采礦工程巖石力學(xué)試驗教學(xué)改革研究

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摘要:傳統(tǒng)巖石力學(xué)試驗教學(xué)環(huán)節(jié)存在諸多弊端，如全是單一的驗證性試驗，沒有引入計算機模擬技術(shù)，沒有考慮學(xué)生的差異性等等。通過對巖石力學(xué)試驗項目進行優(yōu)化組合，引入差異性教學(xué)法，實現(xiàn)面向采礦工程專業(yè)的巖石力學(xué)試驗教學(xué)改革。將巖石力學(xué)試驗教學(xué)分為三個模塊:模塊1為巖石力學(xué)參數(shù)試驗，包括單軸抗壓強度試驗、巴西劈裂試驗、剪切強度試驗、點載荷試驗4個試驗;模塊2為創(chuàng)新試驗，包括單軸壓縮條件下多裂隙試件的變形破壞試驗和鋸齒狀粗糙結(jié)構(gòu)面的剪切試驗;模塊3為巖石力學(xué)的數(shù)值模擬演示，主要演示圓盤形試件的巴西劈裂法。積極引導(dǎo)學(xué)生完成基本試驗(模塊1)，支持學(xué)有余力的學(xué)生開展創(chuàng)新性試驗(模塊2)，通過模塊3來提高學(xué)生的巖石力學(xué)分析能力。

關(guān)鍵詞:采礦工程;巖石力學(xué);試驗教學(xué);創(chuàng)新試驗

巖石力學(xué)是研究巖石力學(xué)性能的理論和應(yīng)用的科學(xué)，是為采礦工程、地質(zhì)工程以及水文工程等專業(yè)開設(shè)的專業(yè)課。通過本課程的學(xué)習(xí)使采礦工程本科生掌握有關(guān)巖石、巖體的基本力學(xué)性質(zhì)，能應(yīng)用巖石、結(jié)構(gòu)面等強度理論對巖體穩(wěn)定性進行評價。了解巖體的力學(xué)特性，巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)及其規(guī)律，在此基礎(chǔ)上熟練掌握巖體力學(xué)在采礦工程、地下硐室工程中的應(yīng)用，培養(yǎng)專業(yè)技能扎實與綜合素質(zhì)過硬的創(chuàng)新型人才。隨著現(xiàn)代采礦工程規(guī)模和開采強度的不斷增大，在巷道建設(shè)、資源開采過程中面臨的巖石力學(xué)問題是相當(dāng)復(fù)雜的，如何利用巖石力學(xué)的知識分析采礦工程面臨的技術(shù)難點，從力學(xué)層面獲取合理的開采方案、巷道布置方位是目前礦山巖石力學(xué)服務(wù)于采礦工程的重要途徑?，F(xiàn)代巖石力學(xué)的新理論、新方法、新技術(shù)層出不窮，如何在有限的學(xué)時里，既重視學(xué)生的智能培養(yǎng)，又開拓學(xué)生的知識面，使學(xué)生在未來的工作中發(fā)揮更大的潛力，這就需要對采礦工程專業(yè)的巖石力學(xué)教學(xué)內(nèi)容和實踐環(huán)節(jié)進行整體優(yōu)化。巖石力學(xué)是一門理論性與實踐性都很強的學(xué)科，常以試驗為依據(jù)，巖石力學(xué)的試驗教學(xué)使學(xué)生更好地了解巖石(體)的強度和變形特性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文旨在探討面向采礦工程專業(yè)的巖石力學(xué)試驗教學(xué)改革，對巖石力學(xué)試驗項目進行優(yōu)化組合，引入差異性教學(xué)法，構(gòu)建面向采礦工程專業(yè)的巖石力學(xué)試驗教學(xué)的三個模塊。

1傳統(tǒng)的巖石力學(xué)試驗教學(xué)

