露天采矿技术综合实验教学研究

摘要：实验从采集和描述矿样为始点，演绎到岩样制备与力学实验、矿山开采设计、爆破设计与实验、震动检测、直至采后的生态监测与恢复。实验涉及到露天采矿工艺主要技术环节的设计、生产设备和监测仪器的使用操作等。

关键词：采矿工程；本科实验教学；综合实验课；露天采矿工艺；教学研究

1概述

采矿工程专业是典型的工程专业，对学生的实践能力有较高的要求[1]。实验教学作为培养高素质采矿工程专业人才手段的重要组成部分，得到了大家的一致认可[2-3]。实验教学是以对理论教学的验证、贯穿和拓展为主的教学模式，实验教学是保证采矿工程专业教育质量的关键[4-5]。做好实验教学，对于学生认识采矿工艺全过程，进而尽快参与实际工程提供了一条很好的途径。采矿工程专业多年来都是各门课程独立设置实验，实验内容主要是该门课程的实验验证类，学时数少，时间紧，知识点相对独立。学生在实验室时间短，没有机会和时间做重复性实验，对实验设备仪器的认识和操作达不到熟练程度。无法给学生足够的思考、设计和准备的时间与空间。学生匆忙做完实验后还要尽快提交实验报告，该门课程便进入了考试结业阶段。在本科教学评估验收工作的督导下，相关课程的实验虽经过多次改革与更新，逐步将各门专业课的实验内容合并为一个或多个综合实验课程。但因为时间匆忙和没有进行系统的教学研究，这种合并仅仅是多个小实验的集中开设，与原来的零星实验没有本质的区别。本课题依托湖北省教育厅和教育部高等学校地矿学科教学指导委员会项目支持，开展了对采矿工程创新教学实验的课程体系和实践的研究，并付诸实现。主要教改方案是将采矿专业本科生所有的专业课程所涉及的实验课，全部整合为1门“专业工程实验”课程，课程分地采和露采2个综合实验内容，采矿专业露天采矿综合实验课就是本教改的成果之一。经过几届的本科教学实践和完善，取得了良好的教学效果。

2露天采矿综合实验的构建

立足验证、贯通和创新3方面的实验教学层次[6]，将露天采矿全工艺过程所涉及的相关课程进行贯通[7]，每一步的实验都与前面实验部分相关联，每项实验资料都尽量以前面的实验材料和数据为依据。而每个部分又涵盖3个层面，一是基本理论方法验证；二是综合贯通实验；三是研究创新性实验。露天采矿实验路线为，地质采样—矿样描述—岩石试样制备—岩石物理、力学实验—露天矿山开采设计—爆破设计—爆破实验—爆破震动检测—灾害防治—边坡监测—生态监测与恢复。实验不但包含了常规生产监测所用仪器设备，还融入了目前最先进的采矿实验和监测手段，如基于LABWIEW的虚拟实验平台、数字矿山软件、高速摄影、地压监测、粉尘及气体监测仪器等，创新了实验手段。

3综合实验步骤

3.1矿山矿石采样

采用矿床实地取样或模拟取样为实验课程的开篇，让学生对矿床地质条件、环境和矿石分类进行专业地质描述和矿样检测。主要实验内容为确定几种矿样的成因，描述样本的外观物理性质，如色泽、硬度、节理、裂隙、层状、孔隙率、密度等。采集的矿样一般为4～6个不同的岩石品种，每个品种矿样数为3～6个。这些矿样及其特性参数将是之后所有实验内容的支撑，也是模拟设计矿山矿床和围岩岩性的依据。

3.2岩石力学实验

1）将所采集的矿样选出有代表的多个矿样进行试样制备。学生需要掌握和操作岩芯钻机、锯石机、磨石机和车床、测量平台、角尺、千分卡尺、放大镜、烘箱、干燥器和饱和设备，以及LABWIEW的虚拟实验平台等。

2）测定岩块声波速度并计算岩块的弹性参数，主要仪器和设备为RSM-SY5型岩石声波仪，纵、横波换能器，等。

3）动应变测量实验（拓展实验），学生应掌握YE3818C型应变放大器、数据采集系统、悬臂梁等仪器设备。

4）单轴抗压强度、抗拉强度、剪切强度、点荷载强度实验，实验所用主要仪器设备包括材料实验机、直剪实验仪、位移测表（百分表或千分表）、点荷载实验仪及其它辅助设备。

3.3矿山开采设计和台阶爆破方案设计

依据前面某号矿样的地质条件和所测力学参数，指导老师再提供补充相关矿山参数与开采要求，学生进行一露天矿山模拟开采设计和台阶爆破方案设计。设计要求要有生产台阶剖面图、炮孔布置图、装药结构图和起爆网路图等[8]。并列出一次爆破的器材清单，以备爆破实验时照单领取器材，进入爆破网路综合实验。露天矿山模拟开采设计是依托上学期开设的“露天采矿课程设计”课程完成，将本次实验岩样的参数代替原来设计的参数，在老师的指导下适当调整生产计划和矿石快度要求，学生就可以快捷的完成设计工作。这样就让学生把主要精力放在实验工作在，而不是花很多时间再去搞设计。

