數值模擬技術在礦山壓力與巖層控制課程教學中的應用

《礦山壓力及巖層控制》是研究煤礦開采過程中礦山壓力分布及其顯現規律，探討礦山壓力控制措施和控制方法的一門工程技術學科，是采礦工程專業學生的主要專業課，也是其他井下工程類專業的專業基礎課程。學生通過對本門課程的學習，要對煤礦中采場和采區巷道周圍煤(巖)體內礦山壓力分布及其顯現有比較完整的認識和了解，基本掌握控制采場和井下巷道礦山壓力的方法和措施。結合實驗課和實踐性教學，使學生得到有關研究和解決煤礦生產現場礦山壓力問題基本技能的訓練。

河南工程學院安全工程系成立于2003年，礦山壓力與巖層控制課主要是煤礦開采技術專科所設的課程，礦山壓力是以《礦山壓力與巖層控制》《彈性力學》和《巖石力學》為基礎的一門專業理論課。專科類學生一般是三年制，在有限的時間內，主要是專業技術的培養，對于理論的要求深度較淺。所以，專科類的力學基礎課程只有一門《工程力學》。礦山壓力中的一些基本的理論推導，對于專科學生來說相當困難，如果一味地補充知識，勢必會造成課時的不足，使原有的教學計劃不能按時完成，如果放棄理論推導，結果往往是不能深刻理解基本的知識點，導致在礦山壓力與巖層控制教學中存在課程要求和學生知識結構的矛盾。比如，橢圓形孔周邊的應力分布特征，在理論推導中不但用到彈性力學的知識，還需要很深的數學理論推導，其難度對于專科生來講是非常大的，而要簡明扼要地表達出來，對于老師來說也有很大的困難。

一、創建數值模擬技術的必要性

實驗是礦山壓力與巖層控制教學的重要組成部分，它和理論教學相輔相成。實驗是力學理論的基礎，理論也需要實驗的驗證。目前，由于教學課時及實驗經費的限制，傳統的實驗模式已不能滿足礦山壓力與巖層控制教育的要求，礦山壓力與巖層控制實驗的改革應走在礦山壓力與巖層控制教學改革的前列。隨著計算機技術的發展，借助現代數值模擬技術，通過計算機終端。虛擬模擬礦山壓力與巖層控制實驗，并依靠數值模擬軟件的強大的后處理功能，將虛擬模擬的實驗結果直觀地展現在學生面前。這對于解決目前礦山壓力與巖層控制實驗室中的實驗設備短缺，一般只能做教學大綱規定的基本實驗和少數選修實驗，很多綜合性的實驗利用現有常規儀器難以完成的現象是一種有效的方法。利用數值仿真軟件，模擬一些實際實驗室環境難以實現的力學實驗，彌補了常規實驗條件的不足，而且許多實驗結果以彩色動畫形式展示，還可提供多種實驗數據處理平臺，增強了學生對礦山壓力與巖層控制理論的感性認識。

二、數值模擬技術應用于礦山壓力與巖層控制試驗教學的優勢所在

隨著計算機技術的快速發展，數值模擬軟件得到空前的發展。目前比較常用的數值模擬軟件有基于離散元原理的UDEC、3DEC，有基于有限元原理ABAQ US、ANSYS、MARC等，這些軟件具有強大的前處理及后處理功能，對于模擬礦山壓力與巖層控制的實驗非常有利。還有就是基于有限差分理論的FLAC，它是巖土工程界最流行的數值模擬軟件，可以模擬結構、 熱、流體、多種物理場之問的耦合效應，可以利用內嵌的本構關系和建模功能進行硐室的開挖，應力分布特征，位移分布規律的分析等。將數值模擬技術引入礦山壓力與巖層控制教學的優點:

1.可以培養學生的學習興趣

礦山壓力與巖層控制的最大特點、難點是概念多，相關的公式推導，需要進行大量的力學理論和復雜的幾何和數學推導，如果只是純粹的教學講解，上述過程中的概念和幾何要素要經過腦海中的反復構思和想象才能有所消化，對力學與數學基礎較弱的同學來說確實感到有所畏怯，另外有些細節部分如應力集中及關鍵層的講解，教學的時候也只能說是應力分布非常復雜，至于多么復雜準也說不清楚. 數值模擬軟件直觀形象的以圖片的方式展現在學生面前，有助學生的理解，從而提高學生對礦山壓力與巖層控制的學習興趣。

2.可以培養學生的計算機應用能力

數值模擬軟件一般擁有極強大的計算分析和圖形顯示功能，將其與礦山壓力與巖層控制的教學和實際工程中的力學現象的模擬相結合，可以使學生更容易地理解教學中的一些疑難問題。通過這種與計算機技術結合的教學方式，可以擴大學生的視野，拓寬知識面，同時掌握某種計算軟件的應用，對學生以后的工作來說是一種較好的工具。

三、數值模擬技術在礦山壓力與巖層控制教學中的實例

1.應力集中的數值模擬

由于工作面的推進，必然會引起應力集中，利用Flac軟件進行模擬，得到垂直方向應力分布的特征，如圖1。

圖1 開挖引起的應力集中現象模擬

2.關鍵層的模擬

關鍵層是位于采場上方對局部巖層和全部巖層活動期控制作用的巖層，關鍵層的變形將導致其上方的局部和全部巖層與之發生同步的變形。利用UDEC軟件對煤層開挖引起的關鍵層變形進行模擬，如圖2。

圖2 開挖引起關鍵層變形的模擬

數值模擬與礦山壓力與巖層控制教學有機結合起來，通過數值模擬軟件強大的圖形顯示功能，使得復雜的應力分布規律和礦山壓力與巖層控制顯現的基本規律能夠直觀的層現在學生面前，使得學生更易于理解和掌握礦山壓力與巖層控制的基本理論，開闊了眼界，拓寬了視野，從而有效地解決了教學中的一些疑難問題，培養了學生的興趣，提高了教學質量和效率，提高了學生理論聯系實際的能力，增強了工程設計和計算的意識概念，同時培養了學生的計算機應用能力，為以后的工作打下了基礎。

(作者單位:河南工程學院)