在教學(xué)內(nèi)容上，目前采礦工程專業(yè)的巖石力學(xué)試驗教學(xué)環(huán)節(jié)包括5個試驗:單軸抗壓強度試驗、巴西劈裂試驗、剪切強度試驗、點載荷和剛性試驗機演示。前4個試驗是巖石力學(xué)經(jīng)典試驗，旨在獲得巖石的抗壓、抗拉、抗剪強度，屬于驗證性試驗，其試驗結(jié)論都是大家所熟知的;剛性試驗機演示試驗是教師在巖石剛性試驗機上操作演示，以獲得巖石的全應(yīng)力—應(yīng)變曲線。這5個巖石力學(xué)試驗不但進一步增強了學(xué)生理解巖石的破壞方式、強度特性和巖石的拉壓比等重要的知識點，而且使學(xué)生學(xué)會了試驗數(shù)據(jù)的回歸擬合方法。如不少學(xué)生對如何獲取巖石抗剪強度兩個參數(shù)的問題百思不得其解，因為教材沒有集中討論如何通過巖石力學(xué)試驗獲取巖石抗剪強度參數(shù)［1－2］。在巖石力學(xué)試驗教學(xué)環(huán)節(jié)的單軸抗壓強度試驗、巴西劈裂試驗，可得到兩個Mohr應(yīng)力圓，用數(shù)學(xué)方法做出兩個Mohr應(yīng)力圓的公切線，即為巖石的強度線，其強度線與縱坐標的截距為巖石內(nèi)聚力c，強度線與σ軸的夾角為巖石內(nèi)摩擦角φ。通過試驗教學(xué)，大學(xué)生直觀地掌握了巖石力學(xué)中最重要的兩個參數(shù)。通過剪切強度試驗，獲得不同法向應(yīng)力下的巖石的剪切強度，對其試驗數(shù)據(jù)進行最小二乘法擬合從而得到巖石抗剪強度參數(shù)。這些試驗都是經(jīng)典的基礎(chǔ)巖石力學(xué)試驗，但是試驗內(nèi)容比較單調(diào)，試驗方法過于簡單，教科書詳細介紹了其試驗現(xiàn)象和結(jié)論，是驗證性試驗，很難發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在教學(xué)方法上，傳統(tǒng)的巖石力學(xué)試驗教學(xué)大多采用先集中講授巖石力學(xué)試驗程序、數(shù)據(jù)處理和模型回歸方法，在巖石力學(xué)試驗室，教師首先演示試驗操作過程，然后學(xué)生分小組進行巖石力學(xué)試驗。這種教學(xué)方法目的明確，而且條理清楚，學(xué)生便于接受。但這種方法往往導(dǎo)致教師講得多、學(xué)生做得少，進行巖石力學(xué)試驗時，學(xué)生按教師講授的試驗步驟亦步亦趨地進行，觀察到的巖石破裂過程、強度特性與教材表達具有一致性，學(xué)生無法直觀地理解巖石和巖體力學(xué)特性的復(fù)雜性，也很難培養(yǎng)他們的試驗創(chuàng)新能力。另外，目前大部分礦業(yè)高校先進的巖石力學(xué)試驗設(shè)備只對研究生開放，如巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)MTS815和巖石剪切流變儀RYL－600，本科生的巖石力學(xué)試驗教學(xué)使用的設(shè)備陳舊，其精確度和可操作性都遠遠落后于先進的巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)。這一方面是保護先進的巖石力學(xué)設(shè)備不受損害，但另一方面無法讓本科生領(lǐng)會到巖石力學(xué)試驗的博大與精深，從而無法更大程度上激發(fā)大學(xué)生學(xué)習(xí)巖石力學(xué)的熱情。

