采礦工程專業地下采礦技術綜合實驗教學的實現

王玉杰　譚海　任高峰　尚億軍　張英　張春陽　張燕　劉艷麗

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

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

摘要：以地下采礦工藝全過程為主線，將大學本科所學專業課程的相關實驗鑲嵌、鏈接到整個采礦工程綜合實驗課程中，以采集和描述礦樣為實驗始點，演繹到巖石試樣制備與力學實驗、地下礦山開采設計、井巷工程設計、礦井提升和運輸設計、爆破設計與實驗和震動檢測、礦井通風設計與通風實驗、有毒氣體和粉塵檢測實驗、圍巖監測，直至整個礦山開采完后的生態監測與恢復。實驗涉及到地采工藝主要技術環節的主要技術設計、生產設備和監測儀器的使用操作等。引導學生把大學期間所學的相關專業課程理解貫穿，提升了學生的專業素養和動手能力。并選擇部分關鍵技術和問題開展探索性實驗研究，以培養學生的創新能力。

關鍵詞：采礦工程；本科實驗教學；綜合實驗課；地下采礦工藝；教學研究

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

1 概述

采礦工程專業是典型的工程專業，對學生的實踐能力有較高的要求，實驗教學是保證采礦工程專業教育質量的關鍵環節之一。采礦工程專業多年來都是各門課程獨立設置實驗，實驗內容主要是該課程的實驗驗證類，學時數少，時間緊，知識點相對獨立[1， 2]。學生在實驗室時間短，沒有機會和時間做重復性實驗，對實驗設備儀器的認識和操作達不到熟練程度。無法給學生足夠的思考、設計和準備的時間與空間。學生匆忙做完實驗還要盡快提交實驗報告，該門課程便進入了考試結業階段[3]。

近幾年在本科教學評估驗收工作的督導下，相關課程的實驗教學雖經過多次改革與更新，逐步將各門專業課的實驗內容合并為一個或多個綜合實驗課程。但因為沒有進行系統的教學研究，這種合并僅僅是多個小實驗的集中開設，與原來的零星實驗沒有本質的區別。

課題對采礦工程專業實驗教學的內容、形式等進行研究，構建了實驗教學對理論教學的驗證、貫穿和拓展為主的教學模式[4]。以采礦工藝全過程為主線，將所學專業課程實驗鑲嵌、鏈接到整個采礦工程中，為學生學習和理解采礦工藝過程提供了一條很好的教學途徑。本科采礦專業地下采礦綜合實驗課就是本教改的成果之一。

2 地下采礦綜合實驗的設計目標與路線

地下采礦工程實驗課程是采礦工程專業、礦物資源工程專業、安全工程專業本科生在完成大學3年學習過程基礎上的綜合性、創新性實驗與實踐課程。學生經過前期的認識實習、生產實習，對礦山開采工藝和技術已具備了初步的整體印象和概念。

本著小課堂、大實驗的教學改革模式，本實驗所依據的課程支撐為地質學中的巖石分類及其物理和力學性質、巖石力學（巖體力學）中的巖石物理和力學性質檢測實驗、礦山工程測試技術、井巷與隧道工程、工礦通風與空調、礦床地下開采、爆破工程、井巷與隧道工程課程設計等。

具體目標是讓學生通過完成實驗課程對所學的相關課程進行貫通，了解地下采礦全工藝過程和所涉及的工藝參數、監測手段、儀器設備和安全要求，提升學生的專業能力和動手能力，并選擇部分關鍵技術和問題開展探索性研究，增強創新能力[5]。

地下開采綜合實驗的路線為地質采樣——礦樣描述——巖石試樣制備——巖石物理、力學實驗——地下礦山開采設計——井巷工程設計——礦井提升和運輸設計——爆破設計——爆破實驗——爆破震動檢測——礦井通風設計——通風實驗——有毒氣體和粉塵檢測實驗——圍巖監測——生態監測與恢復。

