采矿工程专业课程抽象问题图形化教学模式

2017-11-01王永龙翟新献

中国地质教育 2017年3期

关键词：采矿工程专业课程巷道

王永龙，翟新献

河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454000

采矿工程专业课程抽象问题图形化教学模式

王永龙，翟新献

河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454000

为提高采矿工程专业课程教学质量，提出构建专业课程图形化教学模式。文章详尽介绍了基于Examine2D软件教学应用设计方法，并通过一个完整的教学案例设计将抽象的理论及工程问题转化为图像的方式展示给学生，辅助学生更加深刻地理解教学内容。在实际的教学应用中，这种教学方式吸引和激发了学生的学习兴趣，扩展了学生的知识面。该教学模式也可应用于岩土工程、土木工程、水利工程等相关学科专业课程的教学。

采矿工程；教学方法；图形化教学；辅助教学

采矿工程专业学生对专业课程的掌握及理解程度，对学生未来职业生涯有着重要的影响。对于毕业直接走向本专业工作岗位的学生，扎实的专业基础结合工程实践能够塑造一名优秀的工程师；对于继续深造的学生，扎实的专业基础结合专业方向的深入学习，能够塑造一名优秀的科研人员。因此，高校专业课程教师责任重大。如何将专业课程的知识点让学生更好地理解和把握，一直是高等院校专业课程教师不断进行探索的重要课题。

采矿工程专业培养计划，主要包括“煤矿开采学”、“岩石力学”、“井巷工程”等主干专业课程。本科生对这几门专业课程的掌握程度，决定着他们未来能否快速成长为一名优秀的矿山工程技术人员。这几门专业课程主讲内容都重点涉及巷道开挖、布置及维护等问题，由于本科生相关专业基础知识薄弱，课程讲解起来很抽象，学生不容易理解。因此，急需探寻一种新的教学方法，辅助学生学好这些专业课程。

计算机辅助学习软件、模拟软件[1-3]、3D打印[4]、构建虚拟仿真模型[5]等现代教育技术手段的成功应用[6]，为专业课教学提供了广泛的参考。目前，应用岩土数值模拟软件能够模拟不同形式巷道开挖过程中应力、变形及破坏特征，并能将分析结果以图片、曲线及动画的形式展现给学生，使学生对课程内容理解得更加深刻。FLAC3D/FLAC2D、ANSYS、ADINA、ABAQUS等数值分析软件均可应用于岩土开挖模拟。但这些计算程序操作相对复杂，大部分程序主要直接应用实际工程或更深层次的理论研究，应用教学极为不便。二维间接边界元Examine2D软件操作简单、计算效率高、程序开源，结合课程内容，通过具体的教学设计，适合课堂演示。因此，本文结合采矿工程专业“煤矿开采学”课程特点，将二维间接边界元Examine2D软件应用到课程教学中，将难以理解的理论及工程问题转化为更为直观图形及曲线来表达，辅助学生更加深刻地理解相关知识点，提高教学效果。

一、基于Examine2D软件教学应用方法

Examine2D是二维间接边界元（BundaryElement Method）的开源计算程序，用来计算岩石地下和地表挖掘的压力和位移。应用Examine2D软件，能够分析应力场变化巷道开挖引起的周围岩体应力、位移变化及围岩破坏情况，该软件能够生成云图、等值线图，以工程问题图形化的模式展示给学生。Examine2D软件教学设计基本流程如图1所示。

图1 Examine2D基本操作流程

二、课堂教学案例分析

1.课堂案例设计

在讲授“煤矿开采学”课程采区准备方式时，会涉及采区上山数目、位置和布置方式等问题。以最常见的两条巷道平行布置为例，在实际工程中，两条巷道之间的距离非常重要，它影响着巷道围岩应力、变形量及破坏特征，通过PPT文字叙述和静态图片讲解，教学效果较差，学生对问题理解通常停留在表面，难以激发学生更深入的思考问题。该课堂案例类似的应用在公路、隧道工程中也经常遇到。因此，其设计思路及分析方法对于本课程及相关专业课程都具有较强的指导作用。本案例具体设计为：

