单位文秘网 2021-08-31 09:00:10 点击: 次
摘 要:在矿山压力与岩层控制课程中进行了模型教学、数值模拟和相似材料模拟试验的教学改革尝试,实践证明:多种辅助教学手段与授课内容有机结合,在授课过程中起到了良好的效果,形成了理论学习、动手实践和理性思维提高的良性循环,激发了学生学习和科研的兴趣,使学生理论水平和创新思维大幅度提高。
关键词:模型教学 数值模拟 相似材料模拟 教学改革
中图分类号:G642.0
文献标识码:A
文章编号:1004-4914(2013)07-225-02
矿山压力与岩层控制课程是采矿工程专业主干课,是采矿工程本科、专科学生必修的专业课程。矿山压力与岩层控制是一门主要讲授矿井内各种巷硐及采煤工作面围岩稳定性及各种矿山灾害预测、防治方法的课程,具有力学基础要求高、内容抽象性强、实践性强等特点,在教学环节中很多关键内容的讲授和学习经常出现矛盾。部分涉及较为抽象的力学问题的教学往往事倍功半,学生的学习兴趣经常被抽象的力学模型和大量的符号公式推导消磨。尤其是在讲授“砌体梁”结构(如图1)、老顶的板断裂(如图2)、关键层理论及顶煤破碎机理与运移规律等章节时,大量的力学公式推导过程,让大部分学生理解困难,特别是对于在岩体力学等专业基础课以及实践、实习中投入不够的学生而言,困难则更大。学生既缺乏坚实的理论基础,又没有相应感性认识,往往在课堂上不知老师所云,因而需要直观、新颖的教学工具、教学手段的来帮助学生增强直观、感性认知,提升学习的主动性。为此,在当前形势下应在矿山压力与岩层控制课程教学中提倡模型教学、数值模拟和相似模拟实验等教学方法,以有效解决以上矛盾。
一、模型教学在矿山压力与岩层控制课程中的应用
长期以来矿山压力与岩层控制教学手段局限于板书、幻灯片等教学手段,形式单调、抽象。学生普遍认为矿山压力与岩层控制课程接受难度大,以至于逐步丧失学习兴趣。在多年的教学过程中,逐步体会到应在重点难懂章节教学中引入模型教学,从而减低学生学习理解的难度,从而提高学生学习主动性。
模型教学多用于医学、机械工程、化学等课程的教学中,其重点是将抽象难懂的知识点辅以实体模型,来加强学生对于学习对象的直观认知,帮助学生建立感性认识。在矿山压力与岩层控制课程教学环节中引入模型教学,其优点在于可以通过模型的展示、比较来达到一般教学手段难以显现的效果。具体体现在以下方面:其一,通过模型展示,调动学生主动学习,使抽象的概念具体化。其二,与传统授课手段相比较,学生亲手参与制作各种内容丰富的结构模型,能够加强其对所学知识的理解,可以活跃课堂气氛,提高他们的学习热情。例如,讲解砌体梁理论及其结构滑落失稳和变形失稳时,学生难以建立因煤层开采而引起的岩层移动,岩梁之间的空间关系和力学联系。若辅以实物模型来进行授课,通过实物模型展示岩层移动规律,直观的感受到岩梁间的力学联系,可以使以往难以建立的空间概念就变得直观、有趣且易于理解接受。
二、数值模拟在矿山压力与岩层控制课程教学中的应用
煤炭开采过程中涉及的岩土问题与其他行业岩土问题相比有着明显的区别。其本质区别是煤炭开采过程中的大部分围岩稳定性问题都与采掘活动引起的巷硐和工作面围岩应力重新分布、岩层移动和破坏密切相关。矿山压力与岩层控制这门课程的主要任务就是系统介绍各种巷道和回采工作面围岩应力分布规律、岩层移动规律和围岩控制方法。但是,传统的教学手段难以鲜明的表达应力分布或者岩层移动,包括传统的实践教学模式,如井下实习等,也难以实现应力、应变的直观、明确表达。随着计算机技术的普及和发展,经典的数学、力学难以解决的海量的数据处理问题得到很好地解决。数值模拟技术应运而生,它不仅能模拟岩体煤炭开采过程中各种复杂的矿山压力问题,也可很方便地分析煤炭开采的动态过程,实现工程问题的预测和预报,可以直观的显示巷硐或工作面围岩应力分布状态,动态的显示工作面推进过程以及随着工作面推采直接顶冒落、老顶断裂下沉以及地表的岩层移动等过程。可见,数值模拟技术的发展为矿山压力与岩层控制的教和学提供了更好的便利途径。
