井巷工程創新教學實驗平臺建設

楊立云，孫 強

實驗課程改革

井巷工程創新教學實驗平臺建設

楊立云，孫 強

（中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院，北京 100083）

結合礦山建設專業井巷工程教學實驗實際情況，分析了傳統教學中存在的問題，提出了建立礦山建設井巷模型實驗系統平臺的構想。根據實驗教學需要和創新訓練需求，設計和搭建了包括礦建井巷模型加載系統和數字圖像相關（DIC）監測與分析系統組成的多功能井巷工程模型實驗系統平臺，設計了操作簡便的基礎性教學實驗，完成了多項大學生創新訓練、畢業論文等科研實驗，并打造了開放自主實驗室環境。

井巷工程教學；實驗平臺；DIC

“井巷工程”是土木工程礦山建設方向的核心主干課程，旨在培養學生了解和掌握礦山工程、隧道工程和水利工程等相關理論、設計、技術、施工工藝以及施工組織與管理等方面知識。隨著我國高等學校人才培養機制的轉變，即強化基礎課程、壓縮專業課程和實施通才教育，原有的井巷工程教材和實踐等教學條件老舊，已無法適應新時代要求[1-2]。我校作為老牌礦業高校，在井巷工程教學方面亦存在上述問題：實驗技術和設備落后，學生對井巷工程的基本力學原理很難有清晰概念和直觀感受；實驗室設備功能單一且操作復雜，限制了學生自主發揮的空間，影響了創新實驗教學的開展。

2016年我校根據實際情況提出和創建了井巷工程模型實驗多功能平臺，設計了井巷模型加載系統和數字圖像相關（DIC）監測與分析系統，打造了開放自主實驗環境，滿足了基礎性教學實驗和創新性科研實驗要求。基礎性教學實驗包括圓形、矩形和拱形等常用井巷斷面的力學分析。創新性科研實驗則可以根據學生在學習過程中遇到的問題進行設計或從大學生創新訓練項目中獲取，鼓勵大膽實踐創新，曾完成深部巖體爆破、圍巖支護方面的實驗項目，培養了學生的創新意識與能力。

1 井巷工程基礎實驗課的開展及存在問題

1.1 井巷模型實驗教學的初步開展

我校原有的井巷模型實驗系統（見圖1）主要由反力架、液壓加載系統、測控系統、數據采集系統等組成[3]。

圖1 井巷模型實驗系統

井巷工程實驗課主要采用此實驗系統授課，其基本定位是了解+部分演示。具體包括3大環節：

一是礦井模型實驗準備。基于相似理論澆筑大型地質模型，主要以石膏、細沙和水泥作為相似模型材料，并埋設應變磚、壓力盒和位移傳感器等測量儀，澆筑養護完成后，采用臺式水鉆開挖直徑300 mm的圓形巷道（見圖2）。此階段以研究生為主體，本科生主要是了解。

圖2 圓形巷道

二是模型實驗開展階段。通過逐級加載，模擬井巷圍巖的受力變形甚至破壞等現象，測試巷道在不同載荷下的變形、圍巖中應力分布等，繪制應力/位移等變化曲線（見圖3）。此階段以教師為主體，本科生主要是觀摩和記錄。

三是模型實驗報告編制階段。通過實驗報告，詳細地敘述井巷模型實驗過程，分析實驗數據和總結實驗結果。此階段以本科生為主體，主要強化學生對井巷的基本力學原理和概念的認識。

1.2 存在問題

限于我校井巷工程實驗室實際情況，井巷工程教學實驗的開展尚存在一系列的問題：

圖3 應力變化曲線

（1）實驗場地狹窄。實驗室面積僅70 m2，由于模擬巖體的實驗條件和對數據采集的需求，室內安裝了重型反力架和加載系統以及繁瑣的測控系統和數據采集系統。室內空間狹小，儀器眾多，在以往的教學實例中，1個班的學生進入實驗室會造成實驗室擁擠現象，導致很多學生沒有機會接觸實驗儀器和設備，并且后面的學生由于視線受阻，無法很好地參與到實驗教學中，只能簡單地觀摩，無法自主操作。

