数值模拟技术在采矿工程人才培养中的应用
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作者:李建伟 王文才 刘树新 吴祥业
摘要：随着数值模拟技术的不断发展，其在相关专业人才培养中的作用日益凸显。本文针对内蒙古科技大学矿业研究院采矿工程学科特点和人才培养现状，举例分析了数值模拟技术在采矿工程专业不同学习层次学生教学活动中的应用，并探讨了相关的课程体系的建设。
关键词：数值模拟技术；采矿工程；人才培养
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）09-0186-02
内蒙古科技大学矿业研究院拥有自治区唯一的矿业工程一级学科博士学位授权点，矿业工程学科是内蒙古自治区的重点学科，采矿工程专业是国家级特色专业，为自治区煤炭行业输送了大量高素质人才。然而，传统的教学方式仅仅依靠理论知识学习和现场实习相结合，即通过现场实习将课堂中所学知识进行理解和深化，其教学效果不明显。数值模拟技术能对采矿工程相关理论知识进行数值计算和图像显示，使其形成形象化的概念，有助于学生理解和掌握[1]。此外，通过数值建模过程和数值计算结果的分析，还能使学生对掌握的专业知识融会贯通，有助于提高学生的研究能力[2]。
一、采矿工程学科特点与人才培养现状
采矿工程专业知识体系广、实践性强，是培养矿山复合型人才的重要专业，专业基础课如矿山压力与岩层控制、井巷工程、采矿学等都与实践有着密切的关联[3]。采矿工程专业教学内容不仅涉及大量的专业术语、理论公式，还涉及矿井生产系统、巷道布置与支护以及采矿活动引起的岩层移动等复杂的三维空间运动[4]。如果只依靠上课PPT、文字、二维图纸和实验室三维模型的参观，学生只能从字面上理解几个专有名词，很难在短时间内清楚的了解和掌握相关知识。另外，由于学生人数较多、专业课课时不够等原因，且存在实验设备数量不足、性能老化等问题，导致一些实验教学工作难以开展[5]。不得不采取大组实验或缩短试验课时甚至取消部分试验的方法，或者实验课仅限于参观模型，学生的培养质量堪忧。而现场实习往往流于形式，学生现场实习时，看到的仅仅是静态的局部的现象，如巷道表面支护情况、变形情况，工作面顶板冒顶、煤壁片帮等，很难对巷道支护、矿山压力显现有深入的理解和认识，学生学习效果并不理想。
二、数值模拟技术应用可行性分析
近年来，随着计算机技术的不断发展，数值模拟技术在采矿工程学科中的应用越来越广。其中以有限差分法、有限元法、离散元法等数值方法为基础的数值模拟软件已广泛应用于采矿工程科学研究工作中，如FLAC/FLAC3D、UDEC/3DEC、PFC/PFC3D、RFPA等二维或三维数值模拟软件均具有较强的建模和运算能力，计算结果准确，用户界面易于使用，计算结果能以图片或者数据的形式形象地展现出来等优点[6，7]。这为数值模拟技术在采矿工程人才培养中的应用提供了良好的基础。矿业研究院采矿工程专业教师大都具有博士以上学历，对相关数值模拟软件应用熟练，为数值模拟技术在专业课程教学以及人才培养中的应用提供了有力保证。
采矿工程数值模拟主要步骤包括：数值计算模型的建立、模型参数的选取与赋值、计算结果的选取与分析。教师可以有选择性的让不同学习层次的学生参与到数值模拟分析的过程中，使得培养的目标更具选择性，这也是数值模拟技术在采矿工程人才培养当中的优越性之一[8]。
采矿工程本科生专业课程主要以基本概念和基本规律为主，课程设置难度不以科学研究为主要目的。这就使得教师可以在精度要求不高的情况下应用数值模拟软件，对专业课程学习中的重难点知识进行数值模拟仿真分析，将数值模拟的建模结果以及模拟结果直观地展示给学生，让学生建立关于相关知识的三维立体空间概念，更加深刻地理解和掌握一些基本规律，做到知其然而知其所以然。采矿工程本科专业课如矿山压力与岩层控制、井巷工程、采矿学、矿井通风与安全等，其中许多知识都可以用数值模拟软件进行模拟分析，通过直观地认识和学习，比教师只在課堂上进行概念的描述和讲解更易于学生掌握。