（1）应用Examine2D软件建立两条平行拱形开挖巷道，两条拱形巷道之间岩层厚度L= 6 m，课堂演示该条件下，巷道应力、变形特征。

（2）两条拱形巷道之间岩层厚度分别为L=6 m、L=9 m、L=12 m、L=15 m，课堂演示四种情况两条巷道之间围岩破坏情况。

2.巷道应力分布特征教学分析

如图2所示，为巷道周边最大主应力分布云图。从应力云图中，能够非常清晰地看出不同区域应力的变化趋势，从巷道内边界向岩体深部延伸，最大主应力呈升高然后逐渐降低的变化趋势。两条巷道中间形成明显的应力集中现象，因此，在实际工程中，存在两条巷道平行设置的情况下，必须合理设置两条巷道之间的距离并留设保护煤柱。为了能够更加清晰地观察和分析巷道周边的应力分布情况，可以生成等值线。图3所示为最大主应力等值线图，同时还可以提取任意边界上或任意区域上的数值并生成柱状图。图3中观测线AB线、CD线、T1巷道内壁、T2巷道内壁应力分布柱状图，从柱状图中可以让学生清晰观测到不同位置的应力大小。

图2 最大主应力分布云图

图3 最大主应力等值线图

在实际工程中，巷道形成后，分析巷道周边区域应力变化情况对于指导支护设计具有重要的作用。在Examine2D软件中，在巷道周边任意位置，通过设置观测线可提取观测线上任意一点的应力值，并形成相应应力曲线。参照图3，提取观测线AB线、CD线上的最大主应力值。图4所示为最大主应力沿观测线上变化趋势图。通过图4，学生可以更为准确地判断观测线上任意位置的最大主应力值。

图4 最大主应力沿观测线上变化趋势图

3.巷道变形分布特征教学分析

巷道形成后，巷道壁的变形情况是巷道支护重要参考数据。学生之所以对巷道支护问题难以理解，其主要原因是对巷道形成后，巷道壁的变形情况没有在学生大脑中形成深刻的印象。如果能够让学生从视觉上看到巷道开挖及形成变形的过程，可以让学生更加深刻地认识到深井巷道必须进行支护，起到控制围岩变形、保护巷道空间的作用。在Examine2D软件中，这一功能能够很容易实现。图5所示为位移分布云图，从图中可知，巷道壁的最大变形量为14 mm左右。对比图2应力分布云图，两条巷道中间的岩体处于受压状态，相应两条巷道中间岩体有较小的变形量。为了更清晰地观察巷道周边岩体的变形情况，同样生成位移等值线图，如图6所示。提取观测线AB线、CD线、T1巷道内壁、T2巷道内壁位移分布柱状图，从柱状图中可以让学生观测到巷道周边不同位置的变形量分布特征。

图5 位移分布云图

图6 位移等值线图

在Examine2D软件中提取观测线AB线、CD线上的位移值。图7所示为位移沿观测线上变化趋势图。通过图7，学生可以更为准确地判断观测线上任意位置的准确位移值。例如，在观测线CD上，受围岩两侧向中心的挤压作用，在两条巷道之间岩层的中间位置变形量最小。

应用Examine2D软件，可通过生成云图、等值线图将理论抽象问题转化为图形表达，从而使学生更为直观地理解专业课程知识点。

图7 位移沿观测线上变化趋势图

4.巷道破坏分布特征教学分析

应用Examine2D软件，可以通过强度因子分析巷道周边的破坏情况。图8所示为L=6 m巷道周边强度因子分布云图。在巷道周边较宽阔的区域，其强度因子小于1。可见，巷道周边的岩体发生了破坏。因此，巷道需要必要的支护措施，以预防矿压及岩层移动造成的巷道破坏。特别是在两条巷道中间区域，应力集中明显，受采掘活动影响，很有可能发生瞬间崩落，也就是“岩爆”现象。

图8 L=6 m巷道周边强度因子分布云图

可见，两巷之间的岩层厚度设计为L=6 m是不合理的。因此，可以通过加大两巷之间的岩层厚度来改善两条巷道之间岩层的受力情况。将两条拱形巷道之间岩层厚度增加到L=9 m、L=12 m、L=15 m，对比分析不同情况下两条巷道之间围岩破坏情况。

为了更为准确地分析两条巷道之间岩体的破坏情况，可以提取两巷之间观测线上的强度因子数据来进行对比。图9所示为强度因子沿观测线上变化趋势图。非常明显，当L=6 m、L=9 m、L=12 m时，在观测线上，两条巷道中间区域强度因子均小于1。可见，两巷道之间岩体发生了不同程度的破坏。当L=15 m时，在N1N2区间，其强度因子大于1，即两条巷道中间岩体破坏区域沿巷道壁向内延伸约4.5m，在两条巷道中间岩体有约6m的安全区域。在实际工程中，工程人员经常遇到类似的应用案例。例如，煤矿开采两条上山准备巷道布置在煤层底板时，两条巷道间距也有合理的设计。距离太大，会增大煤柱保护区，致使煤损增大；距离过小，两巷之间的隔离岩体应力集中现象明显，巷道易变形破坏，给巷道的维护带来很多困难。

