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采矿工程结课论文5000字

（一）：

浅析采矿工程实验室的建设与管理论文

摘要：

采矿工程是一门应用性较强的工程学科，对采矿工程专业学生的实践能力和创新能力要求较高，为强化采矿工程实验室在学生培养中的服务效果。

从教学、科研、设备管理及服务对象四方面分析了采矿工程实验室建设和管理中存在的问题，论述了采矿工程专业实验室建设的必要性及采矿工程实验室建设的现状。

从教学、科研实验室的建设、实验室开放运行模式、实验室队伍建设及校企合作等方面提出了采矿工程专业实验室建设与改革的有效对策，为我国采矿工程类院校的实验室建设与管理提供一定的借鉴。

关键词：

采矿工程；实验室；建设与管理；对策

0引言

随着科学技术的进步，各大高校纷纷扩招，而开设采矿工程专业的院校也在逐渐增多，社会对人才的需求量也逐渐增加，同时对人才的实践能力和创新能力的要求也更高，这就要求各大高校和科研院所能培养出更多高质量的复合型人才[1-4]。

采矿工程是一个工程应用较为明显，且实践性要求较高的学科，这就要求在采矿工程专业扩招的同时，采矿工程实验室的建设也需与其共同发展[5-6]。

培养实践能力和创新能力强的专门型人才在很大程度上取决于该学科实验室的教学水平，而实验室教学水平高低又主要取决于实验室建设和发展的好坏[7-8]。

采矿工程作为一个传统的行业，主要侧重于地下岩土体的开挖、边坡稳定性分析、水利工程等，对专业的实践能力要求更为明显，因此，必须采取强有力的措施，推动全国高校采矿工程专业实验室的建设与管理，更好地为采矿工程专业学生服务[9]。

1采矿工程专业实验室建设的必要性

（1）人才培养的需要。

矿产资源作为国家资源的命脉，对国家的经济发展具有重要的推动作用。

采矿工程作为我国相对较传统的学科之一，主要培养具有矿山开采施工、设计及科研方面的实践型和创新型人才[10-12]。

在过去10多年间，由于社会经济的大力发展，采矿工程学科也得到了较大发展，需要进行采矿工程实验教学和科研的学生人数在大幅增加，同时采矿工程也由宏观的研究逐渐向细观研究方向发展，这对实验设备的要求也更高。

因此，需要建设具有设施相对齐全，管理制度较好的采矿工程专业实验室，培养出更加优秀的人才。

（2）专业建设的需要。

根据采矿工程相关专业培养的目标及社会对采矿工程人才知识的需求，要求采矿工程专业掌握矿山通风、开采、排水、自救等相关知识，而这些专业知识对动手能力和实践能力要求较高，必须对相关专业学生开设矿井通风、采矿方法设计、岩石力学强度分析、矿山自救系统设计等相关的实验课程[13]。

（3）教学资源共享的需要。

纵观全国开设采矿工程专业的院校，除了一些经费较多的中南大学和中国矿业大学的实验设施相对较齐全，大多数采矿工程专业院校都没有设备较为齐全的采矿工程实验室，这与采矿工程建设和日益增长的采矿工程实验的需求不符，将会较大地影响采矿工程专业学生的进一步发展。

随着各大高校的发展，学校招生规模逐渐增加，可将各大采矿工程专业院校划分为几大区域，联合起来共建采矿工程专业实验室，实现采矿工程专业实验室资源共享，避免重复建设[14]。

（4）科学研究和产学研结合的需要。

采矿工程作为较传统的工程学科，实验室在服务本科教学的基础上，还可为矿山施工企业及科学院所服务，因此，设施齐全的采矿工程实验室不仅可为采矿工程专业学生必要的教学和科研条件，还可为企业进行服务。

2采矿工程专业实验室建设现状

（1）资源分配不合理。

全国涵盖开设有采矿工程专业的院校接近30所，资源分配出现两极分化现象，中国矿业大学和中南大学拥有国家级重点实验室，各项实验设施相对较为齐全，而很多力量相对薄弱的高校中的三轴抗压强度和剪切实验都无法完成[15]。

