COMSOL在礦井通風(fēng)與安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

管偉明　陳輝

摘要：為了提高“通風(fēng)安全學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，對(duì)其特點(diǎn)和局限性進(jìn)行了分析，結(jié)合新疆大學(xué)采礦工程專業(yè)實(shí)際教學(xué)工作，提出了通風(fēng)安全學(xué)的數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)方法，并通過(guò)COMSOL數(shù)值分析軟件對(duì)斷面風(fēng)速分布、掘進(jìn)通風(fēng)效果對(duì)比、工作面瓦斯運(yùn)移規(guī)律和高寒地區(qū)礦井加熱四個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值仿真的實(shí)踐教學(xué)嘗試。實(shí)踐證明：多場(chǎng)耦合數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)方法適應(yīng)本課程多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，并能克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不易重復(fù)、可視化效果差、不易操作的局限性，對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、鞏固專業(yè)知識(shí)、培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力，提升高校通風(fēng)安全學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)安全學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；多場(chǎng)耦合；教學(xué)方法；COMSOL

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）12-0250-03

《通風(fēng)安全學(xué)》是系統(tǒng)闡述礦井通風(fēng)與安全的基礎(chǔ)理論和技術(shù)，并分析討論了煤礦災(zāi)害發(fā)生原因及防治措施的課程[1]，具有多學(xué)科交叉、理論性和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，是采礦工程和安全工程的必修主干課程。學(xué)生深刻理解災(zāi)害發(fā)生的原因和治理措施的原理對(duì)其未來(lái)從事井下工作具有重要意義。數(shù)值仿真技術(shù)是科研的有力助手，也是傳遞科研成果到傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)中的有效媒介，可為傳統(tǒng)課程注入新的活力，還可提高教學(xué)質(zhì)量和效果，對(duì)擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)視野、激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、培養(yǎng)創(chuàng)新能力具有良好效果[2]。

近5年在援疆計(jì)劃的支持下，大量先進(jìn)的教學(xué)手段不斷引入到新疆大學(xué)的教學(xué)活動(dòng)中。本文結(jié)合新疆大學(xué)《通風(fēng)安全學(xué)》的實(shí)際教學(xué)，將數(shù)值仿真技術(shù)融于通風(fēng)安全學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，利用COMSOL軟件改善了斷面風(fēng)速分布實(shí)驗(yàn)，新開(kāi)發(fā)了具有遞進(jìn)層次和地方特色的實(shí)驗(yàn)：掘進(jìn)通風(fēng)效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)、工作面瓦斯運(yùn)移規(guī)律和高寒地區(qū)礦井加熱實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)的主動(dòng)性、創(chuàng)造性大為增加，加深了學(xué)生對(duì)礦井安全知識(shí)的理解。

一、通風(fēng)安全學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性

現(xiàn)有的通風(fēng)安全學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)施和內(nèi)容設(shè)置上還存在一些問(wèn)題，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、加深知識(shí)理解、培養(yǎng)創(chuàng)新能力方面也存在一些局限性，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

1.實(shí)驗(yàn)次數(shù)少，現(xiàn)象不直觀。由于學(xué)生人數(shù)多，實(shí)驗(yàn)不能反復(fù)進(jìn)行，因此學(xué)生缺少了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象本質(zhì)的機(jī)會(huì)；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)物理參數(shù)的時(shí)空演化過(guò)程不能直觀展示[3]，不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，減弱了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.實(shí)驗(yàn)參數(shù)不可調(diào)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)考慮到成本和課時(shí)問(wèn)題，很少讓學(xué)生進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，工程問(wèn)題中結(jié)構(gòu)對(duì)物理參數(shù)和現(xiàn)象的影響也未能在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行對(duì)比，這使學(xué)生很難了解控制實(shí)驗(yàn)過(guò)程的關(guān)鍵因素，不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的全面理解。

3.實(shí)驗(yàn)缺乏設(shè)計(jì)性和啟發(fā)性。目前的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目非常固定，大多是模式化的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)生只需按教程操作即可，缺乏學(xué)生的思考過(guò)程，對(duì)學(xué)生沒(méi)有吸引力，造成最終的實(shí)驗(yàn)報(bào)告千篇一律，不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不完善?？紤]到安全問(wèn)題，通風(fēng)安全學(xué)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)大多是針對(duì)風(fēng)流理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏對(duì)礦井災(zāi)害（水、火、瓦斯、粉塵、頂板）至災(zāi)治災(zāi)原理的實(shí)驗(yàn)。風(fēng)流理論在礦井生產(chǎn)實(shí)習(xí)過(guò)程中尚可進(jìn)行工程觀察，而礦井災(zāi)害的至災(zāi)治災(zāi)原理則很難在實(shí)際中進(jìn)行學(xué)習(xí)，但同時(shí)它又是礦井安全生產(chǎn)中最為重要的工程問(wèn)題，因此，設(shè)計(jì)增添有效的至災(zāi)治災(zāi)原理實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生理解災(zāi)害發(fā)生原理和掌握防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)有根本性的指導(dǎo)作用。

