m(x_走向)×225m(y_倾向)×74m(z_垂直方向);单元数:58320;节点数:63250。

(2)岩层从上至下，分布情况

02_粉砂岩:厚 2m，03_5 煤:厚 1．4m，04_粉砂岩:厚1.2m，05_细砂岩:厚 2.1m，06_粉砂岩:厚2.9m，07_泥岩:厚3m，08_细砂岩:厚2．7m，09_粉砂岩:厚2.9m，10_粉砂岩:厚3.9m，11_7煤老顶:厚3.6m，12_7煤直接顶:厚2m，13_7煤伪顶:厚0.6m，14_7煤层:厚3.4m，15_7煤直接底:厚0.8m，16_7煤老底:厚 2.2m，17_粉砂岩:厚 1m，18_8煤:厚1.3m，19_粉砂岩:厚 5m，岩层倾角:6°(如图 7所示)。

图7 岩层分布情况

煤层开采后，将采区上方煤岩层扩容区视为裂隙带，越靠近采空区的部位，扩容值越大，即裂隙体积扩展越严重，岩体导水导气性增强，形成裂隙带。据此分析得到裂隙带在开采过程中形成发展特征及分布规律。

在煤层走向方向上，冒落破碎区域岩层体积扩容，裂隙区域体积扩容。

(1)工作面向前推进25m时，采空区上方15m～25m范围内粉砂岩、5煤、泥岩这些较薄或软弱煤岩层内部及岩层接触面处开始产生裂隙。在走向方向上，裂隙带范围长约11m，边缘落后于工作面煤壁约7m。

(2)工作面向前推进40m时，裂隙带发育，其中5煤层中裂隙发展速度大于其下方的泥岩，但裂隙高度变化不大。在走向方向上，裂隙带范围长约12m，边缘落后于工作面煤壁约12m。

(3)工作面向前推进60m时，裂隙带位于采空区上方16m～26m。在走向方向上，裂隙带范围长约25m，边缘落后于工作面煤壁约19m。

(4)工作面向前推进80m时，裂隙带高度扩展到采空区上方13m～28m，粉砂岩、5煤、泥岩、细砂岩各煤岩层内部均产生裂隙。在走向方向上，裂隙带范围长约47m，边缘落后于工作面煤壁约22m。

(5)工作面向前推进100m时，裂隙带高度基本保持稳定，为采空区上方13m～28m。在走向方向上，裂隙带范围长约77m，边缘落后于工作面煤壁约21m。此阶段，裂隙区域中部开始逐渐闭合。工作面推进100m时裂隙变化模拟结果如图8所示。

图8 工作面向前推进100m

五、结 语

针对我校矿山压力实验室教学实际情况，提出了通过数值模拟软件进行实验教学的改革方案。借助于大型数值模拟软件RFPA、ANSYS、FLAC等建立不同矿压实验模型，通过参数优化、模拟分析和动画演示等进行实验教学，这样不仅可以直观显示实验效果，同时也培养了学生操作模拟软件的技能。模拟分析涵盖岩石基本力学性质测定，围岩变形规律以及支护效果分析等《矿山压力》实验教学各个环节。软件模拟实验教学提高了学生参与模型设计的积极性和主动性，增加了学习兴趣，改善了实验效果。

［1］ 钱鸣高，石平五．矿山压力与顶板控制［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2003．

［2］ 马文顶，许家林，邹喜正．“矿山压力与岩层控制”课程实验教学的探索［J］．实验室研究与探索，2004，23(6):58-60．

［3］ 姜福兴．矿山压力与岩层控制课程改革研究［J］．中国矿业，2003，12(3):63-65．

［4］ 闫立章．用相似模拟物理模型研究矿山压力［J］．矿业安全与环保，2009，36(4):21-25．

［5］ 陈晓祥，张盛，韦四江．数值模拟技术在《矿山压力及其控制》辅助教学中的应用［J］．科技教育，2009，26:194-195．

［6］ 唐春安，王述红，傅玉芳．岩石破裂过程数值试验［M］．北京:科学出版社，2003．

［7］ 刘波，韩彦辉(美国)．FLAC原理、实例与应用指南［M］．北京:人民交通出版社，2005．

［8］ 彭文斌．FLAC3D实用教程［M］．北京:机械工业出版社，2007．

［9］ 张朝辉．ANSYS12．0结构分析工程应用实例解析［M］．北京:机械工业出版社，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，FLAC．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