（2）實驗室設備存在局限性。傳統的井巷模型實驗室的加載系統由反力架和液壓裝置組成，笨重、操作復雜，且變形監測技術采用常規的壓力盒、應變片和位移計等電測儀器，只能夠測量巖體中某固定點的應力分布情況，測量結果不具有連續性，不能很好地表征在不同應力下試件應力的分布情況，也無法掌握模型試件的薄弱受力點，且不直觀，無法實時顯現。所以傳統變形檢測技術已經不能很好地滿足科研和實驗教學的要求。

（3）實驗耗時且耗費資源多。傳統的井巷模型實驗需要做大量的前期準備工作，包括大量實驗材料的購買、實驗模型的制造和養護以及實驗設備的運行和維護等。一個模型實驗的完成需要耗費大量的人力、財力和物力，無法適用于創新性實驗教學。

（4）井巷工程實驗課時少，實驗項目有限。目前，井巷工程實驗課時少，再加上以上幾點問題的存在，所以只能進行圓形巷道的模擬實驗，對于其他具有代表性的矩形和拱形等井巷模型實驗都無法開展。為了滿足幾個班級的上課要求，模型試件不能被加載破壞。這種教學方式導致實驗結果出現較大誤差以及不能實現井巷圍巖破壞現象的模擬。所以井巷工程實驗教學環節十分薄弱。

2 基于DIC技術的實驗平臺設計與搭建

為了適應新時代下礦山建設人才培養的要求，我校2016年建立了井巷工程模型實驗多功能平臺，主要包括井巷模型加載系統和數字圖像相關分析（DIC）監測與分析系統。傳統的井巷模型實驗室預埋壓力盒、應變片和位移計等[4-6]，監測技術落后。近些年實驗力學測試技術和設備發展迅速，數字圖像相關分析（DIC）方法在各行各業都得到越來越廣泛的應用，且操作簡單、適應性廣[7-10]。該實驗平臺簡單實用、實驗成本低、適用范圍廣、可視化程度高。學生可通過電腦屏幕直觀地了解實驗模型應變變化情況。與此同時，該系統能夠滿足不同形狀巷道斷面的變形監測，實現整個模型全場的應變分析。該系統的建立不僅能滿足本科基礎教學實驗要求，而且能為大學生創新訓練提供創新性科研實驗設備支撐，推動了先進實驗技術的教學和應用。礦山模型加載系統如圖4所示，采用液壓千斤頂和壓力傳感器實現豎向靜態加載和載荷顯示。

圖4 模型加載系統

該加載系統載荷范圍為0~300 kN，可以滿足長寬50~300 mm、厚5~200 mm的試件加載。選擇厚度較小的試件時，可以近似視為平面應力模型。實驗過程中，將試件放入加載框架內，通過螺絲桿推動楔塊來固定不同厚度的試件。此加載系統簡單靈活、拆卸方便、占地空間少、操作簡單、造價成本低。在同樣的實驗條件下，可以制作、安裝多套，讓學生分組實驗，親自動手。

數字圖像相關分析（DIC）監測與分析系統由計算機、數據采集裝置、照明設備和DIC分析軟件等組成，如圖5所示。照明設備為白光光場，提供穩定光源。數據采集裝置由CCD相機組成，用以拍攝試件變形前后的圖像。計算機在整個測量過程中負責下達采集和圖像保存命令，并裝載DIC分析軟件，進行后期的圖像相關計算與分析。

