采礦工程專業(yè)地下采礦技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)現(xiàn)

王玉杰　譚海　任高峰　尚億軍　張英　張春陽　張燕　劉艷麗

基金項(xiàng)目：第三批國家級精品資源共享課立項(xiàng)項(xiàng)目（教高司函[2013]132號，序號765）；武漢理工大學(xué)2013年度校教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（2013005、2013007）。

作者簡介：王玉杰（1956-），男，山東菏澤人，博士，武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院采礦工程系教授、博導(dǎo)，教育部高等學(xué)校礦業(yè)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會副主任委員（2013-2017），主要從事采礦工程、安全工程、爆破工程等的教學(xué)和科研工作。

摘要：以地下采礦工藝全過程為主線，將大學(xué)本科所學(xué)專業(yè)課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)鑲嵌、鏈接到整個采礦工程綜合實(shí)驗(yàn)課程中，以采集和描述礦樣為實(shí)驗(yàn)始點(diǎn)，演繹到巖石試樣制備與力學(xué)實(shí)驗(yàn)、地下礦山開采設(shè)計、井巷工程設(shè)計、礦井提升和運(yùn)輸設(shè)計、爆破設(shè)計與實(shí)驗(yàn)和震動檢測、礦井通風(fēng)設(shè)計與通風(fēng)實(shí)驗(yàn)、有毒氣體和粉塵檢測實(shí)驗(yàn)、圍巖監(jiān)測，直至整個礦山開采完后的生態(tài)監(jiān)測與恢復(fù)。實(shí)驗(yàn)涉及到地采工藝主要技術(shù)環(huán)節(jié)的主要技術(shù)設(shè)計、生產(chǎn)設(shè)備和監(jiān)測儀器的使用操作等。引導(dǎo)學(xué)生把大學(xué)期間所學(xué)的相關(guān)專業(yè)課程理解貫穿，提升了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和動手能力。并選擇部分關(guān)鍵技術(shù)和問題開展探索性實(shí)驗(yàn)研究，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：采礦工程；本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)；綜合實(shí)驗(yàn)課；地下采礦工藝；教學(xué)研究

中圖分類號：TD80； G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（c）-0000-00

1 概述

采礦工程專業(yè)是典型的工程專業(yè)，對學(xué)生的實(shí)踐能力有較高的要求，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是保證采礦工程專業(yè)教育質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。采礦工程專業(yè)多年來都是各門課程獨(dú)立設(shè)置實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是該課程的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證類，學(xué)時數(shù)少，時間緊，知識點(diǎn)相對獨(dú)立[1， 2]。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室時間短，沒有機(jī)會和時間做重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器的認(rèn)識和操作達(dá)不到熟練程度。無法給學(xué)生足夠的思考、設(shè)計和準(zhǔn)備的時間與空間。學(xué)生匆忙做完實(shí)驗(yàn)還要盡快提交實(shí)驗(yàn)報告，該門課程便進(jìn)入了考試結(jié)業(yè)階段[3]。

近幾年在本科教學(xué)評估驗(yàn)收工作的督導(dǎo)下，相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)雖經(jīng)過多次改革與更新，逐步將各門專業(yè)課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容合并為一個或多個綜合實(shí)驗(yàn)課程。但因?yàn)闆]有進(jìn)行系統(tǒng)的教學(xué)研究，這種合并僅僅是多個小實(shí)驗(yàn)的集中開設(shè)，與原來的零星實(shí)驗(yàn)沒有本質(zhì)的區(qū)別。

課題對采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容、形式等進(jìn)行研究，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)教學(xué)對理論教學(xué)的驗(yàn)證、貫穿和拓展為主的教學(xué)模式[4]。以采礦工藝全過程為主線，將所學(xué)專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)鑲嵌、鏈接到整個采礦工程中，為學(xué)生學(xué)習(xí)和理解采礦工藝過程提供了一條很好的教學(xué)途徑。本科采礦專業(yè)地下采礦綜合實(shí)驗(yàn)課就是本教改的成果之一。