數(shù)值實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性強(qiáng)、各物理量展示的圖形化效果好、參數(shù)和研究域結(jié)構(gòu)可靈活設(shè)置、能自由添加其他影響因素或輔助尋求最佳設(shè)計(jì)參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)[4，5]，可嘗試作為通風(fēng)安全學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的輔助手段。

二、數(shù)值實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改進(jìn)思路

針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的問(wèn)題提出了“2-4-3”實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改進(jìn)思路——兩個(gè)調(diào)整方向，四種遞進(jìn)實(shí)驗(yàn)，三個(gè)層次目標(biāo)。具體思路如圖1所示，在改善“現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)”和新增“缺失實(shí)驗(yàn)”的兩個(gè)方向上，從“改善可視化效果”、“新增可調(diào)參數(shù)功能”、“考慮結(jié)構(gòu)變化影響”、“突出綜合應(yīng)用”四個(gè)方面設(shè)計(jì)遞進(jìn)型實(shí)驗(yàn)，使得“促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性”、“加深知識(shí)理解”、“提高實(shí)踐創(chuàng)新能力”三個(gè)目標(biāo)能夠在深度和廣度上分層次實(shí)現(xiàn)。

教師在實(shí)驗(yàn)課程中只負(fù)責(zé)底層實(shí)驗(yàn)任務(wù)的設(shè)計(jì)和基本指導(dǎo)，并最終對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)評(píng)價(jià)，其他環(huán)節(jié)均由學(xué)生完成。新教學(xué)方法的實(shí)驗(yàn)層次豐富，學(xué)生可根據(jù)自己的能力和興趣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并提交自己的研究成果，避免了實(shí)驗(yàn)報(bào)告千篇一律的現(xiàn)象。

三、新教學(xué)方法在通風(fēng)安全學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

COMSOL是多場(chǎng)耦合數(shù)值分析軟件。該軟件具有三個(gè)突出特點(diǎn)：第一，通過(guò)參數(shù)或方程將多個(gè)物理場(chǎng)進(jìn)行耦合，且模塊化的物理場(chǎng)十分豐富，可實(shí)現(xiàn)快速調(diào)用組合；第二，其建模、編程、后處理完全圖形化，大部分操作均為鼠標(biāo)點(diǎn)選完成，相比其他軟件更易入門，模型功能更可清晰地顯示建模過(guò)程中的每一步，有助于理順建模思路；第三，具有豐富的后處理方式，可以根據(jù)需要在時(shí)空上截取任何計(jì)算數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)表單、曲線、平面、立體、動(dòng)畫等多種方式表達(dá)。因此，該軟件非常適合輔助本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)，且適應(yīng)通風(fēng)安全學(xué)多學(xué)科交叉的特點(diǎn)。

（一）斷面風(fēng)速分布實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)的斷面風(fēng)速分布實(shí)驗(yàn)是通過(guò)皮托管或風(fēng)表來(lái)測(cè)定斷面上各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓、風(fēng)速值，從而了解斷面風(fēng)速的不均勻性，學(xué)生無(wú)法觀察到風(fēng)流的分布狀態(tài)，只能通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)了解。為了能讓學(xué)生更加直觀地觀察風(fēng)速分布情況，使用COMSOL的層流模塊結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)參數(shù)來(lái)模擬巷道斷面的風(fēng)速分布。如圖2所示，可明顯看到中部風(fēng)速較大，邊界較小的分布特征。直觀的實(shí)驗(yàn)效果使學(xué)生對(duì)課程產(chǎn)生了興趣，促進(jìn)了知識(shí)的了解，提高了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力。

（二）掘進(jìn)通風(fēng)參數(shù)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程中沒(méi)有針對(duì)掘進(jìn)通風(fēng)效果的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，只有在課程設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)要求利用規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)參數(shù)中的有效射程對(duì)掘進(jìn)通風(fēng)效果的影響，并沒(méi)有相關(guān)實(shí)驗(yàn)予以證明，很多學(xué)生對(duì)此參數(shù)的設(shè)置都有疑問(wèn)。如圖3為壓入式局部通風(fēng)，圖3（a）為局扇出風(fēng)口與掘進(jìn)工作面的距離L在有效射程（Le=4～5■，s為斷面積，m2）內(nèi)的風(fēng)流流動(dòng)軌跡；學(xué)生通過(guò)修改距離參數(shù)L可進(jìn)一步得到不符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的風(fēng)流路線[6]，如圖3（b）在掘進(jìn)工作面端頭形成了明顯的渦流，無(wú)法排出瓦斯和煙塵。學(xué)生自主調(diào)整參數(shù)增強(qiáng)了對(duì)實(shí)驗(yàn)的控制感，增加了思考動(dòng)手過(guò)程，加深了對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的理解，提高了把握問(wèn)題關(guān)鍵因素的能力。

