井巷工程创新教学实验平台建设

杨立云，孙 强

实验课程改革

井巷工程创新教学实验平台建设

杨立云，孙 强

（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083）

结合矿山建设专业井巷工程教学实验实际情况，分析了传统教学中存在的问题，提出了建立矿山建设井巷模型实验系统平台的构想。根据实验教学需要和创新训练需求，设计和搭建了包括矿建井巷模型加载系统和数字图像相关（DIC）监测与分析系统组成的多功能井巷工程模型实验系统平台，设计了操作简便的基础性教学实验，完成了多项大学生创新训练、毕业论文等科研实验，并打造了开放自主实验室环境。

井巷工程教学；实验平台；DIC

“井巷工程”是土木工程矿山建设方向的核心主干课程，旨在培养学生了解和掌握矿山工程、隧道工程和水利工程等相关理论、设计、技术、施工工艺以及施工组织与管理等方面知识。随着我国高等学校人才培养机制的转变，即强化基础课程、压缩专业课程和实施通才教育，原有的井巷工程教材和实践等教学条件老旧，已无法适应新时代要求[1-2]。我校作为老牌矿业高校，在井巷工程教学方面亦存在上述问题：实验技术和设备落后，学生对井巷工程的基本力学原理很难有清晰概念和直观感受；实验室设备功能单一且操作复杂，限制了学生自主发挥的空间，影响了创新实验教学的开展。

2016年我校根据实际情况提出和创建了井巷工程模型实验多功能平台，设计了井巷模型加载系统和数字图像相关（DIC）监测与分析系统，打造了开放自主实验环境，满足了基础性教学实验和创新性科研实验要求。基础性教学实验包括圆形、矩形和拱形等常用井巷断面的力学分析。创新性科研实验则可以根据学生在学习过程中遇到的问题进行设计或从大学生创新训练项目中获取，鼓励大胆实践创新，曾完成深部岩体爆破、围岩支护方面的实验项目，培养了学生的创新意识与能力。

1 井巷工程基础实验课的开展及存在问题

1.1 井巷模型实验教学的初步开展

我校原有的井巷模型实验系统（见图1）主要由反力架、液压加载系统、测控系统、数据采集系统等组成[3]。

图1 井巷模型实验系统

井巷工程实验课主要采用此实验系统授课，其基本定位是了解+部分演示。具体包括3大环节：

一是矿井模型实验准备。基于相似理论浇筑大型地质模型，主要以石膏、细沙和水泥作为相似模型材料，并埋设应变砖、压力盒和位移传感器等测量仪，浇筑养护完成后，采用台式水钻开挖直径300 mm的圆形巷道（见图2）。此阶段以研究生为主体，本科生主要是了解。

图2 圆形巷道

二是模型实验开展阶段。通过逐级加载，模拟井巷围岩的受力变形甚至破坏等现象，测试巷道在不同载荷下的变形、围岩中应力分布等，绘制应力/位移等变化曲线（见图3）。此阶段以教师为主体，本科生主要是观摩和记录。

三是模型实验报告编制阶段。通过实验报告，详细地叙述井巷模型实验过程，分析实验数据和总结实验结果。此阶段以本科生为主体，主要强化学生对井巷的基本力学原理和概念的认识。

1.2 存在问题

限于我校井巷工程实验室实际情况，井巷工程教学实验的开展尚存在一系列的问题：

图3 应力变化曲线

（1）实验场地狭窄。实验室面积仅70 m2，由于模拟岩体的实验条件和对数据采集的需求，室内安装了重型反力架和加载系统以及繁琐的测控系统和数据采集系统。室内空间狭小，仪器众多，在以往的教学实例中，1个班的学生进入实验室会造成实验室拥挤现象，导致很多学生没有机会接触实验仪器和设备，并且后面的学生由于视线受阻，无法很好地参与到实验教学中，只能简单地观摩，无法自主操作。

（2）实验室设备存在局限性。传统的井巷模型实验室的加载系统由反力架和液压装置组成，笨重、操作复杂，且变形监测技术采用常规的压力盒、应变片和位移计等电测仪器，只能够测量岩体中某固定点的应力分布情况，测量结果不具有连续性，不能很好地表征在不同应力下试件应力的分布情况，也无法掌握模型试件的薄弱受力点，且不直观，无法实时显现。所以传统变形检测技术已经不能很好地满足科研和实验教学的要求。

（3）实验耗时且耗费资源多。传统的井巷模型实验需要做大量的前期准备工作，包括大量实验材料的购买、实验模型的制造和养护以及实验设备的运行和维护等。一个模型实验的完成需要耗费大量的人力、财力和物力，无法适用于创新性实验教学。

（4）井巷工程实验课时少，实验项目有限。目前，井巷工程实验课时少，再加上以上几点问题的存在，所以只能进行圆形巷道的模拟实验，对于其他具有代表性的矩形和拱形等井巷模型实验都无法开展。为了满足几个班级的上课要求，模型试件不能被加载破坏。这种教学方式导致实验结果出现较大误差以及不能实现井巷围岩破坏现象的模拟。所以井巷工程实验教学环节十分薄弱。