（2）采矿工程专业实验室面积不足。

通过对各大高校采矿工程专业实验室调查分析，发现大部分高校均未设置专门的材料堆放场地，而实验设计的材料多为岩石、水泥、砂石料等，一般实验周期较长，堆放的物料较多，灰尘较大，实验室不易保持整洁。

其次，采矿工程实验所需的设备体积较大，占地面积相对较大。

（3）实验设备落后。

随着采矿工程学科的发展，采矿工程逐渐由宏观向细观力学方向发展，高校的实验设备仍然停留在20世纪70～80年代，拥有的单轴和三轴实验室已不能满足基础实验的需求，基本没有新的设备投入。

因此，很多采矿工程专业院校实验设备不仅不能满足本科生的教学，也不能满足科学研究的需要。

（4）采矿工程专业实验技术人员比例分配不合理。

很多高校对实验室工作不够重视，把实验室管理仅仅当作该学科中的一个辅助，专职实验员和兼职实验员的比例分配失衡。

因此，很多高校的采矿工程实验室难以形成技术有优势、实践能力较强、学术层次分明的实验室教学管理队伍，对采矿工程的教学、科研和创新的发展都极为不利。

3采矿工程专业实验室存在的问题和难点

目前各高校教学、科研以及管理水平的高低与该学科实验水平密切相关，而采矿工程更加侧重于现场应用，因此，采矿工程实验室对于采矿工程的教学和科研不容忽视。

笔者通过对采矿工程专业实验室建设的必要性和建设现状进行分析，发现采矿工程实验室存在诸多问题[16-17]。

3.1教学问题

（1）经费投入不足，实验设施较差。

一方面很多采矿工程实验室设备不够齐全，有些需要实验室教学的课程无法开展，严重影响采矿工程正常的教学。

（2）理论与实践不能较好结合。

采矿工程涉及到测量、地质、通风、岩石力学、露天开采和井下开采等课程，这些课程都是实践性较强的课程，需结合相关实验及模拟模型来进行教学。

由于实验室条件等因素的限制，很多采矿工程院校都过多注重理论知识的教学，而忽视了实验室教学。

（3）实验创新性不足。

在本科生的教学中，一般采矿工程院校都只是建立了一些基本的三维露天矿山模型、地下开采采矿方法模型、通风系统模型及地质标本展览室等，在教学中并未组织学生进行地质标本辨识实验及动手建立采矿方法模型、通风系统模型等，导致学生对采矿工程现场专业知识掌握的不够透彻。

（4）实验室教师队伍配备不合理。

纵观采矿工程类院校采矿工程实验室，实验教师队伍一般由年轻的硕士或者博士组成，缺乏有丰富经验的教授或者现场经验丰富的工程师，影响实验教学。

3.2科研问题

采矿工程专业涉及面较广，且采矿工程现场环境较复杂，很多矿山在生产过程中都需要高校和科研单位来提供技术支撑，而这些科研项目都需要将现场情况与实验相结合。

一方面，受高校实验条件的限制，很多基础性的实验无法进行，严重制约科研项目的开展；另一方面，采矿工程实验室设备较少，本科生教学任务较重，不能很好地平衡科研与教学的管理，影响科研实验的有效进行。

3.3管理问题

（1）实验教师处于从属地位。

在采矿工程专业的教学中，实验教学被认为是教学中的一个辅助，有些高校把考核不合格的教师或者业务能力相对较低的老师分配到实验岗位，对专门从事实验教学岗位的教师缺乏足够重视，导致实验室教师工作的积极性不足。

（2）网络化管理平台薄弱。

采矿工程实验室涉及面较广，且实验室教师队伍分配不合理，很多都为兼职实验员，造成实验室管理混乱。

很多高校采矿工程实验室仍采用较为落后的人工管理手段，效率较低。

而采用网络化的管理平台，可大大提高实验室管理效率。

（3）实验室缺乏对外交流，开放时间不够。

由于实验教师大多为兼职教师，因此，实验室的开放时间大多为教学时间，其它时间开放较少。

其次，实验课程设置较为单一，难以接纳高水平的学者来访问交流，也就难以将国际上高水平的实验成果引进实验教。

（4）资源无法共享。

在开设采矿工程专业的院校中，大部分高校的实验室设备都不够齐全，这就需要管理工作者能够采取有效的管理措施对实验室进行管理，制定合理有效的措施共享实验室资源，以实现各大采矿工程专业实验室资源共享，提高采矿工程专业学生的实验教学和科研质量。

