數(shù)值模擬技術在采礦工程中的運用

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摘要：隨著數(shù)值模擬技術的不斷發(fā)展，其在相關專業(yè)人才培養(yǎng)中的作用日益凸顯。本文針對內蒙古科技大學礦業(yè)研究院采礦工程學科特點和人才培養(yǎng)現(xiàn)狀，舉例分析了數(shù)值模擬技術在采礦工程專業(yè)不同學習層次學生教學活動中的應用，并探討了相關的課程體系的建設。

關鍵詞：數(shù)值模擬技術；采礦工程；人才培養(yǎng)

內蒙古科技大學礦業(yè)研究院擁有自治區(qū)唯一的礦業(yè)工程一級學科博士學位授權點，礦業(yè)工程學科是內蒙古自治區(qū)的重點學科，采礦工程專業(yè)是國家級特色專業(yè)，為自治區(qū)煤炭行業(yè)輸送了大量高素質人才。然而，傳統(tǒng)的教學方式僅僅依靠理論知識學習和現(xiàn)場實習相結合，即通過現(xiàn)場實習將課堂中所學知識進行理解和深化，其教學效果不明顯。數(shù)值模擬技術能對采礦工程相關理論知識進行數(shù)值計算和圖像顯示，使其形成形象化的概念，有助于學生理解和掌握[1]。此外，通過數(shù)值建模過程和數(shù)值計算結果的分析，還能使學生對掌握的專業(yè)知識融會貫通，有助于提高學生的研究能力[2]。

一、采礦工程學科特點與人才培養(yǎng)現(xiàn)狀

采礦工程專業(yè)知識體系廣、實踐性強，是培養(yǎng)礦山復合型人才的重要專業(yè)，專業(yè)基礎課如礦山壓力與巖層控制、井巷工程、采礦學等都與實踐有著密切的關聯(lián)[3]。采礦工程專業(yè)教學內容不僅涉及大量的專業(yè)術語、理論公式，還涉及礦井生產(chǎn)系統(tǒng)、巷道布置與支護以及采礦活動引起的巖層移動等復雜的三維空間運動[4]。如果只依靠上課PPT、文字、二維圖紙和實驗室三維模型的參觀，學生只能從字面上理解幾個專有名詞，很難在短時間內清楚的了解和掌握相關知識。另外，由于學生人數(shù)較多、專業(yè)課課時不夠等原因，且存在實驗設備數(shù)量不足、性能老化等問題，導致一些實驗教學工作難以開展[5]。不得不采取大組實驗或縮短試驗課時甚至取消部分試驗的方法，或者實驗課僅限于參觀模型，學生的培養(yǎng)質量堪憂。而現(xiàn)場實習往往流于形式，學生現(xiàn)場實習時，看到的僅僅是靜態(tài)的局部的現(xiàn)象，如巷道表面支護情況、變形情況，工作面頂板冒頂、煤壁片幫等，很難對巷道支護、礦山壓力顯現(xiàn)有深入的理解和認識，學生學習效果并不理想。

二、數(shù)值模擬技術應用可行性分析

近年來，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬技術在采礦工程學科中的應用越來越廣。其中以有限差分法、有限元法、離散元法等數(shù)值方法為基礎的數(shù)值模擬軟件已廣泛應用于采礦工程科學研究工作中，如FLAC/FLAC3D、UDEC/3DEC、PFC/PFC3D、RFPA等二維或三維數(shù)值模擬軟件均具有較強的建模和運算能力，計算結果準確，用戶界面易于使用，計算結果能以圖片或者數(shù)據(jù)的形式形象地展現(xiàn)出來等優(yōu)點[6，7]。這為數(shù)值模擬技術在采礦工程人才培養(yǎng)中的應用提供了良好的基礎。礦業(yè)研究院采礦工程專業(yè)教師大都具有博士以上學歷，對相關數(shù)值模擬軟件應用熟練，為數(shù)值模擬技術在專業(yè)課程教學以及人才培養(yǎng)中的應用提供了有力保證。采礦工程數(shù)值模擬主要步驟包括：數(shù)值計算模型的建立、模型參數(shù)的選取與賦值、計算結果的選取與分析。教師可以有選擇性的讓不同學習層次的學生參與到數(shù)值模擬分析的過程中，使得培養(yǎng)的目標更具選擇性，這也是數(shù)值模擬技術在采礦工程人才培養(yǎng)當中的優(yōu)越性之一[8]。采礦工程本科生專業(yè)課程主要以基本概念和基本規(guī)律為主，課程設置難度不以科學研究為主要目的。這就使得教師可以在精度要求不高的情況下應用數(shù)值模擬軟件，對專業(yè)課程學習中的重難點知識進行數(shù)值模擬仿真分析，將數(shù)值模擬的建模結果以及模擬結果直觀地展示給學生，讓學生建立關于相關知識的三維立體空間概念，更加深刻地理解和掌握一些基本規(guī)律，做到知其然而知其所以然。采礦工程本科專業(yè)課如礦山壓力與巖層控制、井巷工程、采礦學、礦井通風與安全等，其中許多知識都可以用數(shù)值模擬軟件進行模擬分析，通過直觀地認識和學習，比教師只在課堂上進行概念的描述和講解更易于學生掌握。采礦工程研究生培養(yǎng)主要以鍛煉學生解決實際問題和進行更深一步的科學研究能力為主。例如礦業(yè)研究院采礦工程方向研究生課程包括：礦山災害控制與預警技術、煤礦開采新理論與新技術、軟巖巷道支護技術與工程、控制爆破技術等。在課程學習過程中，教師可以針對不同的學習章節(jié)，選擇適合的數(shù)值模擬軟件對相應的內容進行講解和數(shù)值模擬。使得學生對相關數(shù)值模擬軟件的優(yōu)缺點及適應性有一定深度的理解，并使學生參與到整個數(shù)值模擬的全過程當中。通過數(shù)值模擬軟件的學習對學習內容有深入的理解和思考，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