图9 强度因子沿观测线上变化趋势图

应用Examine2D软件对课堂讲授内容进行具体的设计，可以使非常复杂抽象的理论及工程问题，转化成容易观察和分析的图像及曲线。例如，通过观察分析图8、图9关于两巷之间的岩层厚度不同围岩破坏因子的分布特征，学生对巷道支护的必要性、两条上山要保持合理的距离等问题有了更深层次的认识。该案例讲授完毕后，很多同学都建立了水平方向和垂直方向距离不等的两条、三条巷道模型，并总结出自己对课堂讲授内容的理解。

三、课堂效果

笔者为本校采矿工程专业本科生讲授“煤矿开采学”课程。在讲授井田开拓、巷道支护相关内容时，学生学习过程中表现得很吃力。学生对学习内容的理解只停留在表面上，对巷道收缩变形、顶板下沉、底板上鼓等问题的认识较模糊，通过课堂提问和调研，有接近80%的同学不理解所讲述内容。

根据课程大纲，后面章节中的教学内容与岩石力学知识更为紧密。在讲授采区上山巷道布置，上（下）山数目、位置和布置方式、工作面矿山压力的显现规律等章节时，应用Examine2D软件课堂模拟了很多案例。例如，不同应力场环境巷道开挖的力学特征、厚煤层分层开采、分层放顶煤开采等案例。

Examine2D软件的课堂应用，将难以理解的理论及工程问题转化为更为直观的图形来表达，很多同学不仅对该方法非常感兴趣，同时对于以前讲解的内容也有了更为深入的了解。通过课堂效果反馈，学生对该教学方法很认同，并在课外时间应用Examine2D软件对课程中的内容进行设计和验证，并积极主动与老师交流，探讨软件的学习方法和验证模型存在的问题。通过统计，有90%以上的同学积极地参与到专业课程的学习中来，并且能够理解课堂所讲内容。可见，结合Examine2D软件讲解采矿工程专业课程的相关内容，具有良好的课堂效果，因此，值得在“岩石力学”、“土力学”、“井巷工程”等课程相关章节推广使用。

四、结束语

对于教授专业性很强的课程，应将多媒体、应用软件、虚拟仿真等现代教育教学手段结合起来，将复杂的理论教学内容简单化，辅助学生理解，同时吸引和激发学生的学习兴趣，提升学生学习参与度，培养他们的学习探究能力。作者在“煤矿开采学”课程教学中，应用Examine2D软件将抽象的理论及工程问题转化为图像的方式展示给学生，不仅有助于学生更为直观地理解问题，同时，使用该软件生成视觉冲击性强的彩色图片来说明实际问题，能够吸引学生的注意力并有效提升学生的学习兴趣。借鉴Examine2D软件在“煤矿开采学”课程中的应用效果，可以将该教学方法复制和移植到“岩石力学”、“土力学”、“井巷工程”等课程中来。下一步，将重点考虑如何应用Examine2D软件更为合理构建“煤矿开采学”课堂案例，使本科生不仅能够领会教学内容，同时能够引导学生掌握应用数值模拟解决实际工程问题的方法，有利于全方位提升学生的综合素质。

[1] 胡中玉，岳强，任杰，等．基于Proteus仿真的电工电子课程教学创新[J]．实验技术与管理，2016，33（4）：128-130．

[2] 张晓君，郑怀昌．数值模拟结果演示推进岩石力学课堂教学[J]．中国现代教育装备，2012（9）：47-49．

[3] 刘晓明，肖厚藻，陈辉，等．Dimine软件在地质学教学中的应用与实践[J]．中国地质教育，2015，24（1）：99-102．

[4] 杨永飞，孙致学，张凯，等．基于CT扫描和3D打印可视化技术构建石油工程Solid Larnineg教学新模式[J]．实验技术与管理，2015，32（9）：64-67．

[5] 崔贯勋，熊建萍．基于虚拟仿真技术的MOOE实践教学平台开发[J]．实验技术与管理，2016，33（4）：103-107．

[6] 孙丽萍，赵辉．无机及分析化学课程教学方法的探索与实践[J]．黑龙江高教研究，2016（6）：148-149．

Title： Graphical Teaching Mode of Abstract Problem for Mining Engineering Specialized Courses

Author(s): WANG Yong-long，ZHAI Xin-xian

mining engineering; teaching method; graphical teaching; teaching aid

1006-9372（2017）03-0048-05

2016-11-29。

河南理工大学教育教学改革研究项目（2015JG019，2014JG020）。