數(shù)值模擬技術(shù)在采礦工程中的運(yùn)用

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摘要：隨著數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，其在相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)中的作用日益凸顯。本文針對(duì)內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院采礦工程學(xué)科特點(diǎn)和人才培養(yǎng)現(xiàn)狀，舉例分析了數(shù)值模擬技術(shù)在采礦工程專業(yè)不同學(xué)習(xí)層次學(xué)生教學(xué)活動(dòng)中的應(yīng)用，并探討了相關(guān)的課程體系的建設(shè)。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬技術(shù)；采礦工程；人才培養(yǎng)

內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院擁有自治區(qū)唯一的礦業(yè)工程一級(jí)學(xué)科博士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)，礦業(yè)工程學(xué)科是內(nèi)蒙古自治區(qū)的重點(diǎn)學(xué)科，采礦工程專業(yè)是國家級(jí)特色專業(yè)，為自治區(qū)煤炭行業(yè)輸送了大量高素質(zhì)人才。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)方式僅僅依靠理論知識(shí)學(xué)習(xí)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)相結(jié)合，即通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)將課堂中所學(xué)知識(shí)進(jìn)行理解和深化，其教學(xué)效果不明顯。數(shù)值模擬技術(shù)能對(duì)采礦工程相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，使其形成形象化的概念，有助于學(xué)生理解和掌握[1]。此外，通過數(shù)值建模過程和數(shù)值計(jì)算結(jié)果的分析，還能使學(xué)生對(duì)掌握的專業(yè)知識(shí)融會(huì)貫通，有助于提高學(xué)生的研究能力[2]。

一、采礦工程學(xué)科特點(diǎn)與人才培養(yǎng)現(xiàn)狀

采礦工程專業(yè)知識(shí)體系廣、實(shí)踐性強(qiáng)，是培養(yǎng)礦山復(fù)合型人才的重要專業(yè)，專業(yè)基礎(chǔ)課如礦山壓力與巖層控制、井巷工程、采礦學(xué)等都與實(shí)踐有著密切的關(guān)聯(lián)[3]。采礦工程專業(yè)教學(xué)內(nèi)容不僅涉及大量的專業(yè)術(shù)語、理論公式，還涉及礦井生產(chǎn)系統(tǒng)、巷道布置與支護(hù)以及采礦活動(dòng)引起的巖層移動(dòng)等復(fù)雜的三維空間運(yùn)動(dòng)[4]。如果只依靠上課PPT、文字、二維圖紙和實(shí)驗(yàn)室三維模型的參觀，學(xué)生只能從字面上理解幾個(gè)專有名詞，很難在短時(shí)間內(nèi)清楚的了解和掌握相關(guān)知識(shí)。另外，由于學(xué)生人數(shù)較多、專業(yè)課課時(shí)不夠等原因，且存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量不足、性能老化等問題，導(dǎo)致一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作難以開展[5]。不得不采取大組實(shí)驗(yàn)或縮短試驗(yàn)課時(shí)甚至取消部分試驗(yàn)的方法，或者實(shí)驗(yàn)課僅限于參觀模型，學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量堪憂。而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)往往流于形式，學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)時(shí)，看到的僅僅是靜態(tài)的局部的現(xiàn)象，如巷道表面支護(hù)情況、變形情況，工作面頂板冒頂、煤壁片幫等，很難對(duì)巷道支護(hù)、礦山壓力顯現(xiàn)有深入的理解和認(rèn)識(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)效果并不理想。

二、數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用可行性分析

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在采礦工程學(xué)科中的應(yīng)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(chǔ)的數(shù)值模擬軟件已廣泛應(yīng)用于采礦工程科學(xué)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(qiáng)的建模和運(yùn)算能力，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，用戶界面易于使用，計(jì)算結(jié)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(diǎn)[6，7]。這為數(shù)值模擬技術(shù)在采礦工程人才培養(yǎng)中的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。礦業(yè)研究院采礦工程專業(yè)教師大都具有博士以上學(xué)歷，對(duì)相關(guān)數(shù)值模擬軟件應(yīng)用熟練，為數(shù)值模擬技術(shù)在專業(yè)課程教學(xué)以及人才培養(yǎng)中的應(yīng)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(jì)算模型的建立、模型參數(shù)的選取與賦值、計(jì)算結(jié)果的選取與分析。教師可以有選擇性的讓不同學(xué)習(xí)層次的學(xué)生參與到數(shù)值模擬分析的過程中，使得培養(yǎng)的目標(biāo)更具選擇性，這也是數(shù)值模擬技術(shù)在采礦工程人才培養(yǎng)當(dāng)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(shè)置難度不以科學(xué)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(yīng)用數(shù)值模擬軟件，對(duì)專業(yè)課程學(xué)習(xí)中的重難點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析，將數(shù)值模擬的建模結(jié)果以及模擬結(jié)果直觀地展示給學(xué)生，讓學(xué)生建立關(guān)于相關(guān)知識(shí)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(xué)、礦井通風(fēng)與安全等，其中許多知識(shí)都可以用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析，通過直觀地認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)，比教師只在課堂上進(jìn)行概念的描述和講解更易于學(xué)生掌握。采礦工程研究生培養(yǎng)主要以鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問題和進(jìn)行更深一步的科學(xué)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(zāi)害控制與預(yù)警技術(shù)、煤礦開采新理論與新技術(shù)、軟巖巷道支護(hù)技術(shù)與工程、控制爆破技術(shù)等。在課程學(xué)習(xí)過程中，教師可以針對(duì)不同的學(xué)習(xí)章節(jié)，選擇適合的數(shù)值模擬軟件對(duì)相應(yīng)的內(nèi)容進(jìn)行講解和數(shù)值模擬。使得學(xué)生對(duì)相關(guān)數(shù)值模擬軟件的優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)性有一定深度的理解，并使學(xué)生參與到整個(gè)數(shù)值模擬的全過程當(dāng)中。通過數(shù)值模擬軟件的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容有深入的理解和思考，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