3.4实验室开放难

随着全国采矿工程学生人数的增加，而采矿工程实验室的设备存在严重的陈旧及欠缺现象，导致很多高校的采矿工程实验课程不得不分组进行，学生的实验周期较长，同时增加了实验教师的教学任务量，最终在学习成绩评定的时候，也会缺乏一个相对公平的评分机制。

实验室场地面积和实验设备有限，很多基础的采矿工程实验无法进行，有些设备仅能供学生进行参观，学生的动手能力缺乏，使得学生无法对采矿工程实验方案及目的进行更加深入了解。

4采矿工程专业实验室建设与改革对策

矿产资源是国家经济发展的命脉，培养具有实践能力和创新能力的高水平技术人才对提高我国采矿技术水平具有重要的意义。

采矿工程专业实验室是培养学生具有较强实践能力和创新能力的基础，因此，针对国内采矿工程院校存在的问题，需提出强有力的实验室建设与改革措施[18-20]。

4.1建设采矿工程专业教学、科研实验室

根据采矿工程专业培养需求，首先需建设能满足本科生教学需求的实验室平台，在此基础之上，可进一步建设资源共享的区域型实验平台，不仅为本校学生的教学提供服务，也可为该区域高校的本科生教学提供教学平台。

采矿工程实验室不仅需满足实验室的教学任务，也是研究生进行科研的基础。

学校应根据采矿工程研究方向，加大实验设备投入力度。

协调好教学实验与科研的关系，尽量将教学实验集中安排，既方便实验教师的管理，又提高了实验室的利用率。

4.2增加采矿工程实验室设备经费投入

现有的采矿工程实验室与采矿工程的招生规模不相适应，一些不能满足现有教学需求的实验设备必须淘汰。

学校需积极筹集采矿工程实验室建设经费，为采矿工程专业实验室配备更多先进而紧密的实验仪器。

实验室运行过程中，需加强实验室管理，提高实验室的利用率。

同时，实验室应建立相关的奖励措施，调动老师和学生的积极性，充分利用实验室的教学和科研资源，以实现实验室的最大利用价值。

4.3实验室实行开放式管理

采矿工程学科为实践性较强的学科，很多教学和科研需通过实验进行验证。

而采矿工程实验室的设备偏向于大型化，且实验设备数量非常有限，因此，需对实验室进行开放式管理，提高实验室资源利用率。

学校应建立实验室管理信息系统，学生可自己通过网上实验室预约系统进行预约，自主选择实验内容和实验时间，进行自己感兴趣的科研活动。

学校还可将实验室作为大学生实验竞赛的场地，提高资源利用率，培养学生的创新实践能力。

此外，开放性的专业实验室平台，不仅可以提高采矿工程专业的实践水平，而且老师和学生可利用实验室资源，充分进行科研项目研究，对老师和学生的科研能力、实践能力和创新能力的提高具有较大的促进作用。

4.4加强实验室队伍建设

针对采矿工程实验室师资力量配置不合理的现状，学校应加强实验室师资队伍的建设，重视采矿工程专业的实验教学，并采取合理的奖励措施，让实验室教师感觉到自身的价值，引进更多具有丰富经验的实验人员投入到实验室教学中；学校应提高实验人员的学历层次，吸引更多具有高学历、高级职称的教师，使采矿工程专业实验教师比例更趋合理。

学校应定期对实验室管理人员的业务水平及教学水平进行培训，提高实验人员的综合素质。

4.5校企合作，开发利用校外采矿工程实验实训基地

采矿工程是一门实践性较强的工程学科，仅仅依靠室内实验来提高采矿工程专业学生的实践能力还是不够全面的，因此，需要学校加强与企业单位合作，大力建设采矿工程校外实验实训基地，为学生提供较好的实训条件，方便学生将理论知识与现场实践有机的结合在一起。