課程要求學生完成實驗的過程中，嚴格要求學生必須通讀實驗指導書，做好課前預習、實驗設計、實驗操作和編寫實驗報告。并歡迎提出一些新見解。實驗時，應時刻把安全問題放在首位。做到聽從指導老師的指揮；獨立完成實驗過程，不懂就問；嚴謹認真；按規程設計和操作；認真做好實驗記錄；實驗后按時提交實驗報告。

3 綜合實驗步驟

3.1 礦山礦石采樣

采用礦床實地鉆取巖樣或模擬取樣為實驗課程的開篇，讓學生對礦床地質條件、環境和礦石分類進行專業地質描述和礦樣檢測。主要實驗內容為確定幾種礦樣的成因，描述樣本的外觀物理性質，如色澤、硬度、節理、裂隙、層狀、孔隙率、比重、容重等。

3.2 巖石力學實驗

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

（2）測定巖塊聲波速度并計算巖塊的彈性參數，主要儀器和設備為RSM-SY5型巖石聲波儀，縱、橫波換能器等。巖體聲波探測技術是以人工的方法，向介質發射聲波，觀測聲波在介質中傳播的情況和特性，利用介質的物理性質與聲波傳播速度等參數之間的關系來分析或測定巖體的物理力學性質和地質特征，是一種比較重要的探測方法。本實驗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）動應變測量實驗（拓展實驗），學生應掌握YE3818C 型應變放大器、數據采集系統、懸臂梁等儀器設備。采礦工程中經常會遇到在動載荷作用下應變測量問題，如研究沖擊機械（鑿巖設備、破碎錘設備等）中沖錘對工具沖擊作用；研究爆破作用機理、研究在爆破、地震作用下井巷采場動力響應等。由于動載荷作用比靜載荷作用的情況要復雜得多，往往得不到理論解。因此，測量和分析結構在動載荷作用下的動應力問題是非常重要的。本實驗以等強度梁為研究對象，測量等強度梁在動載荷作用下的動應力。

（4）單軸抗壓強度、抗拉強度、剪切強度、點荷載強度實驗，實驗所用主要儀器設備包括：材料實驗機、直剪實驗儀、位移測表（百分表或千分表）、點荷載實驗儀及其它輔助設備。

3.3 地下礦山井巷掘進設計

依據前面某號礦樣的地質條件和所測力學參數，設計在該巖層掘進一條水平巷道，由指導教師給出具體斷面尺寸和工程要求，讓學生依據循環進尺計劃設計巷道掘進爆破參數。

要求學生要完成炮孔平面布置圖和剖面圖、裝藥結構圖、爆破網路圖[6]，并列出一循環爆破的器材清單，以備爆破實驗時照單領取器材，進入爆破網路綜合實驗。

3.4 爆破器材檢測與起爆網路優化

本節試驗將《爆破工程》課程作業中的臺階開采毫秒爆破網路設計或巷道掘進全斷面毫秒爆破網路設計付于實施，掌握導爆管毫秒爆破網路設計原理，熟悉導爆管起爆網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會有關儀器的使用，從而加強實踐能力，提升設計水平，啟發創新意識。

學生要根據爆破設計所選用的爆破方法和器材，對所選器材進行參數檢測。包括雷管、炸藥、導爆管、導爆索等各項參數檢測。

在掘進爆破實驗平臺上把所設計的爆破網路進行實現，連接起爆，并分析效果與可靠度。

對網路優化可選拓展性創新試驗。

3.5 爆破實驗與安全監測

在爆破網路連接起爆前，安排爆破震動監測。

通過實驗使學生了解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生的震動有一個量的認識，從而指導在爆破作業時采用合理的爆破技術和安全措施[7， 8]。