三、數(shù)值模擬技術(shù)在采礦工程教學(xué)中的應(yīng)用

1.數(shù)值模擬技術(shù)在本科教學(xué)中的應(yīng)用。數(shù)值模擬技術(shù)可以在采礦工程本科專業(yè)課教學(xué)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(chǎng)頂板活動(dòng)規(guī)律、失穩(wěn)結(jié)構(gòu)特征、采場(chǎng)圍巖采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律、支架圍巖相互作用關(guān)系以及覆巖移動(dòng)規(guī)律等。（2）井巷工程：模擬演示礦井井巷（例如井底車場(chǎng)主要硐室，采區(qū)車場(chǎng)、上下山及回采巷道等）布置及其空間位置關(guān)系。演示不同斷面形狀巷道的支護(hù)形式，以及不同支護(hù)形式下巷道圍巖變化和破壞情況等。（3）采礦學(xué)：模擬演示不同地質(zhì)賦存條件、不同開采方法下采場(chǎng)覆巖活動(dòng)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(yù)測(cè)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(shù)在研究生教學(xué)中的應(yīng)用。在研究生專業(yè)課程學(xué)習(xí)及培養(yǎng)中，結(jié)合數(shù)值模擬軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，可以有效提高學(xué)生科研水平，利于學(xué)生掌握不同的數(shù)值模擬研究手段，有利于學(xué)生針對(duì)實(shí)際工程問題展開相應(yīng)的研究工作。例如采場(chǎng)圍巖控制方面，可以結(jié)合數(shù)值模擬軟件進(jìn)行固液耦合、固氣耦合等計(jì)算分析，研究礦井突水、煤與瓦斯突出的發(fā)生機(jī)理及控制技術(shù)等；巷道圍巖控制方面可以進(jìn)行深部軟巖巷道變形機(jī)理及其控制技術(shù)的研究。另外，針對(duì)采礦工程問題的三維數(shù)值仿真模擬，可以利用三維地質(zhì)建模知識(shí)和數(shù)值模擬軟件相結(jié)合，進(jìn)行復(fù)雜空間區(qū)域條件下采動(dòng)破壞問題的研究，等等。

四、結(jié)語

在采礦工程人才培養(yǎng)過程中，針對(duì)不容層次、不同方向的學(xué)生展開針對(duì)性的教學(xué)活動(dòng)，將理論知識(shí)與實(shí)際操作相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生掌握現(xiàn)代化的技術(shù)手段，培養(yǎng)學(xué)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(zhì)量，培養(yǎng)出復(fù)合型的高素質(zhì)人才是內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院的培養(yǎng)目標(biāo)。在教學(xué)實(shí)踐中，內(nèi)蒙古科技大學(xué)采礦工程本科專業(yè)課開展了C語言程序設(shè)計(jì)、礦山測(cè)量、礦圖、CAD設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等信息化相關(guān)課程。針對(duì)在采礦工程學(xué)習(xí)與實(shí)踐中具有實(shí)用價(jià)值的數(shù)值模擬技術(shù)知識(shí)尚有一定的欠缺，建議增設(shè)諸如數(shù)值分析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、以及有限元數(shù)值模擬和離散元數(shù)值模擬等課程的學(xué)習(xí)，更好地發(fā)揮數(shù)值模擬技術(shù)在采礦工程專業(yè)復(fù)合型人才培養(yǎng)中的重要作用。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]郭保華.數(shù)值模擬在采礦工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2007,(33):183.

[3]趙怡斐,王麗恩.煤炭高校礦業(yè)工程學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀與對(duì)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(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院