目前,可应用于采矿工程领域的数值模拟软件有很多种,如ANSYS、FLAC3D、UDEC、RFPA2D、RFPA3D、ADINA、ABAOUS、MARC、NASTRAN、FINAL、EFG等。大连力软科技有限公司的RFPA2D能够很好的再现各种岩石力学实验,如单轴抗压试验、劈裂实验、剪切实验,可模拟巷道破坏、工作面顶板冒落、岩层移动(如图3)、地表沉陷、开挖与支护和岩石的声发射等矿山压力与岩层控制课程的主要难点内容。能够非常“真实”的演示岩石在受载过程中其内部微细破裂产生到不断发展并导致最终的宏观破裂的过程,是一种运用连续介质力学方法解决非连续介质力学问题的新型数值分析方法,具有应力分析和破坏分析两大功能,RFPA2D的后处理功能也简单易学。根据教学需要、学生基础知识的储备水平和软件操作的难易程度,RFPA2D适宜于本、专科学生矿山压力与岩层控制课程的辅助教学。
通过数值模拟辅助教学可以极大地改变矿山压力与岩层控制课程实践教学的不足,使学生对很多抽象问题的学习变得容易,使其对岩体力学理论有了更深入的认识,极大地改善了课程教学质量,同时也激发学生的科研兴趣,培养学生主动学习的创新精神,提升了其专业素质和技术水平。
三、相似材料模拟在矿山压力与岩层控制课程教学中的应用
相似材料模拟研究方法的目的就是借助实验室材料,即采用与被模拟岩层的真实岩层相当的、其力学特性在所采用的模拟比例中能满足条件的材料,代替真实的矿山岩石,从而对实际工程状况进行直观上的规律和特性研究。
其过程是先根据真实岩石的试验资料,掌握它的力学和密度性质,以及为模型选定某种几何比,再选择相似材料的适当配比并按照所拟定的工艺和所选择的配比制作这些材料。用相似材料在专门的试验台上按照所采用的模拟比,制出模拟岩层的模型(如图4)。在模型中安设有仪器、设备和传感器,以便模拟支架的工作以及记录支架和被模拟岩层的应力、变形和移动。对被模拟的煤层或矿体进行“开采”(或“掘进”工作),并记录所出现的矿体岩石力学现象。
相似材料模拟研究法可以很详细地研究工作面推进和巷道掘进时岩层中所发生的力、位移等现象及机理,在矿山压力研究中具有重要的作用,是一种传统、实用和有效的研究方法。可以很好地起到辅助教学的作用,同时可以培养学生的动手能力,实现学以致用的素质教育。
四、结论
总之在当前形势下,矿山压力与岩层控制的课程教学应在板书、幻灯片等传统教学手段的基础上,加强模型教学、数值模拟和相似材料模拟在教学中的应用,形成理论学习、动手实践和创新思维提高的良性循环,激发学生学习和科研的兴趣,以便于教学效果的提高,学生专业技术素养的提升,更好的培养采矿工程技术人才。
[基金项目:黑龙江科技学院重点支持教研项目《采矿工程卓越工程师培养背景下的“协同式任务导向”教学模式研究》]
参考文献:
1.杨予,傅军.模型教学法在建筑结构专业课程中的应用探讨[J].理工高教研究,2009(6)
2.王述红,唐春安,朱万成等.数值试验在岩石力学实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2003(6)(8)
3.李鸿昌.矿山压力的相似模拟试验[M].徐州:中国矿业大学出版社,1988
4.朱万成,唐春安,梁正召.应用数值试验方法推进岩石力学实验的教学[J].力学与实践,2004(2)
5.唐春安,王述红,傅宇方.岩石破裂过程数值试验[M].北京:科学出版社,2003
(作者单位:黑龙江科技大学资源与环境工程学院 黑龙江哈尔滨 150027)
(责编:贾伟)
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