可對爆破震動信號分析和減小爆破震動技術開展創新性試驗研究。

3.6 地下礦山通風課程設計

依據前面設計的掘進巷道和指導教師給出的補充條件，進行以下工作：

（1）計算各段巷道通過風速、各段巷道摩擦阻力，以及全礦井總阻力[9]。

（2）根據給定的礦體地質條件，開采技術條件，選擇出在技術上可行、經濟上合理、保證安全生產的采礦方法。

（3）查閱相關資料，選擇風機，并計算風機功率。

（4）繪制通風網絡圖。

3.7 礦井大氣主要參數測定

該實驗在通風實驗室完成，使學生掌握使用濕度計、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速。

通風管道中風流點壓力和風速的測定，使學生學習用皮托管及壓差計測定通風管道中的點壓力，并了解皮托管及壓差計的構造；學習使用皮托管及壓差計測定通風管道中某斷面的平均風速并計算風量。

3.8 有毒氣體和粉塵檢測實驗

讓學生掌握空氣中NOX、CO、總懸浮微粒等的測定方法和儀器設備的使用。主要儀器為AIM450一氧化碳氣體檢測儀和AIM450型二氧化氮氣體檢測儀。該類儀器主要是采用電化學傳感器以擴散方式直接與環境中的CO（NO2）氣體反應產生線性電壓信號。電路由多塊集成電路構成，信號經過放大，A/D轉換，暫存處理后在液晶屏上直接顯示所測氣體濃度值。學生要掌握儀器使用、測點布設和數椐采集及分析。

拓展實驗為氣體與粉塵爆炸試驗。

3.9 環境保護與礦山復墾

開展礦山開采對環境的影響與保護、地表沉陷、圍巖監測和維護、地表恢復、礦坑綜合開發利用等創新性研究。

此部分為本科生實驗拓展內容，學生可與指導老師擬定專題方向展開實驗研究。

4 實驗課學時安排與教學效果

建議本實驗安排在大學本科四年級上學期，實驗學時一周。支撐本綜合實驗的相關地下采礦設計、礦井提升和運輸設計、井巷掘進爆破設計、礦山通風設計等，要在前期的課程設計教學中完成，所涉及的課程教學老師要協同配合。

由于實驗是從幾個礦樣開始，演繹到整個礦山開采完后的閉坑復墾，引導學生把大學期間所學的相關專業課理解貫穿，領悟到以往所學課程與采礦工程的關聯和實用意義。實驗完成后，學生對整個地下采礦工藝有了整體的認識，清楚了地下采礦工藝步驟和技術要點，為后期本科畢業設計奠定了基礎。

本課題依托湖北省教育廳和教育部高等學校地礦學科教學指導委員會項目支持，開展了對采礦工程創新教學實驗的課程體系和實踐的研究，并付諸實現。經過幾屆的本科教學實踐和完善，取得了良好的教學效果。

參考文獻

[1] 唐海， 彭文斌， 王衛軍. 論以專業認證為導向的采礦工程專業課程體系構建[J]. 當代教育理論與實踐， 2014（06）：39-42.

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[3] 林井祥， 康健， 高偉. 基于卓越采礦工程師培養的實踐教學研究[J]. 實驗室科學， 2014（05）：139-141.

[4] 管偉明， 陳輝. COMSOL在礦井通風與安全實驗教學中的應用[J]. 教育教學論壇， 2015（12）：250-252.

[5] 甘德清， 盧宏建， 陳超， 等. 《露天采礦學》課程教學體系建設[J]. 科技創新導報， 2015（02）：128-129.

[6] 王李管， 丁奇奇， 畢林， 等. 井巷掘進工程炮孔智能設計系統[J]. 科技導報， 2014（18）：36-40.

[7] 孫艷軍， 趙亞克， 張世平. 新柳林河隧道掘進爆破對既有隧道的影響[J]. 爆破， 2015（01）：75-80.

[8] 張濤， 陳士海， 張偉， 等. 掘進爆破振動作用下支護結構的安全距離[J]. 爆破， 2014（01）：133-137.

[9] 田俊剛. 淺析礦井通風能耗[J]. 山西焦煤科技， 2014（06）：32-33.