三、數(shù)值模擬技術在采礦工程教學中的應用

1.數(shù)值模擬技術在本科教學中的應用。數(shù)值模擬技術可以在采礦工程本科專業(yè)課教學中起到輔助作用，現(xiàn)舉例如下：（1）礦山壓力與巖層控制：采用數(shù)值模擬軟件模擬演示采場頂板活動規(guī)律、失穩(wěn)結構特征、采場圍巖采動應力分布規(guī)律、支架圍巖相互作用關系以及覆巖移動規(guī)律等。（2）井巷工程：模擬演示礦井井巷（例如井底車場主要硐室，采區(qū)車場、上下山及回采巷道等）布置及其空間位置關系。演示不同斷面形狀巷道的支護形式，以及不同支護形式下巷道圍巖變化和破壞情況等。（3）采礦學：模擬演示不同地質賦存條件、不同開采方法下采場覆巖活動規(guī)律、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，特殊開采（例如“三上一下”開采、充填開采等）條件下覆巖變形及預測以及露天煤礦邊坡三維空間分布狀態(tài)及其穩(wěn)定性等。2.數(shù)值模擬技術在研究生教學中的應用。在研究生專業(yè)課程學習及培養(yǎng)中，結合數(shù)值模擬軟件的學習和應用，可以有效提高學生科研水平，利于學生掌握不同的數(shù)值模擬研究手段，有利于學生針對實際工程問題展開相應的研究工作。例如采場圍巖控制方面，可以結合數(shù)值模擬軟件進行固液耦合、固氣耦合等計算分析，研究礦井突水、煤與瓦斯突出的發(fā)生機理及控制技術等；巷道圍巖控制方面可以進行深部軟巖巷道變形機理及其控制技術的研究。另外，針對采礦工程問題的三維數(shù)值仿真模擬，可以利用三維地質建模知識和數(shù)值模擬軟件相結合，進行復雜空間區(qū)域條件下采動破壞問題的研究，等等。

四、結語

在采礦工程人才培養(yǎng)過程中，針對不容層次、不同方向的學生展開針對性的教學活動，將理論知識與實際操作相結合，引導學生掌握現(xiàn)代化的技術手段，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，提高人才培養(yǎng)質量，培養(yǎng)出復合型的高素質人才是內蒙古科技大學礦業(yè)研究院的培養(yǎng)目標。在教學實踐中，內蒙古科技大學采礦工程本科專業(yè)課開展了C語言程序設計、礦山測量、礦圖、CAD設計基礎等信息化相關課程。針對在采礦工程學習與實踐中具有實用價值的數(shù)值模擬技術知識尚有一定的欠缺，建議增設諸如數(shù)值分析、計算機輔助設計、以及有限元數(shù)值模擬和離散元數(shù)值模擬等課程的學習，更好地發(fā)揮數(shù)值模擬技術在采礦工程專業(yè)復合型人才培養(yǎng)中的重要作用。

參考文獻：

[1]喬燕珍.數(shù)值模擬在采礦工程專業(yè)課程教學中的應用研究[J].內蒙古煤炭經(jīng)濟,2017,(22):91-92.

[2]郭保華.數(shù)值模擬在采礦工程專業(yè)實踐教學中的應用[J].科技創(chuàng)新導報,2007,(33):183.

[3]趙怡斐,王麗恩.煤炭高校礦業(yè)工程學科發(fā)展現(xiàn)狀與對策研究[J].煤炭高等教育,2016,(04):1-5.

作者：李建偉 王文才 劉樹新 吳祥業(yè) 單位：內蒙古科技大學礦業(yè)研究院