巷道開挖及支護工程力學分析虛擬仿真實驗是中國礦業大學（北京）建設的虛擬仿真實驗課程。
基本介紹
- 中文名：巷道開挖及支護工程力學分析虛擬仿真實驗
- 課程負責人：左建平
- 建設院校：中國礦業大學（北京）
- 授課教師：祝捷、李明耀、薛東傑、劉德軍
課程性質,教學目標,
課程性質
課程背景
巷道開挖及支護工程是具有礦業特色的力學教學素材，但是巷道開挖環境惡劣、危險性大、現場實驗教學困難、成本高。本實驗採用三維虛擬仿真技術，模擬煤礦工業廣場和井下巷道真實環境，構建了巷道開挖與支護力學虛擬實驗平台，實現了理論教學、實驗操作與工程背景的有機結合。學生通過沉浸式和互動式實驗操作，形成個性化實驗方案，獨立進行拉、壓、剪、扭、彎力學分析，提升了利用力學知識分析和解決複雜工程問題的綜合能力。
教學目標
1、了解和掌握礦山巷道工程背景和地應力計算方法
採用虛擬仿真技術，將典型地下工程概況和地層岩性特徵等工程地質條件引入本實驗項目。在副井罐籠進入井下的過程中，再現地層和岩性的分布特徵，實時顯示地應力狀態隨深度的變化規律，使學生直觀了解工程背景，為後續開展虛擬實驗奠定基礎；同時將不同深度、不同岩層的地應力計算方法引入到虛擬仿真實驗中，使學生掌握地應力計算方法，讓學生對巷道建模的力學邊界條件建立直觀的認識。
2、理解和掌握巷道開挖的力學建模過程和應力分析方法
本實驗將巷道開挖工程可視化，歸納和總結巷道截面形狀、巷道破壞模式、巷道變形規律等特徵，並與工程力學課程群以及彈性力學、塑性力學課程中的力學知識點有機結合，從複雜的巷道破壞現象中提煉力學問題，通過虛擬現實的方式引導學生掌握在虛擬環境中將巷道工程問題抽象為力學模型的建模原理、建模方法和建模過程。依據岩石應力計算公式，給出實驗結果，讓學生掌握不同形狀巷道的應力分析方法。
3、掌握開挖後巷道圍岩彈塑性區特徵和應力重分布規律
通過虛擬仿真實驗系統，學生自主選擇巷道截面和幾何參數，依據岩石彈塑性力學理論計算公式，實驗得到不同參數下的破碎區、彈性區和塑性區，以及圍岩應力變化規律，並實時動態顯示，學生掌握不同形狀、不同尺寸巷道開挖過程中圍岩的彈塑性區演變和應力重布規律，為後期的支護設計提供力學分析數據。
4、掌握巷道變形破壞的力學回響和岩梁彎曲力學分析
本實驗通過3D動畫再現巷道大變形和頂板冒落等典型災害，圖片顯示現場巷道頂板、兩幫、底板典型破壞特徵，使學生直觀感受和學習不同地應力條件下巷道圍岩變形模式，給出巷道圍岩彈塑性區分布、應力重分布、巷道變形規律和巷道破壞特徵等力學回響實驗結果。學生自主設計和選擇巷道頂板岩梁的跨度、高度、寬度等幾何參數和彈性模量、抗拉強度等力學參數，依據材料力學梁的彎曲理論，實驗得到岩梁的最大工作應力，通過強度校核和彎曲變形計算，掌握岩梁變形破壞的力學分析方法。
5、掌握巷道支護錨桿的拉壓剪扭力學分析和計算原理
錨桿是最常用的巷道支護材料，在安裝和工作狀態下會發生扭轉、拉伸和剪下變形，可作為材料力學課程軸向拉伸/壓縮、剪下和扭轉的礦業特色教學素材。將錨桿工作狀態抽象為材料力學虛擬仿真實驗案例，學生自主設計和選擇錨桿間距、排距、直徑、岩層內摩擦角、粘聚力、巷道寬度、高度等參數，依據材料力學軸向拉伸/壓縮、剪下和扭轉的相關計算方法，實驗得到錨桿的最大工作應力，通過強度校核，掌握錨桿的力學分析和設計計算原理。
6、提高利用力學知識解決複雜地下工程問題的能力
本實驗部署了實驗工程背景、巷道力學建模、開挖力學回響、支護力學分析和綜合實驗報告5大模組，設計了學習地應力變化規律、選擇巷道截面形狀、設計岩梁力學參數、校核錨桿強度等13個互動步，以及3個階段性考核和1個實驗報告。本實驗對學生的實驗結果進行記錄，根據學生的操作、設計方案和實驗結果等，綜合評價學生對錨桿拉伸、剪下和扭轉的強度校核，岩梁彎曲的強度和剛度分析以及圍岩穩定性判斷的掌握程度。學生根據實驗報告得分情況，反思自己的學習過程，查漏補缺，有針對性地對整個實驗過程進行後續深化學習。本實驗將複雜的工程難題轉變成經典力學問題，實現了可視、可調、可重複實驗操作，極大的調動了學生的學習興趣，培養了學生解決複雜工程力學問題的能力，提升了學生的創新意識。