2 地下采礦綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計目標(biāo)與路線

地下采礦工程實(shí)驗(yàn)課程是采礦工程專業(yè)、礦物資源工程專業(yè)、安全工程專業(yè)本科生在完成大學(xué)3年學(xué)習(xí)過程基礎(chǔ)上的綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐課程。學(xué)生經(jīng)過前期的認(rèn)識實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)，對礦山開采工藝和技術(shù)已具備了初步的整體印象和概念。

本著小課堂、大實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革模式，本實(shí)驗(yàn)所依據(jù)的課程支撐為地質(zhì)學(xué)中的巖石分類及其物理和力學(xué)性質(zhì)、巖石力學(xué)（巖體力學(xué)）中的巖石物理和力學(xué)性質(zhì)檢測實(shí)驗(yàn)、礦山工程測試技術(shù)、井巷與隧道工程、工礦通風(fēng)與空調(diào)、礦床地下開采、爆破工程、井巷與隧道工程課程設(shè)計等。

具體目標(biāo)是讓學(xué)生通過完成實(shí)驗(yàn)課程對所學(xué)的相關(guān)課程進(jìn)行貫通，了解地下采礦全工藝過程和所涉及的工藝參數(shù)、監(jiān)測手段、儀器設(shè)備和安全要求，提升學(xué)生的專業(yè)能力和動手能力，并選擇部分關(guān)鍵技術(shù)和問題開展探索性研究，增強(qiáng)創(chuàng)新能力[5]。

地下開采綜合實(shí)驗(yàn)的路線為地質(zhì)采樣——礦樣描述——巖石試樣制備——巖石物理、力學(xué)實(shí)驗(yàn)——地下礦山開采設(shè)計——井巷工程設(shè)計——礦井提升和運(yùn)輸設(shè)計——爆破設(shè)計——爆破實(shí)驗(yàn)——爆破震動檢測——礦井通風(fēng)設(shè)計——通風(fēng)實(shí)驗(yàn)——有毒氣體和粉塵檢測實(shí)驗(yàn)——圍巖監(jiān)測——生態(tài)監(jiān)測與恢復(fù)。

課程要求學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的過程中，嚴(yán)格要求學(xué)生必須通讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，做好課前預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計、實(shí)驗(yàn)操作和編寫實(shí)驗(yàn)報告。并歡迎提出一些新見解。實(shí)驗(yàn)時，應(yīng)時刻把安全問題放在首位。做到聽從指導(dǎo)老師的指揮；獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)過程，不懂就問；嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真；按規(guī)程設(shè)計和操作；認(rèn)真做好實(shí)驗(yàn)記錄；實(shí)驗(yàn)后按時提交實(shí)驗(yàn)報告。

3 綜合實(shí)驗(yàn)步驟

3.1 礦山礦石采樣

采用礦床實(shí)地鉆取巖樣或模擬取樣為實(shí)驗(yàn)課程的開篇，讓學(xué)生對礦床地質(zhì)條件、環(huán)境和礦石分類進(jìn)行專業(yè)地質(zhì)描述和礦樣檢測。主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為確定幾種礦樣的成因，描述樣本的外觀物理性質(zhì)，如色澤、硬度、節(jié)理、裂隙、層狀、孔隙率、比重、容重等。

3.2 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)

（1）將所采集的礦樣選出有代表的多個礦樣進(jìn)行試樣制備。學(xué)生需要掌握和操作巖芯鉆機(jī)、鋸石機(jī)、磨石機(jī)或車床、測量平臺、角尺、千分卡尺、放大鏡、烘箱、干燥器和飽和設(shè)備等；

（2）測定巖塊聲波速度并計算巖塊的彈性參數(shù)，主要儀器和設(shè)備為RSM-SY5型巖石聲波儀，縱、橫波換能器等。巖體聲波探測技術(shù)是以人工的方法，向介質(zhì)發(fā)射聲波，觀測聲波在介質(zhì)中傳播的情況和特性，利用介質(zhì)的物理性質(zhì)與聲波傳播速度等參數(shù)之間的關(guān)系來分析或測定巖體的物理力學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)特征，是一種比較重要的探測方法。本實(shí)驗(yàn)是通過測量巖石試件的縱波、橫波速度來計算巖石的彈性模量E、泊松比以及剪動模量G。

