露天采礦技術綜合實驗教學研究

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摘要：實驗從采集和描述礦樣為始點，演繹到巖樣制備與力學實驗、礦山開采設計、爆破設計與實驗、震動檢測、直至采后的生態(tài)監(jiān)測與恢復。實驗涉及到露天采礦工藝主要技術環(huán)節(jié)的設計、生產設備和監(jiān)測儀器的使用操作等。

關鍵詞：采礦工程；本科實驗教學；綜合實驗課；露天采礦工藝；教學研究

1概述

采礦工程專業(yè)是典型的工程專業(yè)，對學生的實踐能力有較高的要求[1]。實驗教學作為培養(yǎng)高素質采礦工程專業(yè)人才手段的重要組成部分，得到了大家的一致認可[2-3]。實驗教學是以對理論教學的驗證、貫穿和拓展為主的教學模式，實驗教學是保證采礦工程專業(yè)教育質量的關鍵[4-5]。做好實驗教學，對于學生認識采礦工藝全過程，進而盡快參與實際工程提供了一條很好的途徑。采礦工程專業(yè)多年來都是各門課程獨立設置實驗，實驗內容主要是該門課程的實驗驗證類，學時數少，時間緊，知識點相對獨立。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。學生匆忙做完實驗后還要盡快提交實驗報告，該門課程便進入了考試結業(yè)階段。在本科教學評估驗收工作的督導下，相關課程的實驗雖經過多次改革與更新，逐步將各門專業(yè)課的實驗內容合并為一個或多個綜合實驗課程。但因為時間匆忙和沒有進行系統(tǒng)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(qū)別。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(chuàng)新教學實驗的課程體系和實踐的研究，并付諸實現。主要教改方案是將采礦專業(yè)本科生所有的專業(yè)課程所涉及的實驗課，全部整合為1門“專業(yè)工程實驗”課程，課程分地采和露采2個綜合實驗內容，采礦專業(yè)露天采礦綜合實驗課就是本教改的成果之一。經過幾屆的本科教學實踐和完善，取得了良好的教學效果。

2露天采礦綜合實驗的構建

立足驗證、貫通和創(chuàng)新3方面的實驗教學層次[6]，將露天采礦全工藝過程所涉及的相關課程進行貫通[7]，每一步的實驗都與前面實驗部分相關聯，每項實驗資料都盡量以前面的實驗材料和數據為依據。而每個部分又涵蓋3個層面，一是基本理論方法驗證；二是綜合貫通實驗；三是研究創(chuàng)新性實驗。露天采礦實驗路線為，地質采樣—礦樣描述—巖石試樣制備—巖石物理、力學實驗—露天礦山開采設計—爆破設計—爆破實驗—爆破震動檢測—災害防治—邊坡監(jiān)測—生態(tài)監(jiān)測與恢復。實驗不但包含了常規(guī)生產監(jiān)測所用儀器設備，還融入了目前最先進的采礦實驗和監(jiān)測手段，如基于LABWIEW的虛擬實驗平臺、數字礦山軟件、高速攝影、地壓監(jiān)測、粉塵及氣體監(jiān)測儀器等，創(chuàng)新了實驗手段。

3綜合實驗步驟

3.1礦山礦石采樣

采用礦床實地取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(huán)境和礦石分類進行專業(yè)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(jié)理、裂隙、層狀、孔隙率、密度等。采集的礦樣一般為4～6個不同的巖石品種，每個品種礦樣數為3～6個。這些礦樣及其特性參數將是之后所有實驗內容的支撐，也是模擬設計礦山礦床和圍巖巖性的依據。

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、磨石機和車床、測量平臺、角尺、千分卡尺、放大鏡、烘箱、干燥器和飽和設備，以及LABWIEW的虛擬實驗平臺等。

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。

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(tǒng)、懸臂梁等儀器設備。

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礦山開采設計和臺階爆破方案設計

依據前面某號礦樣的地質條件和所測力學參數，指導老師再提供補充相關礦山參數與開采要求，學生進行一露天礦山模擬開采設計和臺階爆破方案設計。設計要求要有生產臺階剖面圖、炮孔布置圖、裝藥結構圖和起爆網路圖等[8]。并列出一次爆破的器材清單，以備爆破實驗時照單領取器材，進入爆破網路綜合實驗。露天礦山模擬開采設計是依托上學期開設的“露天采礦課程設計”課程完成，將本次實驗巖樣的參數代替原來設計的參數，在老師的指導下適當調整生產計劃和礦石快度要求，學生就可以快捷的完成設計工作。這樣就讓學生把主要精力放在實驗工作在，而不是花很多時間再去搞設計。

