露天采礦技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

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摘要：實(shí)驗(yàn)從采集和描述礦樣為始點(diǎn)，演繹到巖樣制備與力學(xué)實(shí)驗(yàn)、礦山開采設(shè)計(jì)、爆破設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)、震動(dòng)檢測(cè)、直至采后的生態(tài)監(jiān)測(cè)與恢復(fù)。實(shí)驗(yàn)涉及到露天采礦工藝主要技術(shù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)備和監(jiān)測(cè)儀器的使用操作等。

關(guān)鍵詞：采礦工程；本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)；綜合實(shí)驗(yàn)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(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力有較高的要求[1]。實(shí)驗(yàn)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(rèn)可[2-3]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以對(duì)理論教學(xué)的驗(yàn)證、貫穿和拓展為主的教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)于學(xué)生認(rèn)識(shí)采礦工藝全過程，進(jìn)而盡快參與實(shí)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(dú)立設(shè)置實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是該門課程的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證類，學(xué)時(shí)數(shù)少，時(shí)間緊，知識(shí)點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室時(shí)間短，沒有機(jī)會(huì)和時(shí)間做重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器的認(rèn)識(shí)和操作達(dá)不到熟練程度。無法給學(xué)生足夠的思考、設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備的時(shí)間與空間。學(xué)生匆忙做完實(shí)驗(yàn)后還要盡快提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，該門課程便進(jìn)入了考試結(jié)業(yè)階段。在本科教學(xué)評(píng)估驗(yàn)收工作的督導(dǎo)下，相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)雖經(jīng)過多次改革與更新，逐步將各門專業(yè)課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容合并為一個(gè)或多個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)課程。但因?yàn)闀r(shí)間匆忙和沒有進(jìn)行系統(tǒng)的教學(xué)研究，這種合并僅僅是多個(gè)小實(shí)驗(yàn)的集中開設(shè)，與原來的零星實(shí)驗(yàn)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(huì)項(xiàng)目支持，開展了對(duì)采礦工程創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)的課程體系和實(shí)踐的研究，并付諸實(shí)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(shí)驗(yàn)課，全部整合為1門“專業(yè)工程實(shí)驗(yàn)”課程，課程分地采和露采2個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，采礦專業(yè)露天采礦綜合實(shí)驗(yàn)課就是本教改的成果之一。經(jīng)過幾屆的本科教學(xué)實(shí)踐和完善，取得了良好的教學(xué)效果。

2露天采礦綜合實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建

立足驗(yàn)證、貫通和創(chuàng)新3方面的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行貫通[7]，每一步的實(shí)驗(yàn)都與前面實(shí)驗(yàn)部分相關(guān)聯(lián)，每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)資料都盡量以前面的實(shí)驗(yàn)材料和數(shù)據(jù)為依據(jù)。而每個(gè)部分又涵蓋3個(gè)層面，一是基本理論方法驗(yàn)證；二是綜合貫通實(shí)驗(yàn)；三是研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。露天采礦實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)—露天礦山開采設(shè)計(jì)—爆破設(shè)計(jì)—爆破實(shí)驗(yàn)—爆破震動(dòng)檢測(cè)—災(zāi)害防治—邊坡監(jiān)測(cè)—生態(tài)監(jiān)測(cè)與恢復(fù)。實(shí)驗(yàn)不但包含了常規(guī)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)所用儀器設(shè)備，還融入了目前最先進(jìn)的采礦實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)手段，如基于LABWIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、數(shù)字礦山軟件、高速攝影、地壓監(jiān)測(cè)、粉塵及氣體監(jiān)測(cè)儀器等，創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)手段。

3綜合實(shí)驗(yàn)步驟

3.1礦山礦石采樣

采用礦床實(shí)地取樣或模擬取樣為實(shí)驗(yàn)課程的開篇，讓學(xué)生對(duì)礦床地質(zhì)條件、環(huán)境和礦石分類進(jìn)行專業(yè)地質(zhì)描述和礦樣檢測(cè)。主要實(shí)驗(yàn)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(gè)不同的巖石品種，每個(gè)品種礦樣數(shù)為3～6個(gè)。這些礦樣及其特性參數(shù)將是之后所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的支撐，也是模擬設(shè)計(jì)礦山礦床和圍巖巖性的依據(jù)。

3.2巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1）將所采集的礦樣選出有代表的多個(gè)礦樣進(jìn)行試樣制備。學(xué)生需要掌握和操作巖芯鉆機(jī)、鋸石機(jī)、磨石機(jī)和車床、測(cè)量平臺(tái)、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(shí)驗(yàn)平臺(tái)等。

2）測(cè)定巖塊聲波速度并計(jì)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(dòng)應(yīng)變測(cè)量實(shí)驗(yàn)（拓展實(shí)驗(yàn)），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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、點(diǎn)荷載強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所用主要儀器設(shè)備包括材料實(shí)驗(yàn)機(jī)、直剪實(shí)驗(yàn)儀、位移測(cè)表（百分表或千分表）、點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)儀及其它輔助設(shè)備。

