应用数值试验方法 提升采矿工程专业实验教学质量

摘要： 实验教学是采矿工程专业培养采矿工程师的重要途径之一，本文针对采矿工程专业实验的特点，提出了应用RFPA数值试验方法，构建了采矿工程有关岩石力学和岩体工程的试验，对提高实验教学质量和效果以及专业能力起到很好的推进作用。

关键词： 采矿工程； 实验教学； 数值试验； RFPA

中图分类号： G642.0 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012）04-0095-01

高等教育的任务是培养具有创新精神和实践能力的高级专业人才。采矿工程专业是实践性极强的工科专业，要培养能适应社会主义现代化建设需要的德、智、体全面发展，基础扎实、知识面宽、能力强、素质高、具有创新意识和创新能力的采矿工程技术人员和研究人员[1]，就必须坚持“加强基础、突出核心、注重实践、整体优化”的原则，全面推进采矿工程专业人才培养质量。实验教学是培养采矿工程专业学生实践能力的重要途径，是采矿工程专业教育不可缺少的重要环节。由于采矿工程接触对象是岩体及岩体工程，物理模型实验受限较大，因此应用数值试验方法，对于完善采矿工程专业实验，提升采矿工程专业实验教学质量具有极大的推进作用。

一、采矿工程专业实践教学现状

采矿工程应用多学科理论、技术和方法，来系统研究和解决矿床开采、开拓等方面的有关问题，具有综合性强和实践性强的特点[2]。因此要求采矿工程专业的学生应具备勇于探索的精神，具有较强的工程实践经验和能力。但是，目前采矿工程专业实践教学还存在以下问题。 （一）专业实践教学内容体系不完善

采矿工程是一个综合性较强的专业，专业课程涉及采矿方法与工艺、地质、测量、力学、矿山机电、企业管理等。实践教学体系应包括课程实验、专业综合实验、课程设计、毕业设计、实习等，但由于专业特点及条件限制，不可能包含所有课程内容。

（二）实验实习内容少，缺乏专业实验师资队伍

实验实习包括公共基础实验、专业基础实验和专业实验，实验内容少，特别是专业实验，流于形式。专业实验师资队伍缺乏，实验开出率较低。

（三）生产现场实习时间不足，实习效果不理想

现场实习时间往往达不到实纲中规定的学时数，跟实习经费投入不足有关，最主要的是跟矿山企业的特殊性有关，大多数矿山企业考虑到学生实习安全管理及生产压力的问题，往往压缩实习学时数。

（四）常规实验（演示性实验）项目多，设计性和综合性实验项目少

实验实习项目大多是大纲要求的常规实验，只是作演示而已。综合几个学科知识的综合性设计实验项目很少或没有，而综合性设计性的实验对学生综合素质的提高有重要作用。

采矿工程接触的对象是岩体或岩体工程，如巷道的开挖、采空区、边坡工程、排土场、尾矿库工程等，这些岩体工程间的相互影响以及岩体工程的变形、稳定性等性质无法通过物理实验来体现，一是生产现场岩体工程不允许破坏，工程一旦破坏，整个采矿工程就报废，会造成巨大的损失和安全事故，二是条件（人力、物力、财力限制）不允许。并且矿产资源在自然界的赋存条件是千变万化的，地下原始条件是模糊的，具有不确定性，因此采矿工程具有不确定性。

由于采矿工程专业实践教学的特点，很多采矿专业院校都建立了多功能的虚拟实验或数值模拟实验室[3，4]。西南科技大学采矿工程专业数值计算实验室购买了RFPA（Realistic Failure Process Analysis，真实破坏分析软件）系统，应用数值实验方法，对采矿工程专业实验教学进行了有益的探索。

二、RFPA系统简介

RFPA是一种基于有限元应力分析和统计损伤理论的材料破裂过程分析数值计算方法，是一个能够模拟材料渐进破裂直至失稳全过程的数值试验方法。该方法的一个重要特色是考虑了材料性质的非均性，是一种通过非均匀性模拟非线性、通过连续介质力学方法模拟非连续介质力学问题的材料破裂过程分析新型数值分析方法[5]。

