COMSOL在矿井通风与安全实验教学中的应用
摘要：为了提高“通风安全学”实验教学的质量，对其特点和局限性进行了分析，结合新疆大学采矿工程专业实际教学工作，提出了通风安全学的数值仿真实验方法，并通过COMSOL数值分析软件对断面风速分布、掘进通风效果对比、工作面瓦斯运移规律和高寒地区矿井加热四个实验进行了数值仿真的实践教学尝试。实践证明：多场耦合数值仿真实验方法适应本课程多学科交叉的特点，并能克服传统实验不易重复、可视化效果差、不易操作的局限性，对激发学生学习积极性、巩固专业知识、培养实践创新能力，提升高校通风安全学实验教学质量具有重要意义。
关键词：通风安全学；实验教学；多场耦合；教学方法；COMSOL
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）12-0250-03
《通风安全学》是系统阐述矿井通风与安全的基础理论和技术，并分析讨论了煤矿灾害发生原因及防治措施的课程[1]，具有多学科交叉、理论性和实践性强的特点，是采矿工程和安全工程的必修主干课程。学生深刻理解灾害发生的原因和治理措施的原理对其未来从事井下工作具有重要意义。数值仿真技术是科研的有力助手，也是传递科研成果到传统教学活动中的有效媒介，可为传统课程注入新的活力，还可提高教学质量和效果，对扩展学生的知识视野、激发学习热情、培养创新能力具有良好效果[2]。
近5年在援疆计划的支持下，大量先进的教学手段不断引入到新疆大学的教学活动中。本文结合新疆大学《通风安全学》的实际教学，将数值仿真技术融于通风安全学实验教学活动中，利用COMSOL软件改善了断面风速分布实验，新开发了具有递进层次和地方特色的实验：掘进通风效果对比实验、工作面瓦斯运移规律和高寒地区矿井加热实验，使学生参与教学活动的主动性、创造性大为增加，加深了学生对矿井安全知识的理解。
一、通风安全学实验教学的局限性
现有的通风安全学实验教学在实施和内容设置上还存在一些问题，在提高学生学习积极性、加深知识理解、培养创新能力方面也存在一些局限性，主要表现在以下几点。
1.实验次数少，现象不直观。由于学生人数多，实验不能反复进行，因此学生缺少了解实验现象本质的机会；传统实验对物理参数的时空演化过程不能直观展示[3]，不利于学生对知识的理解，减弱了学生的学习积极性。
2.实验参数不可调。传统的实验考虑到成本和课时问题，很少让学生进行不同实验参数的对比实验，工程问题中结构对物理参数和现象的影响也未能在实验中进行对比，这使学生很难了解控制实验过程的关键因素，不利于学生对知识的全面理解。
3.实验缺乏设计性和启发性。目前的实验项目非常固定，大多是模式化的实验过程，学生只需按教程操作即可，缺乏学生的思考过程，对学生没有吸引力，造成最终的实验报告千篇一律，不利于创新能力的培养。
4.实验项目不完善。考虑到安全问题，通风安全学现有的实验大多是针对风流理论进行设计，缺乏对矿井灾害（水、火、瓦斯、粉尘、顶板）至灾治灾原理的实验。风流理论在矿井生产实习过程中尚可进行工程观察，而矿井灾害的至灾治灾原理则很难在实际中进行学习，但同时它又是矿井安全生产中最为重要的工程问题，因此，设计增添有效的至灾治灾原理实验，对学生理解灾害发生原理和掌握防灾减灾技术有根本性的指导作用。
数值实验具有可重复性强、各物理量展示的图形化效果好、参数和研究域结构可灵活设置、能自由添加其他影响因素或辅助寻求最佳设计参数等优点[4，5]，可尝试作为通风安全学实验课程的辅助手段。
二、数值实验教学方法的改进思路
针对传统方法存在的问题提出了“2-4-3”实验教学方法改进思路——两个调整方向，四种递进实验，三个层次目标。具体思路如图1所示，在改善“现有实验”和新增“缺失实验”的两个方向上，从“改善可视化效果”、“新增可调参数功能”、“考虑结构变化影响”、“突出综合应用”四个方面设计递进型实验，使得“促进学生学习积极性”、“加深知识理解”、“提高实践创新能力”三个目标能够在深度和广度上分层次实现。
教师在实验课程中只负责底层实验任务的设计和基本指导，并最终对实验结果进行总结评价，其他环节均由学生完成。新教学方法的实验层次丰富，学生可根据自己的能力和兴趣进行实验并提交自己的研究成果，避免了实验报告千篇一律的现象。
三、新教学方法在通风安全学实验教学中的应用
COMSOL是多场耦合数值分析软件。该软件具有三个突出特点：第一，通过参数或方程将多个物理场进行耦合，且模块化的物理场十分丰富，可实现快速调用组合；第二，其建模、编程、后处理完全图形化，大部分操作均为鼠标点选完成，相比其他软件更易入门，模型功能更可清晰地显示建模过程中的每一步，有助于理顺建模思路；第三，具有丰富的后处理方式，可以根据需要在时空上截取任何计算数据，并通过数据表单、曲线、平面、立体、动画等多种方式表达。因此，该软件非常适合辅助本科生实验教学，且适应通风安全学多学科交叉的特点。
（一）断面风速分布实验