3.4爆破器材检测与起爆网路优化

根据台阶爆破设计所选用的爆破方法和器材，对所选器材进行参数检测。包括雷管、炸药、导爆管、导爆索等各项参数检测。主要实验内容有电雷管参数的测定、导爆管的爆速测定、炸药爆力测试、炸药猛度测试、殉爆距离测试、爆破地震效应测试与分析等。所用仪器设备为SCR-1型多功能雷管参数测试仪，指针式爆破欧姆表，数字式爆破欧姆表等。在台阶爆破实验平台上把所设计的爆破网路进行实现，连接起爆。并分析效果与可靠度。例如，很多学生设计了塑料导爆管毫秒微差起爆网路，4排共30多个炮孔，分别用孔内外微差延期。这里就出现很多不同的情况，是单排微差起爆还是单孔单响，是四通连接器网路还是雷管接力网路，复式网路怎么连接可靠。学生分头领取的模拟仿真起爆器材进行联网，起爆后常出现有炮孔雷管不响的情况。通过检查网路找出问题、重复实验、探讨问题，对网络进行优化，解决了问题。

3.5动载荷实验与安全监测

在爆破网路连接起爆前，安排爆破震动监测。通过实验使学生了解IDTS3850、4850等爆破震动测试仪的使用，利用爆破震动测试仪对爆破产生的震动有一个量的认识[9]，从而指导在爆破作业时采用合理的爆破技术和安全措施。并可对爆破震动信号分析和减小爆破震动技术、降低爆破工程对环境空气的污染等开展创新性研究。在爆破网路起爆前后，在爆破网路实验平台区域内，对环境气体、粉尘进行采集，之后在气象色谱仪等设备上进行检测，分析对比爆破对环境空气质量的影响。采矿工程中经常会遇到在动载荷作用下应变测量问题，如研究冲击机械(凿岩设备、破碎锤设备等）中冲锤对工具冲击作用，研究爆破作用机理，研究在爆破、地震作用下露天采场边坡动力响应等。由于动载荷作用比静载荷作用的情况要复杂得多，往往得不到理论解。因此，测量和分析结构在动载荷作用下的动应力问题是非常重要的。拓展实验以等强度梁为研究对象，测量等强度梁在动载荷作用下的动应力。

3.6矿山环境监测与复垦

将矿山开采对环境的影响与保护、高边坡监测和维护、地表恢复、矿坑综合开发利用等开展创新性研究。并与之后的能力拓展实验相结合，变换衍生了很多大学生创新研究课题。其中包括GPS在露天采矿中的应用、采空区遥感探测、数字化矿山、矿床可视化建模及优化开采、太阳能在露天采矿中的应用、露天采矿循环经济设计等宽视野探讨项目。几年来，有11项成果在部级和省部级大学生创新大赛中获奖。

4结语

建议本实验安排在大学本科四年级上学期，实验学时1周。支撑本综合实验的相关露天采矿设计、露天台阶爆破设计要在前期的课程设计教学中完成，所涉及的课程教学老师要协同配合。由于实验是从几个矿样开始，演绎到整个矿山开采完后的闭坑复垦，引导学生把大学期间所学的相关专业课理解贯穿，领悟到以往所学课程与采矿工程的关联和实用意义。实验完成后，学生对整个露天采矿工艺有了整体的认识，清楚了露天采矿工艺步骤和技术要点，为后期本科毕业设计奠定了基础。

参考文献：

［1］高召宁.采矿工程专业实践教学平台建设分析［J］.科技创新导报，2015（4）：224-225.

［2］杨宝贵，张勇，侯运炳.采矿工程专业人才培养模式改革［J］.中国煤炭，2015（3）：33-35.

［3］刘晓云.基于采矿工程专业学生特点的教育管理模式构建［J］.中国冶金教育，2014（6）：70-72.

［4］刘钦节，杨科.基于虚拟矿井建设的采矿工程学科实验教学方法探讨［J］.科教导刊：上旬刊，2014（11）：93-94.

［5］张亚宾，甘德清，陈超.露天开采新形势下《露天采矿学》教学模式［J］.河北联合大学学报：社会科学版，2012（4）：125-126.

［6］陈静，郭惟嘉，杨永杰，等.高校采矿工程专业新型实践教学模式构建及教学方法改革与实践［J］.教育教学论坛，2014（53）：166-167.

［7］甘德清，卢宏建，陈超，等.《露天采矿学》课程教学体系建设［J］.科技创新导报，2015（2）：128-129.

［8］胡升海，房泽法，熊鹏，等.雷管爆炸对邻近导爆管影响的试验研究［J］.爆破，2014（1）：118-123.

［9］欧阳建华，李雷斌，吴亮，等.岩质凸形边坡体爆破质点振动监测与分析［J］.爆破，2015（1）：54-56.

作者：谭海 王玉杰 陈先锋 尚亿军 李梅 张春阳 牛奕 张燕 单位：武汉理工大学资源与环境工程学院