数值模拟技术在《矿山压力及其控制》辅助教学中的应用

关键词： 岩土 采矿工程

与其它领域岩土工程问题相比, 采矿工程领域的岩土工程问题有其本身的特点。其最大的特点是采矿工程领域的大部分围岩稳定性问题都涉及到开采引起的强烈影响, 引起围岩应力重新分布带来的高应力作用以及围岩的大范围移动和严重破裂, 这就是引起矿山压力的根本原因。《矿山压力及其控制》这门课程的主要任务就是阐述回采工作面和巷道周围矿山压力及其控制的基本概念和理论, 让学生认识矿山压力, 并掌握岩层控制的方法。但是, 采场或巷道周围的应力是看不见的, 只能靠从理论推导的公式去估算, 而现有的力学理论解只能解决圆形或者椭圆形坑峒等具有简单形体的问题, 而对于几何形状复杂的坑峒则无能为力。这些问题在数值模拟中都能得到很好地解决, 数值力学分析正是为了解决这些问题而应运而生, 它不仅能模拟岩体的复杂力学和结构特性, 也可很方便地分析各种边值问题和施工过程, 并对工程进行预测和预报, 最重要的一点是, 数值模拟可以直观的显示巷道或采场周围任一点的围岩应力分布状态, 还可以动态的显示工作面推进过程以及顶板随着工作面推进而冒落的过程, 这相当于对矿山压力的分布和矿山压力显现实现了可视化, 这给学生理解矿压理论和解决实际问题提供了很大的方便。

1《矿山压力及其控制》课程教学现状分析

(1) 教学内容偏于陈旧, 没有体现出最新的研究成果。以往采用黑板教学, 教学信息量小, 这给学生理解矿山压力并掌握其控制方法带来了一定的难度;而传统的多媒体教学只是对课本知识的再现, 教学效果并没有明显的改进。矿山压力理论及技术的发展日新月异, 但这些传统的讲课方法都把重点放在了一些陈旧的工程案例上, 对新理论、新方法的介绍偏少。

(2) 课程教学学时偏少。《矿山压力及其控制》是采矿工程专业核心课程。但该课程内容较多, 而学时偏少, 仅40学 (课堂教学36学时, 试验4学时) , 要使学生透彻理解并运用基本理论有很大的难度, 这就迫切需要采取特殊的、便于理解和记忆的方法, 使教师在课堂上能够有时间和机会给学生传输最大量的信息, 并使学生在有限的课时内能理解接受。

(3) 试验课和模型课学时偏少。采矿工程问题实质上是空间力学问题, 刚接触专业课的学生往往空间概念建立不起来, 不同类型的巷道和采场难以区分, 因此, 好多学生对此怨声载道, 而增加试验和模型课课时又由于某种原因短期内不能实现, 因此, 采用数值模拟技术作为《矿山压力及其控制》课程的辅助教学手段, 特别是三维数值模拟建模技术, 可以把复杂的采矿空间问题展现在学生面前, 有助于增强学生对矿山压力概念和理论的理解和记忆, 这也从一定程度上缓解了目前该课程试验课和模型课偏少的问题。

(4) 学生学习积极性低。《矿山压力及其控制》课程主要研究的是岩石力学问题, 复杂的计算公式和大量的理论分析结果令学生理解和记忆均十分困难, 难以提起学习的兴趣, 学生对课程学习的积极性不高。而数值模拟技术作为辅助教学手段, 有助于学生理解和记忆矿山压力现象, 且数值模拟一般结合实际的工程实例, 重现工程进行过程中围岩的应力、应变变化过程, 在课程教学时穿插的数值模拟结果分析可以看出, 学生对软件能够实现这么强大的功能颇感新鲜, 从而就激发了学生学习的兴趣。

2 案例应用

2.1 问题的提出

在给学生介绍回采工作面前后支承压力分布情况时, 学生表现出难以理解的神情, 课本给出了工作面顶板某一高度内的垂直应力分布情况, 如图1所示, 即沿着水平方向分成应力降低区, 应力增高区和应力不变区, 那么顶板不同高度处应力分布情况是否相同?应力大小是否相等?此时, 如果要想应用繁琐的公式推导使学生理解这个问题显然效果是不好的, 而采用数值模拟技术重现工作面周围围岩压力分布, 不仅能使学生直观的观察到应力分布状况, 而且由于学生对软件强大功能的好奇心, 会对该课程产生浓厚的兴趣。实践证明, 该方法是可行的, 且非常形象直观, 达到了教学目的和效果。课后有好多学生反映经过该软件的直观重现, 他们对工作面周围应力分布有了更深的认识, 并表示要学习该软件的应用方法 (见图1) 。

2.2 实例介绍

工作面前方煤壁上方存在一个应力升高区, 煤壁附近为应力降低区, 采空区由于顶板岩石冒落压实, 应力有恢复的趋势, 但应力值仍小于原岩应力, 工作面应力升高区前方为应力不变区, 其规律与图1完全相同, 很直观的重现了工作面周围不同高度处的支承压力分布状况, 且根据颜色的不同直观的给出了支承压力的值, 从图中很容易分辨工作面不同位置的支承压力大小。

3 结语

矿山压力现象、原理及控制的可视化能够帮助学生理解艰涩的矿压理论, 再现上覆岩层及采场和巷道周围的应力、应变、位移等指标的分布情况, 便于理解和记忆, 使教师在课堂上能够有时间和机会给学生传输最大量的信息, 非常形象直观, 激发了学生学习的兴趣, 达到了教学目的和效果。

摘要：结合采矿工程问题的特点, 分析了《矿山压力及其控制》课程教学的现状, 从教学内容、教学课时、学生学习积极性等角度出发, 提出了该课程的可视化教学思路, 即采用数值模拟技术再现矿山压力的作用过程。最后, 用实际案例对比了传统教学和新型可视化教学的效果, 充分肯定了该课程教学中应用数值模拟技术的可行性, 且激发了学生学习的兴趣, 达到了教学目的和效果。

关键词：矿山压力,岩层控制,数值模拟,教学