圖5 DIC監測與分析系統

3 平臺應用實例

3.1 基礎教學實驗

基礎教學實驗試件選用彈性有機玻璃（PMMA）板，分別模擬圓形巷道、矩形巷道和半圓拱形巷道。試件散斑的制作在研究生指導下完成，學生可先在白紙上練習噴斑，然后再進行試件噴斑。試件散斑制作采用手動噴制，在試件一側表面均勻噴繪白色啞光漆，然后用黑色啞光漆噴繪形成隨機散斑，散斑直徑約0.5 mm，散斑密度約為70%。其中，噴斑后的拱形巷道如圖6所示。

圖6 拱形巷道散斑試件

實驗過程中，通過液壓千斤頂給試件施加豎向靜態壓應力，壓力傳感器實時監測載荷大小，CCD相機拍攝不同壓力載荷下的試件照片，DIC分析系統實時計算和顯示試件觀測區域的變形或應變云圖。圓形巷道、矩形巷道和半圓拱形巷道的部分實驗結果見圖7。學生可根據實驗測量結果編寫實驗報告，對實驗結果進行更進一步的分析和總結。

圖7 3種斷面形狀巷道的實驗結果

3.2 創新性實驗

我校大學生培養過程中有2個創新環節，一是大學生創新訓練項目，二是科研性畢業論文項目。近幾年，該實驗平臺完成了多項創新性實驗項目，如深部巖體爆破實驗采用石膏模型（見圖8）進行高地應力載荷下的掏槽和光面爆破模擬實驗、圍巖支護實驗、巷道變形破壞實驗等。另外，還進行了高地應力對爆炸應變場的分布特征影響實驗研究（見圖9）。

圖8 深部巖體爆破實驗

圖9 深部巖體爆破的應變場分布云圖

4 打造開放自主實驗室環境

為了充分發揮井巷工程模型實驗多功能平臺在教學中的作用，需要打造開放自主的實驗室環境，鼓勵學生開展創新實驗。首先，在開放程度上，真正實現24 h全面開放。其次，實驗室面向全校師生，任何教師和學生可以向實驗室教師提交申請報告，經教師審閱后，均可在實驗輔助人員的幫助下進行實驗。最后，由實驗室教師主導，打造實驗室中實驗項目共享數據庫，并建立實驗室微信交流群，實現及時溝通與分享，營造良好的學術氛圍。

5 結語

根據土木工程專業礦山建設方向本科“井巷工程”課程實驗教學和創新性實驗需要，建立了井巷工程模型實驗多功能平臺，主要包括井巷模型加載系統和數字圖像相關分析（DIC）監測與分析系統。設計了圓形、矩形和拱形等3種斷面巷道的基礎教學實驗，服務完成了多項大學生創新訓練和畢業論文等科研類項目。本實驗平臺滿足了本科生的實踐教學環節，對培養學生對不同形狀巷道的力學特征知識點的掌握提供了直觀印象，亦為大學生創新訓練項目和畢業論文項目等提供了實驗設備支撐。

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Construction of experimental platform for innovative teaching of shaft and tunnel engineering

YANG Liyun, SUN Qiang

(School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)

In combining with the actual situation of mine construction engineering teaching experiment, this paper analyses the existing problems in traditional teaching and puts forward the conception of establishing the experiment system platform for the shaft and tunnel construction model. According to the needs of experimental teaching and innovative training, a multi-functional experiment system platform for shaft and tunnel engineering model is designed and built, which consists of the shaft and tunnel model loading system and digital image correlation (DIC) monitoring and analysis system. The basic teaching experiment with simple operation is designed, a number of scientific research experiments such as innovative training and graduation thesis for college students are completed, and an open and independent laboratory environment is created.

shaft and tunnel engineering teaching; experimental platform; DIC

N33

A

1002-4956(2019)12-0219-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.051

2019-04-09

中國礦業大學（北京）教學改革項目（J160614）；中國礦業大學（北京）大學生創新訓練項目；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目

楊立云（1983—），男，河北邢臺，博士，副教授，博士生導師，從事礦山建設、實驗力學方面的教學與研究。E-mail: yangly@cumtb.edu.cn