2巖石力學(xué)試驗教學(xué)的改革

傳統(tǒng)巖石力學(xué)試驗教學(xué)環(huán)節(jié)存在諸多弊端，如全是單一的驗證性試驗，沒有引入計算機模擬技術(shù)，沒有考慮學(xué)生的差異性等等。筆者對采礦工程專業(yè)的巖石力學(xué)試驗教學(xué)環(huán)節(jié)進行了精細調(diào)整，并在近幾屆本科生中實施，調(diào)整后的巖石力學(xué)試驗教學(xué)環(huán)節(jié)很受歡迎。面向采礦工程專業(yè)的巖石力學(xué)試驗教學(xué)改革方案如下:巖石力學(xué)試驗教學(xué)分為3個模塊。模塊1為巖石力學(xué)參數(shù)試驗(驗證性試驗)，教學(xué)課時為4學(xué)時，包括單軸抗壓強度試驗、巴西劈裂試驗、剪切強度試驗、點載荷試驗;模塊2為創(chuàng)新試驗，教學(xué)課時為2學(xué)時，創(chuàng)新試驗期間，巖石試驗室對學(xué)生實行開放，鼓勵有余力的同學(xué)分組設(shè)計試驗;模塊3為巖石力學(xué)的數(shù)值模擬演示，教學(xué)課時為2學(xué)時。改革后的巖石力學(xué)試驗環(huán)節(jié)，把引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會科學(xué)的思維方法放在首位，試驗教學(xué)安排上注意保持了試驗的科學(xué)性、先進性和基礎(chǔ)性，同時也注意培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

2．1創(chuàng)新試驗?zāi)K

根據(jù)本科生的差異性進行分類教學(xué)，所有本科生都應(yīng)進行巖石力學(xué)試驗教學(xué)模塊1;對于學(xué)有余力的本科生，引入創(chuàng)新性試驗?zāi)K2，引導(dǎo)學(xué)生探索一些非驗證性試驗，包括試驗方案的設(shè)計、試件的制備、先進巖石力學(xué)試驗機的操作、試驗數(shù)據(jù)處理和模型回歸等方面的教學(xué)。近幾年筆者結(jié)合湖南科技大學(xué)現(xiàn)有的巖石力學(xué)試驗設(shè)備，主要增設(shè)了兩個創(chuàng)新性試驗，并且取得了良好的教學(xué)效果［3－4］。

2．1．1單軸壓縮條件下多裂隙試件的變形破壞試驗

巖石與巖體是巖石力學(xué)教學(xué)過程中極為重要的兩個基本概念，《巖石力學(xué)》教材對巖石與巖體的變形和破壞特性進行了一些定性的描述，如巖體強度遠遠低于巖石強度，巖體變形遠遠大于巖石本身，巖體的滲透性遠遠大于巖石的滲透性。為了使本科生直觀、生動地掌握巖石與巖體的變形和破壞特性的不同，在創(chuàng)新試驗?zāi)K2中首先引入了單軸壓縮條件下多裂隙試件的變形破壞試驗。在試驗前一個月內(nèi)，引導(dǎo)學(xué)生將水泥、沙和水按照一定的配比混合，將其配料倒入鋼模內(nèi)，并通過預(yù)埋薄鐵片，待試樣初凝后取出預(yù)埋鐵片的方法獲得多裂隙巖石類試件。在巖石剪切流變儀RYL－600上進行單軸壓縮條件下多裂隙試件和完整試件的力學(xué)試驗。通過這個創(chuàng)新試驗，學(xué)生發(fā)現(xiàn)多裂隙試件和完整試件變形、破壞特性完全不同。多裂隙試件可視為巖體，完整試件可視為巖石，試驗發(fā)現(xiàn)前者的強度遠低于后者，前者的變形大于后者。學(xué)生通過創(chuàng)新試驗獲得了一系列定量的試驗數(shù)據(jù)，通過對試驗數(shù)據(jù)處理和模型回歸方法，可以得到諸多定量的結(jié)論，而這些結(jié)論從教科書上無法獲取。圖1為創(chuàng)新試驗1—單軸壓縮條件下多裂隙試件的變形破壞試驗圖，這個創(chuàng)新試驗揭示了巖石與巖體的變形破壞的差異性。學(xué)生從這個試驗中不僅深刻領(lǐng)會了巖石與巖體的力學(xué)特性的不同，更重要的是學(xué)會了如何通過設(shè)計試驗來探索一些深奧的巖石力學(xué)問題。