3.4爆破器材檢測與起爆網路優(yōu)化

根據臺階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。主要實驗內容有電雷管參數的測定、導爆管的爆速測定、炸藥爆力測試、炸藥猛度測試、殉爆距離測試、爆破地震效應測試與分析等。所用儀器設備為SCR-1型多功能雷管參數測試儀，指針式爆破歐姆表，數字式爆破歐姆表等。在臺階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。例如，很多學生設計了塑料導爆管毫秒微差起爆網路，4排共30多個炮孔，分別用孔內外微差延期。這里就出現很多不同的情況，是單排微差起爆還是單孔單響，是四通連接器網路還是雷管接力網路，復式網路怎么連接可靠。學生分頭領取的模擬仿真起爆器材進行聯網，起爆后常出現有炮孔雷管不響的情況。通過檢查網路找出問題、重復實驗、探討問題，對網絡進行優(yōu)化，解決了問題。

3.5動載荷實驗與安全監(jiān)測

在爆破網路連接起爆前，安排爆破震動監(jiān)測。通過實驗使學生了解IDTS3850、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[9]，從而指導在爆破作業(yè)時采用合理的爆破技術和安全措施。并可對爆破震動信號分析和減小爆破震動技術、降低爆破工程對環(huán)境空氣的污染等開展創(chuàng)新性研究。在爆破網路起爆前后，在爆破網路實驗平臺區(qū)域內，對環(huán)境氣體、粉塵進行采集，之后在氣象色譜儀等設備上進行檢測，分析對比爆破對環(huán)境空氣質量的影響。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、地震作用下露天采場邊坡動力響應等。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。拓展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。

3.6礦山環(huán)境監(jiān)測與復墾

將礦山開采對環(huán)境的影響與保護、高邊坡監(jiān)測和維護、地表恢復、礦坑綜合開發(fā)利用等開展創(chuàng)新性研究。并與之后的能力拓展實驗相結合，變換衍生了很多大學生創(chuàng)新研究課題。其中包括GPS在露天采礦中的應用、采空區(qū)遙感探測、數字化礦山、礦床可視化建模及優(yōu)化開采、太陽能在露天采礦中的應用、露天采礦循環(huán)經濟設計等寬視野探討項目。幾年來，有11項成果在國家級和省部級大學生創(chuàng)新大賽中獲獎。

4結語

建議本實驗安排在大學本科四年級上學期，實驗學時1周。支撐本綜合實驗的相關露天采礦設計、露天臺階爆破設計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(xié)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(yè)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，學生對整個露天采礦工藝有了整體的認識，清楚了露天采礦工藝步驟和技術要點，為后期本科畢業(yè)設計奠定了基礎。

參考文獻：

［1］高召寧.采礦工程專業(yè)實踐教學平臺建設分析［J］.科技創(chuàng)新導報，2015（4）：224-225.

［2］楊寶貴，張勇，侯運炳.采礦工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革［J］.中國煤炭，2015（3）：33-35.

［3］劉曉云.基于采礦工程專業(yè)學生特點的教育管理模式構建［J］.中國冶金教育，2014（6）：70-72.

［4］劉欽節(jié)，楊科.基于虛擬礦井建設的采礦工程學科實驗教學方法探討［J］.科教導刊：上旬刊，2014（11）：93-94.

［5］張亞賓，甘德清，陳超.露天開采新形勢下《露天采礦學》教學模式［J］.河北聯合大學學報：社會科學版，2012（4）：125-126.

［6］陳靜，郭惟嘉，楊永杰，等.高校采礦工程專業(yè)新型實踐教學模式構建及教學方法改革與實踐［J］.教育教學論壇，2014（53）：166-167.

［7］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(chuàng)新導報，2015（2）：128-129.

［8］胡升海，房澤法，熊鵬，等.雷管爆炸對鄰近導爆管影響的試驗研究［J］.爆破，2014（1）：118-123.

［9］歐陽建華，李雷斌，吳亮，等.巖質凸形邊坡體爆破質點振動監(jiān)測與分析［J］.爆破，2015（1）：54-56.

作者：譚海 王玉杰 陳先鋒 尚億軍 李梅 張春陽 牛奕 張燕 單位：武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院