采矿工程研究生培养主要以锻炼学生解决实际问题和进行更深一步的科学研究能力为主。例如矿业研究院采矿工程方向研究生课程包括：矿山灾害控制与预警技术、煤矿开采新理论与新技术、软岩巷道支护技术与工程、控制爆破技术等。在课程学习过程中，教师可以针对不同的学习章节，选择适合的数值模拟软件对相应的内容进行讲解和数值模拟。使得学生对相关数值模拟软件的优缺点及适应性有一定深度的理解，并使学生参与到整个数值模拟的全过程当中。通过数值模拟软件的学习对学习内容有深入的理解和思考，培养学生发现问题、解决问题的能力。
三、数值模拟技术在采矿工程教学中的应用
1.数值模拟技术在本科教学中的应用。数值模拟技术可以在采矿工程本科专业课教学中起到辅助作用，现举例如下：（1）矿山压力与岩层控制：采用数值模拟软件模拟演示采场顶板活动规律、失稳结构特征、采场围岩采动应力分布规律、支架围岩相互作用关系以及覆岩移动规律等。（2）井巷工程：模拟演示矿井井巷（例如井底车场主要硐室，采区车场、上下山及回采巷道等）布置及其空间位置关系。演示不同断面形状巷道的支护形式，以及不同支护形式下巷道围岩变化和破坏情况等。（3）采矿学：模拟演示不同地质赋存条件、不同开采方法下采场覆岩活动规律、矿压显现规律，特殊开采（例如“三上一下”开采、充填开采等）条件下覆岩变形及预测以及露天煤矿边坡三维空间分布状态及其稳定性等。
2.数值模拟技术在研究生教学中的应用。在研究生专业课程学习及培养中，结合数值模拟软件的学习和应用，可以有效提高学生科研水平，利于学生掌握不同的数值模拟研究手段，有利于学生针对实际工程问题展开相应的研究工作。例如采场围岩控制方面，可以结合数值模拟软件进行固液耦合、固气耦合等计算分析，研究矿井突水、煤与瓦斯突出的发生机理及控制技术等；巷道围岩控制方面可以进行深部软岩巷道变形机理及其控制技术的研究。另外，针对采矿工程问题的三维数值仿真模拟，可以利用三维地质建模知识和数值模拟软件相结合，进行复杂空间区域条件下采动破坏问题的研究，等等。
四、结语
在采矿工程人才培养过程中，针对不容层次、不同方向的学生展开针对性的教学活动，将理论知识与实际操作相结合，引导学生掌握现代化的技术手段，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，提高人才培养质量，培养出复合型的高素质人才是内蒙古科技大学矿业研究院的培养目标。
在教学实践中，内蒙古科技大学采矿工程本科专业课开展了C语言程序设计、矿山测量、矿图、CAD设计基础等信息化相关课程。针对在采矿工程学习与实践中具有实用价值的数值模拟技术知识尚有一定的欠缺，建议增设诸如数值分析、计算机辅助设计、以及有限元数值模拟和离散元数值模拟等课程的学习，更好地发挥数值模拟技术在采矿工程专业复合型人才培养中的重要作用。
参考文献：
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[2]郭保华.数值模拟在采矿工程专业实践教学中的应用[J].科技创新导报，2007，（33）：183.
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[6]岳滨，郭忠林.数值模拟在采矿工程中的应用[J].矿业工程，2008，（06）：5-7.
[7]李建荣，孔素真.虚拟现实技术在教育中的应用研究[J].实验室科学，2014，（06）：98-99.
[8]谢文兵，陈晓祥.采矿工程问题数值模拟研究与分析[M].徐州：中国矿业大学出版社，2005.
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