此外，开发校外采矿工程实训基地，企业提供实训场所和设备等硬件保障，学生可将所学理论知识应用于现场，为企业提供技术支持，实现企业与高校双赢。

5结语

矿产资源是国家经济发展的命脉，培养出更多更加优秀的采矿工程专业技术人才具有重要的意义。

而采矿工程专业为应用型工程学科，涉及到大量的室内实验和现场工程实验，现有的采矿工程院校实验室建设及投入力度不够，因此，国家及高校应加强对采矿工程专业实验室建设的重视。

本文针对目前采矿工程专业实验室建设与发展过程中存在的一些问题，从采矿工程专业教学、科研等方面提出了相应的对策，只有不断的对采矿工程专业实验室进行改革，才可提高采矿工程专业实验室的教学和科研平台，满足采矿工程专业人才的社会需求，为采矿工程专业的发展提供更加坚实的基础。

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（二）：

深部采矿工程多功能相似模拟装置论文

摘要：

以千米埋深为基本条件，根据相似模拟试验需求，研制了1种结构紧凑、一机多用的相似模拟试验装置。

该装置由模型加载反力框架、模型加载装置及智能液压控制系统等组成，具有结构简单、操作方便、强度高、加载能力大、整体稳定性好、双向四面可调非均匀加载等明显优势。

以淮南顾桥煤矿1115

（1）工作面为研究背景，利用该试验装置进行深井大断面沿空留巷过程相似模拟试验研究，结果表明：

利用该试验装置可以较好地实现沿空留巷过程这一复杂采矿活动相似模拟试验，且试验结果与现场实测相吻合，能较为准确地反映现场实际情况。

关键词：

深部采矿工程；双向四面可调加载；多功能试验装置；相似模拟；沿空留巷

深部采矿工程相似模拟试验装置是开展相似模拟试验的必要手段，目前国内外许多科研院校和学者进行了富有成效的研制、开发与应用[1-8]。

国内研制了很多相似模拟试验装置，尤其是三维相似模拟试验装置的研制已取得很大进展。

然而，目前大多数试验装置依然存在一些不足：

①现有的相似模拟试验装置尺寸大多集中在2m以内，尺寸相对较小，难以进行大型地质力学模型试验；②平面相似模拟试验装置多数只能顶部加载，少数可顶部和两侧加载，底部基本不能加载，地应力模拟不准确，试验结果难以令人信服；③平面相似模拟试验装置的强度和刚度低，加压载荷不大，难以实现深部高地应力及超载破坏模拟试验；④三维相似模拟试验装置优点很多，但造价昂贵，试验装置结构复杂，试验过程繁琐；⑤模型进深大，很难实现人工分层开挖，尤其是硐室和煤矿采场开挖过程的三维模拟试验难度太大，大多模拟试验装置仅考虑模型各面均匀加载，难以模拟深部地应力的非均匀分布状况。

基于此，研制出一种结构简单、操作方便、强度高、刚度大、整体稳定性好、双向四面可调非均匀加载的深部采矿工程多功能相似模拟试验装置，弥补了现有试验装置的一些缺点和不足。

