露天采礦技術(shù)綜合實驗教學(xué)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(xué)實驗、礦山開采設(shè)計、爆破設(shè)計與實驗、震動檢測、直至采后的生態(tài)監(jiān)測與恢復(fù)。實驗涉及到露天采礦工藝主要技術(shù)環(huán)節(jié)的設(shè)計、生產(chǎn)設(shè)備和監(jiān)測儀器的使用操作等。

關(guān)鍵詞：采礦工程；本科實驗教學(xué)；綜合實驗課；露天采礦工藝；教學(xué)研究

1概述

采礦工程專業(yè)是典型的工程專業(yè)，對學(xué)生的實踐能力有較高的要求[1]。實驗教學(xué)作為培養(yǎng)高素質(zhì)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(xué)是以對理論教學(xué)的驗證、貫穿和拓展為主的教學(xué)模式，實驗教學(xué)是保證采礦工程專業(yè)教育質(zhì)量的關(guān)鍵[4-5]。做好實驗教學(xué)，對于學(xué)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(shè)置實驗，實驗內(nèi)容主要是該門課程的實驗驗證類，學(xué)時數(shù)少，時間緊，知識點相對獨立。學(xué)生在實驗室時間短，沒有機會和時間做重復(fù)性實驗，對實驗設(shè)備儀器的認識和操作達不到熟練程度。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)生匆忙做完實驗后還要盡快提交實驗報告，該門課程便進入了考試結(jié)業(yè)階段。在本科教學(xué)評估驗收工作的督導(dǎo)下，相關(guān)課程的實驗雖經(jīng)過多次改革與更新，逐步將各門專業(yè)課的實驗內(nèi)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(xué)研究，這種合并僅僅是多個小實驗的集中開設(shè)，與原來的零星實驗沒有本質(zhì)的區(qū)別。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)委員會項目支持，開展了對采礦工程創(chuàng)新教學(xué)實驗的課程體系和實踐的研究，并付諸實現(xiàn)。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(nèi)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(jīng)過幾屆的本科教學(xué)實踐和完善，取得了良好的教學(xué)效果。

2露天采礦綜合實驗的構(gòu)建

立足驗證、貫通和創(chuàng)新3方面的實驗教學(xué)層次[6]，將露天采礦全工藝過程所涉及的相關(guān)課程進行貫通[7]，每一步的實驗都與前面實驗部分相關(guān)聯(lián)，每項實驗資料都盡量以前面的實驗材料和數(shù)據(jù)為依據(jù)。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(zhì)采樣—礦樣描述—巖石試樣制備—巖石物理、力學(xué)實驗—露天礦山開采設(shè)計—爆破設(shè)計—爆破實驗—爆破震動檢測—災(zāi)害防治—邊坡監(jiān)測—生態(tài)監(jiān)測與恢復(fù)。實驗不但包含了常規(guī)生產(chǎn)監(jiān)測所用儀器設(shè)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(shù)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(xué)生對礦床地質(zhì)條件、環(huán)境和礦石分類進行專業(yè)地質(zhì)描述和礦樣檢測。主要實驗內(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、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(shù)為3～6個。這些礦樣及其特性參數(shù)將是之后所有實驗內(nèi)容的支撐，也是模擬設(shè)計礦山礦床和圍巖巖性的依據(jù)。

3.2巖石力學(xué)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(xué)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(shè)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(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。

3）動應(yīng)變測量實驗（拓展實驗），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。

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(shè)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(shè)備。

3.3礦山開采設(shè)計和臺階爆破方案設(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)，指導(dǎo)老師再提供補充相關(guān)礦山參數(shù)與開采要求，學(xué)生進行一露天礦山模擬開采設(shè)計和臺階爆破方案設(shè)計。設(shè)計要求要有生產(chǎn)臺階剖面圖、炮孔布置圖、裝藥結(jié)構(gòu)圖和起爆網(wǎng)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(lǐng)取器材，進入爆破網(wǎng)路綜合實驗。露天礦山模擬開采設(shè)計是依托上學(xué)期開設(shè)的“露天采礦課程設(shè)計”課程完成，將本次實驗巖樣的參數(shù)代替原來設(shè)計的參數(shù)，在老師的指導(dǎo)下適當(dāng)調(diào)整生產(chǎn)計劃和礦石快度要求，學(xué)生就可以快捷的完成設(shè)計工作。這樣就讓學(xué)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(shè)計。

3.4爆破器材檢測與起爆網(wǎng)路優(yōu)化

根據(jù)臺階爆破設(shè)計所選用的爆破方法和器材，對所選器材進行參數(shù)檢測。包括雷管、炸藥、導(dǎo)爆管、導(dǎo)爆索等各項參數(shù)檢測。主要實驗內(nèi)容有電雷管參數(shù)的測定、導(dǎo)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(yīng)測試與分析等。所用儀器設(shè)備為SCR-1型多功能雷管參數(shù)測試儀，指針式爆破歐姆表，數(shù)字式爆破歐姆表等。在臺階爆破實驗平臺上把所設(shè)計的爆破網(wǎng)路進行實現(xiàn)，連接起爆。并分析效果與可靠度。例如，很多學(xué)生設(shè)計了塑料導(dǎo)爆管毫秒微差起爆網(wǎng)路，4排共30多個炮孔，分別用孔內(nèi)外微差延期。這里就出現(xiàn)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(wǎng)路還是雷管接力網(wǎng)路，復(fù)式網(wǎng)路怎么連接可靠。學(xué)生分頭領(lǐng)取的模擬仿真起爆器材進行聯(lián)網(wǎng)，起爆后常出現(xiàn)有炮孔雷管不響的情況。通過檢查網(wǎng)路找出問題、重復(fù)實驗、探討問題，對網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)路連接起爆前，安排爆破震動監(jiān)測。通過實驗使學(xué)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(chǎn)生的震動有一個量的認識[9]，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。并可對爆破震動信號分析和減小爆破震動技術(shù)、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(wǎng)路起爆前后，在爆破網(wǎng)路實驗平臺區(qū)域內(nèi)，對環(huán)境氣體、粉塵進行采集，之后在氣象色譜儀等設(shè)備上進行檢測，分析對比爆破對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。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，研究爆破作用機理，研究在爆破、地震作用下露天采場邊坡動力響應(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。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(yīng)力。

3.6礦山環(huán)境監(jiān)測與復(fù)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(fù)、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(jié)合，變換衍生了很多大學(xué)生創(chuàng)新研究課題。其中包括GPS在露天采礦中的應(yīng)用、采空區(qū)遙感探測、數(shù)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(yīng)用、露天采礦循環(huán)經(jīng)濟設(shè)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(xué)生創(chuàng)新大賽中獲獎。

4結(jié)語

建議本實驗安排在大學(xué)本科四年級上學(xué)期，實驗學(xué)時1周。支撐本綜合實驗的相關(guān)露天采礦設(shè)計、露天臺階爆破設(shè)計要在前期的課程設(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。由于實驗是從幾個礦樣開始，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)和實用意義。實驗完成后，學(xué)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(shù)要點，為后期本科畢業(yè)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻：

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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(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院