RFPA是将细观力学方法与数值计算方法有机地结合起来，通过考虑非均匀性特点研究岩石、混凝土等准脆性材料的非线性力学行为，是一种运用连续介质力学方法解决非连续介质力学问题的新型数值分析方法，为岩石、混凝土等准脆性材料的非线性力学响应和破坏过程的分析与模拟提供了非常有用的和方便的工具[6]。

RFPA系统具有以下功能：（1）模拟岩石、混凝土等准脆性介质的破裂过程，特别适宜于研究由局部破坏过程引起的应力重新分布对进一步变形和破坏过程的影响；（2）模拟岩石、混凝土等准脆性介质破裂过程的声发射规律，从而研究岩石、混凝土等准脆性介质破裂过程的声发射频度与震级关系以及岩石失稳破坏的前兆特征；（3）通过嵌入的Weibull分布、正态分布等各种统计分布函数，考虑材料力学参数（强度、弹模等）的非均匀性分布特征，从而可以从本质上研究岩石、混凝土等准脆性介质变形的非线性特征；（4）可以考虑微观缺陷，也可以考虑节理、裂隙等宏观缺陷；（5）可以模拟加载引起的破裂过程，也可以模拟自重引起的破坏过程。

三、RFPA系统实验项目的设计

根据RFPA系统的功能及采矿工程专业特性，西南科技大学采矿工程专业构建了岩石力学方面和岩体工程方面的实验项目，主要包括以下内容。

（一）岩石力学RFPA数值试验

在岩石力学课程教学中，岩石的基本力学性质试验包括单轴压缩试验、常规三轴试验、直三轴试验及劈裂试验等，RFPA系统可以对岩石试件进行以上试验的2D和3D试验，试验过程中根据选定岩石的性能，用RFPA建立数值模型，给定岩石的材料参数（包括均质度、细观弹性模量、细观抗压强度等），设定边界条件（包括加载的控制方式、加载速率等），即可进行试件的变形与破坏过程数值试验。从数值试验可以得到试件中任意位置的变形与应力信息，此外，通过数值试验，可以观察到岩石试样中裂纹的萌生、扩展、贯通过程与声发射过程，以及变形局部化和应力重分布等复杂的断裂现象。

（二）岩体工程RFPA数值试验

结合采矿工程专业特点及学校专业特色，我们开设以下内容的RFPA试验：采矿诱发的岩层移动规律及其安全稳定性模拟分析、采空区安全性能模拟分析、地下工程施工诱发的地表沉陷计算模拟分析、隧道群的变形破坏过程计算模拟分析、岩质边坡变形破坏模拟分析、排土场稳定性模拟分析等。通过这些试验清楚地观察到岩体工程变形和破坏过程及其相应的规律。

四、实践效果

数值试验中，RFPA数值试验能够起到在物理实验中“试验机”的作用，与真实的岩石力学试验机相比，数值试验机具有使用灵活、简单与方便等优点，可大大降低试验成本。

此外，RFPA数值试验能够为岩石力学试验、岩体工程试验过程提供大量的过程力学信息，可以再现许多物理实验所不能观察到的力学现象(例如试验过程中的应力场、位移场、声发射等)，让学生深刻体会领悟试验过程，从而使学生对岩石和岩体工程的变形与破坏过程有更加清晰准确的认识，提高实验的教学质量和效果。

参考文献：

[1] 徐学锋.2l世纪采矿工程专业人才素质教育研究[J].煤炭技术，2007.26（1）：1-3.

[2] 郭兵兵，陈国祥，徐星.采矿工程专业实践教学体系的优化[J].中国地质教育，2011，78（2）：34-39.

[3] 张东升，屠世浩，万志军等.采矿工程特色专业创新能力培养的实验教学改革探索[J].实验室研究与探索，2011.30（3）：110-113.

[4] 高喜才，伍永平.西部采矿工程专业特色实验教学示范平台建设实践[J].实验技术与管理，2011，287（5）：27-29.

[5] 唐春安，王述红，傅宇方.岩石破裂过程数值模拟[M].北京：科学出版社，2003.

[6] RFPA用户手册.大连力软科技有限公司.