该试验装置的研制为深部采矿工程相似模拟试验研究提供了更为精确的手段，可为巷道、硐室及煤矿采场等深部采矿工程问题的深入研究提供重要支撑。

1试验装置

深部采矿工程多功能相似模拟试验装置示意图如图1。

装置主要包括：

模型加载反力框架、模型加载装置及智能液压控制系统。

pagenumber_ebook=133，pagenumber_book=127

图1相似模拟试验装置设计示意图

1）模型加载反力框架。

模型加载反力框架主要由主框架、前后挡板及纵控梁组成。

其中主框架横梁和立柱采用高强合金钢焊接而成，相邻梁柱之间采用高强销轴铰接和紧固，并在销轴铰接部位附着钢板进行局部加强。

前后挡板采用20号槽钢叠加而成，并采用高强螺栓固定在框架立柱上，每根槽钢可单独装卸。

在前后挡板外侧各设置2根纵控梁，纵控梁由20号槽钢加工而成，为保证刚度满足挠度变形要求，对槽钢凹槽进行栅格式加筋肋处理。

此外，为方便对巷道围岩破裂发展过程的观察和模型体开挖，在前后挡板分别设有透明观察窗口和开挖窗口。

2）模型加载装置。

模型加载装置共设计了22个加载单元，每个加载单元通过焊接嵌固在模型主框架上来实现对模型四面主动加载。

22个加载单元被分成4组，其中顶底部各6个，两侧各5个，各组加载单元分别并联在本组油路管道上。

4组油路分别由智能液压控制系统独立控制，系统不仅可对模型各面施加均布载荷，还可对模型四面进行独立、同步不等压加载、稳压和卸载。

每个加载单元由1个加载油缸和1个长方形加载板组成。

油缸直径为100mm，顶部油缸活塞行程为200mm，其余均为100mm。

加载板厚度为30mm，同组加载板之间预留5mm缝隙。

显然，加载装置对模型表面不均匀变形适应性强，可在模型内产生大范围的均匀应力场，大大提高了模型加载水平。

3）智能液压控制系统。

智能液压控制系统主要由加载控制面板、电机、油箱、溢流阀、叠加液控单向阀、储能器、单向阀、数字压力传感器和高压油管等部件组成。

为实现双向四面可调加载，智能液压控制系统将22个加载单元分成4组，即顶底和两侧，分别由4对独立分布的油路通道进行自动加载、稳压和卸载。

4）柔性加载装置及减摩措施。

为真实模拟应力边界条件，本试验装置在模型四周与加载板之间敷设厚度为50mm的柔性橡胶垫，有效地对模型边界实施柔性加载，减小边界效应的影响，提高了试验结果的准确性。

此外，在模型表面与前后挡板之间分别铺设3层厚度为1.5mm的聚四氟乙烯薄板，薄板之间均匀涂刷优质润滑油，可使摩擦系数降至0.04～0.05[5-9]。

5）主要技术参数。

①模型框架外部尺寸：

3.67m×3.02m×0.7m；②模型有效尺寸：

3m×2m×0.3m；③泵站额定压力28MPa；④油缸和活塞直径分别为100mm和60mm；⑤活塞行程：

顶部200mm、底部和两侧100mm；⑥电机功率：

4kW；⑦系统加载精度±0.1MPa；⑧系统稳压时间≥10d。

2试验装置受力分析与计算

2.1模型载荷

根据相似理论，通常要求几何相似、边界条件相似和主要物理参数相似。

一般来说，模型几何相似比越大越能反映原型实际情况，但受试验装置限制，模型不能太大。

根据以往相关研究[3，9-11]，几何相似比CL一般在20～300中选取，通常模拟采场、露天边坡时取CL=50～300，模拟地下硐室、隧（巷）道时取CL=20～50。

相似材料密度相似比一般取Cρ=1.43～1.67。

模型顶部加载值近似等于未能模拟的那部分覆岩的质量，原型实际加载值应为：

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式中：

qp为原型未模拟岩层压力，Pa；ρp为上覆岩层的平均密度，kg/m3；H为硐室埋深，m；h为洞室上覆岩层模拟厚度，m。

模型上的加载值应为：

pagenumber_ebook=133，pagenumber_book=127

式中：

qm为模型上部补偿载荷，Pa；CL、Cρ为模型几何相似比和密度相似比。

若模拟最大埋深H为1000m，上覆岩层的平均密度取2.6×103kg/m3，模型硐室上覆岩层模拟厚度为1m，按最大补偿载荷计算，几何相似比和密度相似比分别取20和1.43，由式

（2）可求得模型上部补偿载荷为0.91MPa。

模型顶部横截面积s为0.9m2（0.3m×3m），模型上部均匀布置6个油缸，则每个油缸的载荷应为136.5kN。

2.2油缸行程选择

因地下隧（巷）道、硐室在模型试验中基本都采取了支护措施，模拟加载时，模型变形量较小，对油缸活塞行程要求不高，但模拟煤矿采场时，顶部油缸活塞行程必须满足不小于引起上覆岩层的下沉量。