（三）工作面瓦斯運(yùn)移規(guī)律

礦井瓦斯是嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要自然因素之一[7]。了解瓦斯在不同工作面通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律極為重要，然而，傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)很難實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響，利用數(shù)值實(shí)驗(yàn)可以形象展示。圖4（a）為常見(jiàn)的后退式U型工作面通風(fēng)系統(tǒng)，數(shù)值實(shí)驗(yàn)清晰展示了采場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)流路線和瓦斯?jié)舛确植迹煽闯龉ぷ髅嫔嫌缃峭咚節(jié)舛绕?，采空區(qū)內(nèi)流線呈現(xiàn)明顯“三帶”分布與教材理論相符，學(xué)生可通過(guò)簡(jiǎn)單的修改得到后退式Z型工作面通風(fēng)系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛群土骶€分布。圖4（b）所示Z型工作面上隅角瓦斯?jié)舛容^小，但進(jìn)回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛容^大。

不同的巷道斷面積、風(fēng)速和通風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯的分布均有影響，學(xué)生通過(guò)繪制不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)可以得到其他諸多通風(fēng)方式下瓦斯的分布規(guī)律。參數(shù)、結(jié)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)調(diào)整增強(qiáng)了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的主導(dǎo)作用，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，促進(jìn)了學(xué)生解決工程問(wèn)題時(shí)系統(tǒng)思考的能力。

（四）高寒地區(qū)礦井空氣加熱

新疆大學(xué)采礦工程專業(yè)是新疆急需緊缺的專業(yè)，學(xué)生大多來(lái)自新疆本地[8]，為提高其學(xué)習(xí)興趣和畢業(yè)后的適用性，結(jié)合新疆屬于高寒地區(qū)的特點(diǎn)，為礦井空調(diào)章節(jié)設(shè)計(jì)了高寒地區(qū)礦井空氣加熱實(shí)驗(yàn)。如圖5（a）所示，以往的實(shí)驗(yàn)只能通過(guò)物理模型上的溫度傳感器獲得巷道不同測(cè)點(diǎn)處的溫度值，但無(wú)法了解風(fēng)速、地?zé)?、空氣濕度?duì)溫度場(chǎng)分布的影響，為更真實(shí)地反映礦井加熱風(fēng)流在礦井內(nèi)的傳熱過(guò)程，利用COMSOL的流體傳熱、固體傳熱、紊流三個(gè)模塊通過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)了熱—流耦合模型，并以學(xué)生實(shí)習(xí)礦井冬季加熱的工程參數(shù)為邊界進(jìn)行模擬得到如圖5（b）的實(shí)驗(yàn)效果與實(shí)驗(yàn)測(cè)值具有較好的吻合度[9]。2009級(jí)學(xué)生通過(guò)思考提出了熱管錨桿礦井空調(diào)裝置的思路，并進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，取得了專利授權(quán)[10]。以實(shí)際工程問(wèn)題為背景設(shè)計(jì)多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生融會(huì)貫通所學(xué)知識(shí)解決工程問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，體會(huì)科研的成就感。

四、體會(huì)與總結(jié)

隨著高性能計(jì)算設(shè)備的日益普及和商用數(shù)值軟件的快速發(fā)展，數(shù)值技術(shù)已可作為輔助教學(xué)手段引入高校通風(fēng)安全學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中。教學(xué)實(shí)踐證明：仿真技術(shù)可將教師的科研成果融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，還可為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供更為靈活的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，緩解學(xué)生基數(shù)大與實(shí)驗(yàn)條件有限的矛盾。通過(guò)設(shè)計(jì)具有遞進(jìn)層次的數(shù)值輔助實(shí)驗(yàn)，可逐步激發(fā)學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)的興趣，不斷強(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新性思維，提高解決問(wèn)題的實(shí)踐創(chuàng)新能力。但需要指出的是數(shù)值仿真只是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中重要的補(bǔ)充手段，它無(wú)法替代真實(shí)實(shí)物實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，因此，二者的相輔相成將成為提高實(shí)驗(yàn)課程效果的有效方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦波濤.“礦井通風(fēng)與安全”課程教學(xué)實(shí)踐與探討[J].防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，10（1）：86-88.

[2]李永梅，胡琨，孫國(guó)富.預(yù)應(yīng)力混凝土梁施工階段數(shù)值模擬[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，（03）：51-54.

[3]秦怡，鞏瓊，李根全，宋金瓃，呂林霞.基于Matlab的光學(xué)信息安全教學(xué)實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，（05）：134-136，163.

[4]王建祥，蘇枋，李雙喜，等.基于ANSYS的工程結(jié)構(gòu)仿真實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，（4）：67-70.

[5]田園，覃振權(quán)，惠煌.基于數(shù)值實(shí)驗(yàn)的信息論課程教學(xué)方法[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，（9）：173-176.

[6]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

[7]張國(guó)樞.通風(fēng)安全學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2000：182-183.

[8]張東升，劉洪林，管偉明，等.新疆大學(xué)采礦工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案構(gòu)建與特色[J].煤炭高等教育，2013，（5）：99-102.

[9]白天茵，管偉明，李虎威.利用熱管錨桿實(shí)現(xiàn)高寒地區(qū)礦井調(diào)溫的數(shù)值模擬分析[J].煤炭工程，2014，（3）：106-108.

[10]管偉明，張東升，劉洪林，等.熱管錨桿空調(diào)裝置：中國(guó)，CN202792330U[P].2013-03-13.