2 基于DIC技术的实验平台设计与搭建

为了适应新时代下矿山建设人才培养的要求，我校2016年建立了井巷工程模型实验多功能平台，主要包括井巷模型加载系统和数字图像相关分析（DIC）监测与分析系统。传统的井巷模型实验室预埋压力盒、应变片和位移计等[4-6]，监测技术落后。近些年实验力学测试技术和设备发展迅速，数字图像相关分析（DIC）方法在各行各业都得到越来越广泛的应用，且操作简单、适应性广[7-10]。该实验平台简单实用、实验成本低、适用范围广、可视化程度高。学生可通过电脑屏幕直观地了解实验模型应变变化情况。与此同时，该系统能够满足不同形状巷道断面的变形监测，实现整个模型全场的应变分析。该系统的建立不仅能满足本科基础教学实验要求，而且能为大学生创新训练提供创新性科研实验设备支撑，推动了先进实验技术的教学和应用。矿山模型加载系统如图4所示，采用液压千斤顶和压力传感器实现竖向静态加载和载荷显示。

图4 模型加载系统

该加载系统载荷范围为0~300 kN，可以满足长宽50~300 mm、厚5~200 mm的试件加载。选择厚度较小的试件时，可以近似视为平面应力模型。实验过程中，将试件放入加载框架内，通过螺丝杆推动楔块来固定不同厚度的试件。此加载系统简单灵活、拆卸方便、占地空间少、操作简单、造价成本低。在同样的实验条件下，可以制作、安装多套，让学生分组实验，亲自动手。

数字图像相关分析（DIC）监测与分析系统由计算机、数据采集装置、照明设备和DIC分析软件等组成，如图5所示。照明设备为白光光场，提供稳定光源。数据采集装置由CCD相机组成，用以拍摄试件变形前后的图像。计算机在整个测量过程中负责下达采集和图像保存命令，并装载DIC分析软件，进行后期的图像相关计算与分析。

图5 DIC监测与分析系统

3 平台应用实例

3.1 基础教学实验

基础教学实验试件选用弹性有机玻璃（PMMA）板，分别模拟圆形巷道、矩形巷道和半圆拱形巷道。试件散斑的制作在研究生指导下完成，学生可先在白纸上练习喷斑，然后再进行试件喷斑。试件散斑制作采用手动喷制，在试件一侧表面均匀喷绘白色哑光漆，然后用黑色哑光漆喷绘形成随机散斑，散斑直径约0.5 mm，散斑密度约为70%。其中，喷斑后的拱形巷道如图6所示。

图6 拱形巷道散斑试件

实验过程中，通过液压千斤顶给试件施加竖向静态压应力，压力传感器实时监测载荷大小，CCD相机拍摄不同压力载荷下的试件照片，DIC分析系统实时计算和显示试件观测区域的变形或应变云图。圆形巷道、矩形巷道和半圆拱形巷道的部分实验结果见图7。学生可根据实验测量结果编写实验报告，对实验结果进行更进一步的分析和总结。

图7 3种断面形状巷道的实验结果

3.2 创新性实验

我校大学生培养过程中有2个创新环节，一是大学生创新训练项目，二是科研性毕业论文项目。近几年，该实验平台完成了多项创新性实验项目，如深部岩体爆破实验采用石膏模型（见图8）进行高地应力载荷下的掏槽和光面爆破模拟实验、围岩支护实验、巷道变形破坏实验等。另外，还进行了高地应力对爆炸应变场的分布特征影响实验研究（见图9）。

图8 深部岩体爆破实验

图9 深部岩体爆破的应变场分布云图

4 打造开放自主实验室环境

为了充分发挥井巷工程模型实验多功能平台在教学中的作用，需要打造开放自主的实验室环境，鼓励学生开展创新实验。首先，在开放程度上，真正实现24 h全面开放。其次，实验室面向全校师生，任何教师和学生可以向实验室教师提交申请报告，经教师审阅后，均可在实验辅助人员的帮助下进行实验。最后，由实验室教师主导，打造实验室中实验项目共享数据库，并建立实验室微信交流群，实现及时沟通与分享，营造良好的学术氛围。

5 结语

根据土木工程专业矿山建设方向本科“井巷工程”课程实验教学和创新性实验需要，建立了井巷工程模型实验多功能平台，主要包括井巷模型加载系统和数字图像相关分析（DIC）监测与分析系统。设计了圆形、矩形和拱形等3种断面巷道的基础教学实验，服务完成了多项大学生创新训练和毕业论文等科研类项目。本实验平台满足了本科生的实践教学环节，对培养学生对不同形状巷道的力学特征知识点的掌握提供了直观印象，亦为大学生创新训练项目和毕业论文项目等提供了实验设备支撑。

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Construction of experimental platform for innovative teaching of shaft and tunnel engineering

YANG Liyun, SUN Qiang

(School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)

In combining with the actual situation of mine construction engineering teaching experiment, this paper analyses the existing problems in traditional teaching and puts forward the conception of establishing the experiment system platform for the shaft and tunnel construction model. According to the needs of experimental teaching and innovative training, a multi-functional experiment system platform for shaft and tunnel engineering model is designed and built, which consists of the shaft and tunnel model loading system and digital image correlation (DIC) monitoring and analysis system. The basic teaching experiment with simple operation is designed, a number of scientific research experiments such as innovative training and graduation thesis for college students are completed, and an open and independent laboratory environment is created.

shaft and tunnel engineering teaching; experimental platform; DIC

N33

A

1002-4956(2019)12-0219-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.051

2019-04-09

中国矿业大学（北京）教学改革项目（J160614）；中国矿业大学（北京）大学生创新训练项目；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目

杨立云（1983—），男，河北邢台，博士，副教授，博士生导师，从事矿山建设、实验力学方面的教学与研究。E-mail: yangly@cumtb.edu.cn