（3）動應(yīng)變測量實(shí)驗(yàn)（拓展實(shí)驗(yàn)），學(xué)生應(yīng)掌握YE3818C 型應(yīng)變放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、懸臂梁等儀器設(shè)備。采礦工程中經(jīng)常會遇到在動載荷作用下應(yīng)變測量問題，如研究沖擊機(jī)械（鑿巖設(shè)備、破碎錘設(shè)備等）中沖錘對工具沖擊作用；研究爆破作用機(jī)理、研究在爆破、地震作用下井巷采場動力響應(yīng)等。由于動載荷作用比靜載荷作用的情況要復(fù)雜得多，往往得不到理論解。因此，測量和分析結(jié)構(gòu)在動載荷作用下的動應(yīng)力問題是非常重要的。本實(shí)驗(yàn)以等強(qiáng)度梁為研究對象，測量等強(qiáng)度梁在動載荷作用下的動應(yīng)力。

（4）單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、點(diǎn)荷載強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所用主要儀器設(shè)備包括：材料實(shí)驗(yàn)機(jī)、直剪實(shí)驗(yàn)儀、位移測表（百分表或千分表）、點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)儀及其它輔助設(shè)備。

3.3 地下礦山井巷掘進(jìn)設(shè)計

依據(jù)前面某號礦樣的地質(zhì)條件和所測力學(xué)參數(shù)，設(shè)計在該巖層掘進(jìn)一條水平巷道，由指導(dǎo)教師給出具體斷面尺寸和工程要求，讓學(xué)生依據(jù)循環(huán)進(jìn)尺計劃設(shè)計巷道掘進(jìn)爆破參數(shù)。

要求學(xué)生要完成炮孔平面布置圖和剖面圖、裝藥結(jié)構(gòu)圖、爆破網(wǎng)路圖[6]，并列出一循環(huán)爆破的器材清單，以備爆破實(shí)驗(yàn)時照單領(lǐng)取器材，進(jìn)入爆破網(wǎng)路綜合實(shí)驗(yàn)。

3.4 爆破器材檢測與起爆網(wǎng)路優(yōu)化

本節(jié)試驗(yàn)將《爆破工程》課程作業(yè)中的臺階開采毫秒爆破網(wǎng)路設(shè)計或巷道掘進(jìn)全斷面毫秒爆破網(wǎng)路設(shè)計付于實(shí)施，掌握導(dǎo)爆管毫秒爆破網(wǎng)路設(shè)計原理，熟悉導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路的連接方式和連接塊的使用方法，掌握爆速測定方法和學(xué)會有關(guān)儀器的使用，從而加強(qiáng)實(shí)踐能力，提升設(shè)計水平，啟發(fā)創(chuàng)新意識。

學(xué)生要根據(jù)爆破設(shè)計所選用的爆破方法和器材，對所選器材進(jìn)行參數(shù)檢測。包括雷管、炸藥、導(dǎo)爆管、導(dǎo)爆索等各項(xiàng)參數(shù)檢測。

在掘進(jìn)爆破實(shí)驗(yàn)平臺上把所設(shè)計的爆破網(wǎng)路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，連接起爆，并分析效果與可靠度。

對網(wǎng)路優(yōu)化可選拓展性創(chuàng)新試驗(yàn)。

3.5 爆破實(shí)驗(yàn)與安全監(jiān)測

在爆破網(wǎng)路連接起爆前，安排爆破震動監(jiān)測。

通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解IDTS 3850、4850等爆破震動測試儀的使用，利用爆破震動測試儀對爆破產(chǎn)生的震動有一個量的認(rèn)識，從而指導(dǎo)在爆破作業(yè)時采用合理的爆破技術(shù)和安全措施[7， 8]。

可對爆破震動信號分析和減小爆破震動技術(shù)開展創(chuàng)新性試驗(yàn)研究。

3.6 地下礦山通風(fēng)課程設(shè)計

依據(jù)前面設(shè)計的掘進(jìn)巷道和指導(dǎo)教師給出的補(bǔ)充條件，進(jìn)行以下工作：

（1）計算各段巷道通過風(fēng)速、各段巷道摩擦阻力，以及全礦井總阻力[9]。

（2）根據(jù)給定的礦體地質(zhì)條件，開采技術(shù)條件，選擇出在技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、保證安全生產(chǎn)的采礦方法。