2．1．2鋸齒狀粗糙結(jié)構(gòu)面的剪切試驗

結(jié)構(gòu)面抗剪強度與很多因素有關(guān)，如法向應(yīng)力、結(jié)構(gòu)面粗糙程度等，為了使學(xué)生更好地了解結(jié)構(gòu)面粗糙程度對抗剪強度的影響，引入了鋸齒狀粗糙結(jié)構(gòu)面的剪切試驗。通過該試驗，學(xué)生將發(fā)現(xiàn)光滑結(jié)構(gòu)面和粗糙結(jié)構(gòu)面的變形和強度存在很大差別。該創(chuàng)新試驗旨在使學(xué)生掌握巖石結(jié)構(gòu)面的粗糙程度對抗剪強度的控制作用，理解不同性質(zhì)結(jié)構(gòu)面摩擦特性的差異性。圖2為創(chuàng)新試驗2—鋸齒狀粗糙結(jié)構(gòu)面剪切試驗圖。上述兩個創(chuàng)新試驗?zāi)軒椭鷮W(xué)生更好地理解巖體與巖石強度和變形特性的差異性、結(jié)構(gòu)面粗糙度對抗剪強度的影響這兩個重要的知識點，很好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力，以及靈活運用所學(xué)知識、理論聯(lián)系實際的能力，真正做到學(xué)以致用。

2．2數(shù)值模擬演示

隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)數(shù)值計算軟件的不斷成熟，利用數(shù)值軟件對巖石的變形與破壞過程進行數(shù)值試驗已成為科學(xué)研究和工程應(yīng)用中非常重要的方法。與傳統(tǒng)巖石力學(xué)試驗相比，具有針對性強、靈活方便、可重復(fù)性等特點，通過數(shù)值模擬可以將巖石力學(xué)試驗中不易觀測的現(xiàn)象、應(yīng)力變化情況直觀地演示出來，讓學(xué)生更好地理解巖石的變形、破壞等情況［5］。在巖石力學(xué)試驗教學(xué)的模塊3中，主要以巴西劈裂法為例作為數(shù)值模擬的演示。模塊1的巴西劈裂試驗發(fā)現(xiàn)在加載過程中裂隙從圓盤形試件的中央產(chǎn)生，該裂隙被認為是受拉裂隙。對于在圓盤形試件上施加壓應(yīng)力為何在試件的中央會產(chǎn)生拉裂隙的問題，許多學(xué)生不得其解。為了回避高深的彈性力學(xué)推導(dǎo)，大部分《巖石力學(xué)》教材對拉裂隙的產(chǎn)生原因沒有詳細說明，只是簡單給出了抗拉強度的計算公式。在巖石力學(xué)試驗教學(xué)環(huán)節(jié)中引入巴西劈裂法作為數(shù)值模擬演示。通過數(shù)值模擬演示，學(xué)生可以清楚地領(lǐng)會到拉應(yīng)力沿試件的中心線均勻分布，在加載點附近表現(xiàn)為局部壓應(yīng)力，數(shù)值模擬演示直觀地闡述了圓盤形試件巴西劈裂的受力機理。

3結(jié)語

筆者對采礦工程專業(yè)的巖石力學(xué)試驗教學(xué)環(huán)節(jié)進行了精細調(diào)整，考慮到學(xué)生的差異性，將巖石力學(xué)試驗教學(xué)分為三個模塊:模塊1為巖石力學(xué)參數(shù)試驗包括單軸抗壓強度試驗、巴西劈裂試驗、剪切強度試驗、點載荷試驗4個試驗;模塊2為創(chuàng)新試驗，包括單軸壓縮條件下多裂隙試件的變形破壞試驗和鋸齒狀粗糙結(jié)構(gòu)面的剪切試驗;模塊3為巖石力學(xué)的數(shù)值模擬演示，主要演示圓盤形試件的巴西劈裂法。

參考文獻:

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作者：趙延林1，2 萬文1，2 唐勁舟1 單位：1.湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院 2.煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點實驗室