采礦工程巖石力學試驗教學改革研究

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摘要:傳統(tǒng)巖石力學試驗教學環(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)，沒有考慮學生的差異性等等。通過對巖石力學試驗項目進行優(yōu)化組合，引入差異性教學法，實現(xiàn)面向采礦工程專業(yè)的巖石力學試驗教學改革。將巖石力學試驗教學分為三個模塊:模塊1為巖石力學參數(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。積極引導學生完成基本試驗(模塊1)，支持學有余力的學生開展創(chuàng)新性試驗(模塊2)，通過模塊3來提高學生的巖石力學分析能力。

關(guān)鍵詞:采礦工程;巖石力學;試驗教學;創(chuàng)新試驗

巖石力學是研究巖石力學性能的理論和應用的科學，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。通過本課程的學習使采礦工程本科生掌握有關(guān)巖石、巖體的基本力學性質(zhì)，能應用巖石、結(jié)構(gòu)面等強度理論對巖體穩(wěn)定性進行評價。了解巖體的力學特性，巖體的初始應力狀態(tài)及其規(guī)律，在此基礎(chǔ)上熟練掌握巖體力學在采礦工程、地下硐室工程中的應用，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問題是相當復雜的，如何利用巖石力學的知識分析采礦工程面臨的技術(shù)難點，從力學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服務(wù)于采礦工程的重要途徑?，F(xiàn)代巖石力學的新理論、新方法、新技術(shù)層出不窮，如何在有限的學時里，既重視學生的智能培養(yǎng)，又開拓學生的知識面，使學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)的巖石力學教學內(nèi)容和實踐環(huán)節(jié)進行整體優(yōu)化。巖石力學是一門理論性與實踐性都很強的學科，常以試驗為依據(jù)，巖石力學的試驗教學使學生更好地了解巖石(體)的強度和變形特性，激發(fā)學生的學習興趣。本文旨在探討面向采礦工程專業(yè)的巖石力學試驗教學改革，對巖石力學試驗項目進行優(yōu)化組合，引入差異性教學法，構(gòu)建面向采礦工程專業(yè)的巖石力學試驗教學的三個模塊。

1傳統(tǒng)的巖石力學試驗教學

在教學內(nèi)容上，目前采礦工程專業(yè)的巖石力學試驗教學環(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，以獲得巖石的全應力—應變曲線。這5個巖石力學試驗不但進一步增強了學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，而且使學生學會了試驗數(shù)據(jù)的回歸擬合方法。如不少學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試驗獲取巖石抗剪強度參數(shù)［1－2］。在巖石力學試驗教學環(huán)節(jié)的單軸抗壓強度試驗、巴西劈裂試驗，可得到兩個Mohr應力圓，用數(shù)學方法做出兩個Mohr應力圓的公切線，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，大學生直觀地掌握了巖石力學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)揮學生的主觀能動性和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。在教學方法上，傳統(tǒng)的巖石力學試驗教學大多采用先集中講授巖石力學試驗程序、數(shù)據(jù)處理和模型回歸方法，在巖石力學試驗室，教師首先演示試驗操作過程，然后學生分小組進行巖石力學試驗。這種教學方法目的明確，而且條理清楚，學生便于接受。但這種方法往往導致教師講得多、學生做得少，進行巖石力學試驗時，學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，學生無法直觀地理解巖石和巖體力學特性的復雜性，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試驗設(shè)備只對研究生開放，如巖石力學試驗系統(tǒng)MTS815和巖石剪切流變儀RYL－600，本科生的巖石力學試驗教學使用的設(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試驗系統(tǒng)。這一方面是保護先進的巖石力學設(shè)備不受損害，但另一方面無法讓本科生領(lǐng)會到巖石力學試驗的博大與精深，從而無法更大程度上激發(fā)大學生學習巖石力學的熱情。

2巖石力學試驗教學的改革

傳統(tǒng)巖石力學試驗教學環(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)，沒有考慮學生的差異性等等。筆者對采礦工程專業(yè)的巖石力學試驗教學環(huán)節(jié)進行了精細調(diào)整，并在近幾屆本科生中實施，調(diào)整后的巖石力學試驗教學環(huán)節(jié)很受歡迎。面向采礦工程專業(yè)的巖石力學試驗教學改革方案如下:巖石力學試驗教學分為3個模塊。模塊1為巖石力學參數(shù)試驗(驗證性試驗)，教學課時為4學時，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，教學課時為2學時，創(chuàng)新試驗期間，巖石試驗室對學生實行開放，鼓勵有余力的同學分組設(shè)計試驗;模塊3為巖石力學的數(shù)值模擬演示，教學課時為2學時。改革后的巖石力學試驗環(huán)節(jié)，把引導學生學會科學的思維方法放在首位，試驗教學安排上注意保持了試驗的科學性、先進性和基礎(chǔ)性，同時也注意培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。

2．1創(chuàng)新試驗模塊

根據(jù)本科生的差異性進行分類教學，所有本科生都應進行巖石力學試驗教學模塊1;對于學有余力的本科生，引入創(chuàng)新性試驗模塊2，引導學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。近幾年筆者結(jié)合湖南科技大學現(xiàn)有的巖石力學試驗設(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教學過程中極為重要的兩個基本概念，《巖石力學》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)新試驗模塊2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)，引導學生將水泥、沙和水按照一定的配比混合，將其配料倒入鋼模內(nèi)，并通過預埋薄鐵片，待試樣初凝后取出預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試驗。通過這個創(chuàng)新試驗，學生發(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。學生從這個試驗中不僅深刻領(lǐng)會了巖石與巖體的力學特性的不同，更重要的是學會了如何通過設(shè)計試驗來探索一些深奧的巖石力學問題。

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)，如法向應力、結(jié)構(gòu)面粗糙程度等，為了使學生更好地了解結(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)新試驗能幫助學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)學生的創(chuàng)新能力和動手能力，以及靈活運用所學知識、理論聯(lián)系實際的能力，真正做到學以致用。

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)值試驗已成為科學研究和工程應用中非常重要的方法。與傳統(tǒng)巖石力學試驗相比，具有針對性強、靈活方便、可重復性等特點，通過數(shù)值模擬可以將巖石力學試驗中不易觀測的現(xiàn)象、應力變化情況直觀地演示出來，讓學生更好地理解巖石的變形、破壞等情況［5］。在巖石力學試驗教學的模塊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力為何在試件的中央會產(chǎn)生拉裂隙的問題，許多學生不得其解。為了回避高深的彈性力學推導，大部分《巖石力學》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。在巖石力學試驗教學環(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，學生可以清楚地領(lǐng)會到拉應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)的巖石力學試驗教學環(huán)節(jié)進行了精細調(diào)整，考慮到學生的差異性，將巖石力學試驗教學分為三個模塊:模塊1為巖石力學參數(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.湖南科技大學能源與安全工程學院 2.煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點實驗室