传统的断面风速分布实验是通过皮托管或风表来测定断面上各测点风压、风速值，从而了解断面风速的不均匀性，学生无法观察到风流的分布状态，只能通过数据来了解。为了能让学生更加直观地观察风速分布情况，使用COMSOL的层流模块结合物理实验参数来模拟巷道断面的风速分布。如图2所示，可明显看到中部风速较大，边界较小的分布特征。直观的实验效果使学生对课程产生了兴趣，促进了知识的了解，提高了发现问题的能力。
（二）掘进通风参数的设计
传统实验课程中没有针对掘进通风效果的对比实验，只有在课程设计时会要求利用规范进行设计，但设计参数中的有效射程对掘进通风效果的影响，并没有相关实验予以证明，很多学生对此参数的设置都有疑问。如图3为压入式局部通风，图3（a）为局扇出风口与掘进工作面的距离L在有效射程（Le=4～5■，s为断面积，m2）内的风流流动轨迹；学生通过修改距离参数L可进一步得到不符合《煤矿安全规程》规定的风流路线[6]，如图3（b）在掘进工作面端头形成了明显的涡流，无法排出瓦斯和烟尘。学生自主调整参数增强了对实验的控制感，增加了思考动手过程，加深了对实验参数的理解，提高了把握问题关键因素的能力。
（三）工作面瓦斯运移规律
矿井瓦斯是严重威胁煤矿安全生产的主要自然因素之一[7]。了解瓦斯在不同工作面通风系统内的运移规律极为重要，然而，传统实物实验很难实现结构的变化对实验现象的影响，利用数值实验可以形象展示。图4（a）为常见的后退式U型工作面通风系统，数值实验清晰展示了采场内的风流路线和瓦斯浓度分布，可看出工作面上隅角瓦斯浓度偏大，采空区内流线呈现明显“三带”分布与教材理论相符，学生可通过简单的修改得到后退式Z型工作面通风系统的瓦斯浓度和流线分布。图4（b）所示Z型工作面上隅角瓦斯浓度较小，但进回风巷瓦斯浓度较大。
不同的巷道断面积、风速和通风结构对瓦斯的分布均有影响，学生通过绘制不同通风结构可以得到其他诸多通风方式下瓦斯的分布规律。参数、结构的联动调整增强了学生在实验过程中的主导作用，强化了学生对知识的掌握程度，促进了学生解决工程问题时系统思考的能力。
（四）高寒地区矿井空气加热
新疆大学采矿工程专业是新疆急需紧缺的专业，学生大多来自新疆本地[8]，为提高其学习兴趣和毕业后的适用性，结合新疆属于高寒地区的特点，为矿井空调章节设计了高寒地区矿井空气加热实验。如图5（a）所示，以往的实验只能通过物理模型上的温度传感器获得巷道不同测点处的温度值，但无法了解风速、地热、空气湿度对温度场分布的影响，为更真实地反映矿井加热风流在矿井内的传热过程，利用COMSOL的流体传热、固体传热、紊流三个模块通过适当简化设计了热—流耦合模型，并以学生实习矿井冬季加热的工程参数为边界进行模拟得到如图5（b）的实验效果与实验测值具有较好的吻合度[9]。2009级学生通过思考提出了热管锚杆矿井空调装置的思路，并进行了模拟实验，取得了专利授权[10]。以实际工程问题为背景设计多场耦合实验，让学生融会贯通所学知识解决工程问题，激发学生创新思维，体会科研的成就感。
四、体会与总结
随着高性能计算设备的日益普及和商用数值软件的快速发展，数值技术已可作为辅助教学手段引入高校通风安全学实验教学活动中。教学实践证明：仿真技术可将教师的科研成果融入到实验教学中，有效提高实验教学质量，还可为实验教学提供更为灵活的实验平台，缓解学生基数大与实验条件有限的矛盾。通过设计具有递进层次的数值辅助实验，可逐步激发学生参与教学活动的兴趣，不断强化学生对知识的理解和掌握，充分发挥学生的创新性思维，提高解决问题的实践创新能力。但需要指出的是数值仿真只是实验教学中重要的补充手段，它无法替代真实实物实验和现场测试，因此，二者的相辅相成将成为提高实验课程效果的有效方法。
参考文献：
[1]秦波涛.“矿井通风与安全”课程教学实践与探讨[J].防灾科技学院学报，2008，10（1）：86-88.
[2]李永梅，胡琨，孙国富.预应力混凝土梁施工阶段数值模拟[J].实验室研究与探索，2013，（03）：51-54.
[3]秦怡，巩琼，李根全，宋金瓃，吕林霞.基于Matlab的光学信息安全教学实践[J].实验室研究与探索，2013，（05）：134-136，163.
[4]王建祥，苏枋，李双喜，等.基于ANSYS的工程结构仿真实验研究[J].实验技术与管理，2010，（4）：67-70.
[5]田园，覃振权，惠煌.基于数值实验的信息论课程教学方法[J].实验技术与管理，2013，（9）：173-176.
[6]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2011.
[7]张国枢.通风安全学[M].徐州：中国矿业大学，2000：182-183.
[8]张东升，刘洪林，管伟明，等.新疆大学采矿工程专业人才培养方案构建与特色[J].煤炭高等教育，2013，（5）：99-102.
[9]白天茵，管伟明，李虎威.利用热管锚杆实现高寒地区矿井调温的数值模拟分析[J].煤炭工程，2014，（3）：106-108.
[10]管伟明，张东升，刘洪林，等.热管锚杆空调装置：中国，CN202792330U[P].2013-03-13.
