可视化实验方法在采矿工程实践教学中的应用_刘鹏.pdf
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1、2023 年 18 期教 海 探 新高 教 学 刊Journal of Higher Education可视化实验方法在采矿工程实践教学中的应用刘鹏1,鞠杨2,毛灵涛2(1中国矿业大学(北京)能源与矿业学院,北京 100083;2.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083)新工科建设是我国深化工程教育改革的重大举措,新工科要求高校培养的技术人才要具有引领未来产业发展的能力和素质1。采矿工程专业作为实践性要求极强的一门工科专业,在新时代人才培养上必须立足于采矿工程工艺和产业的发展,创新学生实践能力的培养,以满足新工科建设的要求。现阶段,采矿工程专业本科生实践教育以
2、现场实习和实验课程为主。然而在现行的实验课程的培养体系中,除通识教育的基础实验课程外,本科阶段进行的专业课实验课程主要集中于单轴压缩、土工实验、剪切实验等传统力学实验课程。而针对采矿工艺及矿山压力等核心专业课程的实验课程仍存在明显的不足。其中一个重要的原因是,采矿工程专业的实验主要依赖于大型相似模拟实验,实验周期长,成本高,目前仍然以科学研究为主。光弹性实验方法是一种可以准确获取材料内部应力场的可视化实验方法。其基本原理是基于相似理论,利用具有暂时双折射效应的材料制成的模型来研究原型的应力状态。在偏振光场中,光通过起偏镜分解为两束互相垂直但折射率不相等的偏振光,当偏振光经过模型时产生光程差,偏
3、振光继续传播,经过分析镜时发生干涉,产生条纹,反映模型的主应力方向和主应力差信息;以光弹条纹信息为基础,依据应力-光学定律,进而可以准确求解全场主应力差和剪应力的分布2。因此,光弹性实验方法在航空航天、机械制造、土木工程等诸多工程领域的教学和科研中具有广泛的应用,并且一直是工程力学专业学生的一门重要实验课程3。在采矿工程专业课程教学中,针对的对象主要是地下煤岩体。地下煤岩体在未开挖以前处于三向应力状态,开挖后原始平衡状态被打破,围岩应力重新分布,其应力状态受形状、裂隙分布、荷载及相邻岩体影响,十分复杂。在矿井中经常会发生冒顶、片帮、底鼓、两帮移进,甚至是严重的冲击地压等动力灾害,并难以有效预测
4、和控制。然而,在采矿工程主干专业课程的讲解中,由于岩石本身是一个“黑箱”,因此很难直观理解应力场基金项目:国家自然科学基金“体积压裂中三维应力场演化特征的可视化与定量表征研究”(51904308);中国矿业大学(北京)教学改革项目“新工科建设中大学生创新创业能力培养研究”(J211106);中央高校基本科研业务费“基于应力可视化方法的隧道开挖致灾机理研究”(2022YQNY12)第一作者简介:刘鹏(1986-),男,汉族,天津人,博士,讲师。研究方向为岩体力学和光测力学。摘要:实践教学是采矿工程教学中的一个重要环节。针对采矿工程实践教学中面临的困境与不足,该文将光弹性法引入采矿工程实践教学过程
5、中,介绍将二维动态相移数字光弹性法应用于复合顶板巷道围岩应力分布求解的教学案例,包括数字模型设计、透明实体模型的 3D 打印、相移光弹性实验和应力场的自动解算,得到复合顶板巷道模型的全场应力分布,丰富采矿工程实践教学的内容,有助于采矿工程学生实验能力的培养、对围岩变形破坏及围岩应力场动态演化过程的认识。关键词:实践教学;光弹性法;3D 打印;采矿工程;教学过程中图分类号:G642文献标志码:A文章编号:2096-000X(2023)18-0126-04Abstract:Practical teaching is one of key course in the teaching of Mini
6、ng Engineering.For the difficulties encountered in theteaching of mining engineering,this paper introduced the application of photoelasticity coupling with 3D printing technique inpractical teaching process of mining engineering.A teaching case of applying 2D dynamic phase-shifting digital photoelas
7、ticity tosolve the stress distribution of surrounding rock of composite roof roadway is introduced,including digital model design,3D printingof transparent solid model,phase-shifting photoelasticity experiment and automatic solution of stress field.The full-field stressdistribution of composite roof
8、 roadway models is obtained,which enriches the content of practical teaching of mining engineering.It ishelpful to cultivate the experimental ability of mining engineering students as well as to understand the deformation and failure ofsurrounding rock and the dynamic evolution process of surroundin
9、g rock stress field.Keywords:practical teaching;photoelasticity;3D printing;Mining Engineering;teaching processDOI:10.19980/j.CN23-1593/G4.2023.18.030126-教 海 探 新高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 18 期演化对岩体破坏的控制作用。而光弹性法的优势在于能够准确直观表征模型的全场应力分布,实现模型内任意一点应力值的定量化提取,并与原型情况吻合较好。在采矿工程实践教学中可以有效帮助学生准确理解围
10、岩应力的分布情况。由于光弹性实验方法需要借助光学的双折射现象来反应应力场的分布特征,因此,光弹性实验中的模型必须为透明化物理模型。然而,地下煤岩体不论在宏观还是细观尺度上都具有不连续性和各向异性的特征,传统的光弹模型制模通常需要经过浇铸、固化、退火和机加工等步骤进行制备,无法实现复杂地质模型的制备。3D 打印技术是一种基于三维数字模型,通过增加材料逐层制造与数字模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法,可以实现复杂模型的快速成型和制备,为复杂光弹性透明模型的制备提供了一个新的思路4-5,只需要将复杂的数字模型导入 3D 打印机并分配好材料,即可实现多材料复杂模型的快速制备。因此,3D打印技术与
11、光弹性实验方法相结合,是破解光弹性实验难题6,实现光弹性实验方法在采矿工程实践教学中高效应用的重要途径,不仅可以变革传统采矿工程实践教学方法,弥补教学效果上的不足,实现科研反哺教学的目的,而且可以调动学生的学习兴趣,提高学生的参与度。为了使学生更加深刻地理解开挖过程中巷道围岩切应力的演化过程,本文基于 3D 打印、光弹性实验及解包裹算法,直观展示和分析了复杂顶板条件下,巷道开挖对于围岩应力场演化的影响。为创新采矿工程专业实践课程教学提供了一个新的思路。一基于3D打印技术和光弹性实验的采矿工程实践教学案例(一)复杂透明模型的制备1数字模型设计与大尺度的相似物理模拟实验相似,光弹性实验中也通常采用
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