3.3礦山開采設(shè)計(jì)和臺(tái)階爆破方案設(shè)計(jì)

依據(jù)前面某號(hào)礦樣的地質(zhì)條件和所測(cè)力學(xué)參數(shù)，指導(dǎo)老師再提供補(bǔ)充相關(guān)礦山參數(shù)與開采要求，學(xué)生進(jìn)行一露天礦山模擬開采設(shè)計(jì)和臺(tái)階爆破方案設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要求要有生產(chǎn)臺(tái)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(shí)驗(yàn)時(shí)照單領(lǐng)取器材，進(jìn)入爆破網(wǎng)路綜合實(shí)驗(yàn)。露天礦山模擬開采設(shè)計(jì)是依托上學(xué)期開設(shè)的“露天采礦課程設(shè)計(jì)”課程完成，將本次實(shí)驗(yàn)巖樣的參數(shù)代替原來設(shè)計(jì)的參數(shù)，在老師的指導(dǎo)下適當(dāng)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃和礦石快度要求，學(xué)生就可以快捷的完成設(shè)計(jì)工作。這樣就讓學(xué)生把主要精力放在實(shí)驗(yàn)工作在，而不是花很多時(shí)間再去搞設(shè)計(jì)。

3.4爆破器材檢測(cè)與起爆網(wǎng)路優(yōu)化

根據(jù)臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)所選用的爆破方法和器材，對(duì)所選器材進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)。包括雷管、炸藥、導(dǎo)爆管、導(dǎo)爆索等各項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)。主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有電雷管參數(shù)的測(cè)定、導(dǎo)爆管的爆速測(cè)定、炸藥爆力測(cè)試、炸藥猛度測(cè)試、殉爆距離測(cè)試、爆破地震效應(yīng)測(cè)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(cè)試儀，指針式爆破歐姆表，數(shù)字式爆破歐姆表等。在臺(tái)階爆破實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上把所設(shè)計(jì)的爆破網(wǎng)路進(jìn)行實(shí)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(jì)了塑料導(dǎo)爆管毫秒微差起爆網(wǎng)路，4排共30多個(gè)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(jìn)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(shí)驗(yàn)、探討問題，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，解決了問題。

3.5動(dòng)載荷實(shí)驗(yàn)與安全監(jiān)測(cè)

在爆破網(wǎng)路連接起爆前，安排爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)。通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解IDTS3850、4850等爆破震動(dòng)測(cè)試儀的使用，利用爆破震動(dòng)測(cè)試儀對(duì)爆破產(chǎn)生的震動(dòng)有一個(gè)量的認(rèn)識(shí)[9]，從而指導(dǎo)在爆破作業(yè)時(shí)采用合理的爆破技術(shù)和安全措施。并可對(duì)爆破震動(dòng)信號(hào)分析和減小爆破震動(dòng)技術(shù)、降低爆破工程對(duì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)區(qū)域內(nèi)，對(duì)環(huán)境氣體、粉塵進(jìn)行采集，之后在氣象色譜儀等設(shè)備上進(jìn)行檢測(cè)，分析對(duì)比爆破對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。采礦工程中經(jīng)常會(huì)遇到在動(dòng)載荷作用下應(yīng)變測(cè)量問題，如研究沖擊機(jī)械(鑿巖設(shè)備、破碎錘設(shè)備等）中沖錘對(duì)工具沖擊作用，研究爆破作用機(jī)理，研究在爆破、地震作用下露天采場(chǎng)邊坡動(dòng)力響應(yīng)等。由于動(dòng)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(cè)量和分析結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷作用下的動(dòng)應(yīng)力問題是非常重要的。拓展實(shí)驗(yàn)以等強(qiáng)度梁為研究對(duì)象，測(cè)量等強(qiáng)度梁在動(dòng)載荷作用下的動(dòng)應(yīng)力。

3.6礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)與復(fù)墾

將礦山開采對(duì)環(huán)境的影響與保護(hù)、高邊坡監(jiān)測(cè)和維護(hù)、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(shí)驗(yàn)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(cè)、數(shù)字化礦山、礦床可視化建模及優(yōu)化開采、太陽(yáng)能在露天采礦中的應(yīng)用、露天采礦循環(huán)經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)等寬視野探討項(xiàng)目。幾年來，有11項(xiàng)成果在國(guó)家級(jí)和省部級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新大賽中獲獎(jiǎng)。

4結(jié)語(yǔ)

建議本實(shí)驗(yàn)安排在大學(xué)本科四年級(jí)上學(xué)期，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)1周。支撐本綜合實(shí)驗(yàn)的相關(guān)露天采礦設(shè)計(jì)、露天臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)要在前期的課程設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)是從幾個(gè)礦樣開始，演繹到整個(gè)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(shí)用意義。實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生對(duì)整個(gè)露天采礦工藝有了整體的認(rèn)識(shí)，清楚了露天采礦工藝步驟和技術(shù)要點(diǎn)，為后期本科畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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