目前，我国综采一次最大采高为7m[12]，放顶煤开采一次采放总高一般为8～10m[2]。

按采高10m计算，上覆岩层垮落后的碎胀系数平均取1.2，几何相似比取50时，顶部油缸的行程为：

3应用实例

为验证所研制装置的可靠性，依托国家自然科学基金面上资助项目（51274010），以淮南顾桥矿1115

（1）工作面沿空留巷这一复杂采矿活动为研究背景，对深井大断面沿空留巷过程进行相似模拟试验。

主要介绍如何利用试验装置实现沿空留巷过程相似模拟试验以及部分试验结果。

3.1沿空留巷过程相似模拟试验的实现

试验具体设计方案如图2。

在巷道设计位置对模型进行开挖模拟现场巷道掘进，并放置模型至巷道稳定（监测仪器示数稳定），来模拟巷道掘进影响稳定期。

待巷道稳定后，开挖工作面1（模型边界各留40cm煤柱）模拟一次采动影响期工作面超前支承压力对回采巷道影响。

回采工作面超前支承压力与掘进期间应力在巷道底板叠加，应力集中系数及影响范围增大，使得巷道底板破坏深度增加。

显然，巷道右侧底板应力状态与现场一致，左侧则是超前支承压力范围与巷道侧向压力的叠加，与现场实际略有不同。

工作面1回采完毕后，立即放置充填体，并放置模型至留巷稳定，模拟沿空留巷及一次采动留巷稳定期。

现场留巷后，受一次采动基本顶回转下沉影响，留巷围岩变形剧烈。

模拟中，充填体放置后，其上方顶板随着裂隙产生、发育、扩展、贯通，应力再平衡，基本顶也发生回转下沉，故这一过程能够比较真实模拟沿空留巷该时期的围岩变形特征。

待一次采动留巷稳定（监测仪器示数稳定）后，开挖工作面2，模拟二次采动影响期工作面超前支承压力对沿空留巷影响。

工作面超前支承压力与留巷稳定后底板应力叠加，巷道左侧底板应力状态与现场一致，右侧底板应力场与现场实际略有不同。

从对上述模拟过程各阶段分析来看，利用本试验装置和所设计试验方案可以较好的实现沿空留巷掘进、一次采动、留巷和二次采动相似模拟试验，试验方案设计合理，试验结果具有一定可信度。

3.2部分试验结果分析

在试验过程中，使用高精度数字照相机对巷道围岩位移进行监测，试验模拟及现场实测顶板下沉量如图3，试验模拟及现场实测底鼓量如图4。

图中：

现场实测横坐标正值为工作面前方巷道变形量，负值为不同留巷距离的变形量，且没有对二次采动期间底鼓量进行现场实测；试验模拟横坐标正值代表一次采动期间变形量，“0”处为留巷稳定时的变形量，负值代表二次采动期间变形量。

从图3可以看出，掘进期间顶板下沉量较小，巷道受超前支承压力影响下顶板下沉实测和模型试验数据趋势相同。

现场实测的一次采动期间顶板最大下沉量为191.86mm，模型试验中最大顶板下沉量为230mm。

在现场实测中，工作面后方120m左右留巷稳定，顶板下沉量不再增加，达到364.1mm，由于试验装置等一些条件的限制，本模型试验无法模拟留巷后不同阶段的顶板下沉量，等到基本顶运动稳定之后（留巷稳定），测得的最大顶板下沉量为270mm。

从试验下沉量曲线还可以看出，留巷稳定之后，随着第2个工作面的开挖，顶板持续变形，达到最后的430mm。

从图4可以看出，在工作面前方最大底鼓量为50mm，留巷后最大底鼓量在380mm，在本试验中，在掘进稳定期底鼓量为50mm，一次采动结束后最大底鼓量为180mm，留巷后最大底鼓量225mm。

由于现场没有对二次采动期间的底鼓量进行实测，但与现场已测底鼓量对比来看，试验模拟底鼓量基本与现场实测底鼓量相吻合。

综上可知：

试验装置能很好的实现沿空留巷过程相似模拟试验，试验结果与现场实际基本吻合，可以较为准确的反映现场实际情况。

此外，试验中未出现油缸炸裂、螺杆断裂等强度问题，且加载装置稳压效果良好，压力波动始终小于5%。

4结语

研制了深部采矿工程多功能相似模拟试验装置，试验装置强度高、加载能力大、整体稳定性好，可进行深部高应力相似模拟试验。

模拟试验装置采用了智能加载系统和均布加载装置，并能同时对模型四面进行非均匀加载，且能在岩层移动后长时间稳压和保压，有利于模拟各类复杂条件下的深部采矿工程问题。