（3）查閱相關(guān)資料，選擇風(fēng)機(jī)，并計算風(fēng)機(jī)功率。

（4）繪制通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖。

3.7 礦井大氣主要參數(shù)測定

該實(shí)驗(yàn)在通風(fēng)實(shí)驗(yàn)室完成，使學(xué)生掌握使用濕度計、氣壓計、卡他溫度計測量礦井大氣的溫度、濕度、大氣壓力、風(fēng)速及卡他度。掌握測算礦井空氣密度的方法，會用卡他度值計算空氣的平均風(fēng)速。

通風(fēng)管道中風(fēng)流點(diǎn)壓力和風(fēng)速的測定，使學(xué)生學(xué)習(xí)用皮托管及壓差計測定通風(fēng)管道中的點(diǎn)壓力，并了解皮托管及壓差計的構(gòu)造；學(xué)習(xí)使用皮托管及壓差計測定通風(fēng)管道中某斷面的平均風(fēng)速并計算風(fēng)量。

3.8 有毒氣體和粉塵檢測實(shí)驗(yàn)

讓學(xué)生掌握空氣中NOX、CO、總懸浮微粒等的測定方法和儀器設(shè)備的使用。主要儀器為AIM450一氧化碳?xì)怏w檢測儀和AIM450型二氧化氮?dú)怏w檢測儀。該類儀器主要是采用電化學(xué)傳感器以擴(kuò)散方式直接與環(huán)境中的CO（NO2）氣體反應(yīng)產(chǎn)生線性電壓信號。電路由多塊集成電路構(gòu)成，信號經(jīng)過放大，A/D轉(zhuǎn)換，暫存處理后在液晶屏上直接顯示所測氣體濃度值。學(xué)生要掌握儀器使用、測點(diǎn)布設(shè)和數(shù)椐采集及分析。

拓展實(shí)驗(yàn)為氣體與粉塵爆炸試驗(yàn)。

3.9 環(huán)境保護(hù)與礦山復(fù)墾

開展礦山開采對環(huán)境的影響與保護(hù)、地表沉陷、圍巖監(jiān)測和維護(hù)、地表恢復(fù)、礦坑綜合開發(fā)利用等創(chuàng)新性研究。

此部分為本科生實(shí)驗(yàn)拓展內(nèi)容，學(xué)生可與指導(dǎo)老師擬定專題方向展開實(shí)驗(yàn)研究。

4 實(shí)驗(yàn)課學(xué)時安排與教學(xué)效果

建議本實(shí)驗(yàn)安排在大學(xué)本科四年級上學(xué)期，實(shí)驗(yàn)學(xué)時一周。支撐本綜合實(shí)驗(yàn)的相關(guān)地下采礦設(shè)計、礦井提升和運(yùn)輸設(shè)計、井巷掘進(jìn)爆破設(shè)計、礦山通風(fēng)設(shè)計等，要在前期的課程設(shè)計教學(xué)中完成，所涉及的課程教學(xué)老師要協(xié)同配合。

由于實(shí)驗(yàn)是從幾個礦樣開始，演繹到整個礦山開采完后的閉坑復(fù)墾，引導(dǎo)學(xué)生把大學(xué)期間所學(xué)的相關(guān)專業(yè)課理解貫穿，領(lǐng)悟到以往所學(xué)課程與采礦工程的關(guān)聯(lián)和實(shí)用意義。實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生對整個地下采礦工藝有了整體的認(rèn)識，清楚了地下采礦工藝步驟和技術(shù)要點(diǎn)，為后期本科畢業(yè)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

本課題依托湖北省教育廳和教育部高等學(xué)校地礦學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)委員會項(xiàng)目支持，開展了對采礦工程創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)的課程體系和實(shí)踐的研究，并付諸實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過幾屆的本科教學(xué)實(shí)踐和完善，取得了良好的教學(xué)效果。

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