潘超 左宇軍 江澤標(biāo) 孫文吉斌 李桐 李雪峰 嚴(yán)林

摘? 要：正確處理科研與教學(xué)關(guān)系是高校教師的重要工作。對于工科專業(yè)，利用工程現(xiàn)場形成經(jīng)典教學(xué)案例，可提高學(xué)生能動性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)其解決現(xiàn)場問題的能力，加深其對工程問題和科學(xué)問題的思考。該文基于高校教學(xué)、科研一體化的模式，提出針對礦業(yè)類專業(yè)學(xué)生巖石力學(xué)數(shù)值實驗課程的案例教學(xué)改革對策，指出經(jīng)典工程現(xiàn)場案例教學(xué)和探討式教學(xué)是巖石力學(xué)數(shù)值實驗課程教學(xué)改革需要重點關(guān)注的。煤層水力壓裂、開采擾動下工作面覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性等復(fù)雜工程問題可作為經(jīng)典案例選取的對象。

關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)數(shù)值實驗；教學(xué)改革；教學(xué)方法；數(shù)值模擬；探討式教學(xué)

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2023）25-0138-04

Abstract： Correctly handling the relationship between scientific research and teaching is an important work for college teachers. For engineering majors， the use of engineering sites to form classic teaching cases can improve students' initiative and creativity， cultivate their ability to solve field problems and deepen their thinking of engineering and scientific problems. Based on the integration mode of teaching and scientific research in colleges and universities， this paper puts forward some countermeasures for the case teaching reform of Rock Mechanics Numerical Experiment course for mining majors and points out that the classical engineering field case teaching and discussion teaching are the key points in the teaching reform of Rock Mechanics Numerical Experiment course. Complex engineering problems such as hydraulic fracturing of the coal seam， rock structure and strata behavior law of working face undermining disturbance， stability of high and steep slope in the open-pit mine can be selected as the object of a classic case.

Keywords： Rock Mechanics Numerical Experiment; teaching reform; teaching method; numerical simulation; exploratory teaching

巖石力學(xué)數(shù)值實驗是一門針對礦業(yè)類學(xué)生的專業(yè)選修課程[1-3]。其主要介紹了如何利用數(shù)字建模技術(shù)及數(shù)值方法來研究巖石的拉、壓、剪及巖層移動等基本破壞過程及礦山工程方面相關(guān)力學(xué)問題，本課程可以達(dá)到更好地了解巖石破壞過程和巖石力學(xué)性質(zhì)，加深巖石力學(xué)理論知識，增強(qiáng)巖石力學(xué)實驗教學(xué)方法的目的。同時，通過數(shù)值模擬方法不僅能再現(xiàn)已知現(xiàn)象，而且對由于時間、成本和難度等原因，很難通過現(xiàn)場或物理試驗反映未知現(xiàn)象。巖石力學(xué)數(shù)值試驗可以很好地模擬未知的工程現(xiàn)象，研究結(jié)果可以深化對未知現(xiàn)象的探索。

一? 目前課程實驗教學(xué)內(nèi)容

該課程的實驗課為36個學(xué)時，學(xué)時分配情況見表1。由表1可知，目前該實驗課分為演示型和研究型兩種模式，課程主要側(cè)重于兩個方面：一是RFPA2D軟件的原理及操作學(xué)習(xí)，如菜單、工具欄、功能及流程操作，掌握RFPA2D基本版的基本操作；二是巖石力學(xué)性能的測試實驗學(xué)習(xí)，如標(biāo)準(zhǔn)加載、特殊載荷加載、邊界載荷加載和任意載荷加載，進(jìn)而進(jìn)行力學(xué)參數(shù)及巖石抗拉強(qiáng)度測試。

巖石力學(xué)數(shù)值實驗教學(xué)方法采用在2～3學(xué)時內(nèi)由教師講解后學(xué)生完成一個實驗項目。學(xué)生主要通過圍觀老師操作進(jìn)行學(xué)習(xí)，該過程的學(xué)習(xí)缺乏能動性更談不上創(chuàng)新性。缺乏在如巖石力學(xué)、礦床開拓、礦床露天采礦、爆破工程及相似模擬等課程中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行數(shù)值模擬實驗。目前巖石力學(xué)數(shù)值實驗實驗課未涉及煤層開采擾動下工作面覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、水力壓裂、露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性的教學(xué)。

二? 實驗教學(xué)改革必要性分析

巖石力學(xué)數(shù)值實驗是礦業(yè)類專業(yè)的一門巖石力學(xué)應(yīng)用課程[4-5]。隨著開采向深部推進(jìn)，巖層構(gòu)造變得復(fù)雜，眾多基本參數(shù)發(fā)生變化，如：地應(yīng)力、彈性模量和抗壓強(qiáng)度。此時，巖石力學(xué)面臨以下緊迫問題：①深部高應(yīng)力下頁巖或煤層脆性與可壓性評價；②動力擾動、不同地質(zhì)狀況及高地應(yīng)力條件下的巷道圍巖穩(wěn)定性；③高應(yīng)力水化條件下裂縫網(wǎng)絡(luò)的長效支撐；④深部巖層多組分微觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)作用機(jī)理，等等問題。適合淺部工程的力學(xué)系統(tǒng)已不再適用于深部工程圍巖，同時大部分傳統(tǒng)理論、方法與技術(shù)已經(jīng)也不再適用。現(xiàn)有研究主要集中在深部環(huán)境中高溫、高壓對巖石物性結(jié)構(gòu)的影響，而關(guān)于深部開采過程中巖體力學(xué)性質(zhì)的研究甚少。深部開采過程中的巖石力學(xué)特性已成為安全高效開采煤炭資源必須考慮的重要方面[5-6]，為煤礦井下開采過程中的水力壓裂、瓦斯抽采、井巷支護(hù)、煤與瓦斯突出防治等工程技術(shù)確定及復(fù)雜地質(zhì)條件下煤礦開采方案的編制提供重要依據(jù)。對礦業(yè)工程專業(yè)學(xué)生來說，數(shù)值模擬試驗是在學(xué)習(xí)巖石力學(xué)、礦床開拓、井巷工程、爆破工程及工程力學(xué)等專業(yè)課程前必須掌握的基本技能[7-9]。

巖石力學(xué)數(shù)值實驗是一門專業(yè)基礎(chǔ)應(yīng)用課程，課程內(nèi)容與巖石力學(xué)緊密結(jié)合。講授內(nèi)容與巖石力學(xué)數(shù)值模擬的概念、理論、方法和原理相關(guān)，依托礦井沖擊地壓防治技術(shù)、井巷支護(hù)技術(shù)及煤與瓦斯突出防治技術(shù)等典型應(yīng)用，系統(tǒng)介紹巖石力學(xué)數(shù)值模擬試驗的相關(guān)內(nèi)容在礦業(yè)工程中的應(yīng)用。通過巖石力學(xué)數(shù)值實驗課程教學(xué)，學(xué)生可學(xué)會將理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，同時培養(yǎng)其應(yīng)用數(shù)值試驗方法解決實際工程問題的能力。該課程可達(dá)到以下目標(biāo)：學(xué)生能系統(tǒng)掌握數(shù)值實驗所涉及的基本概念、理論和方法，提高其專業(yè)理論知識和能力；掌握RFPA2D等數(shù)值模擬軟件的基本原理，了解巖石破裂過程的基本規(guī)律；掌握RFPA2D、FLAC3D等數(shù)值模擬軟件的基本操作，增強(qiáng)對巖石力學(xué)數(shù)值實驗基本原理的了解；把礦業(yè)工程的現(xiàn)場問題與數(shù)值模擬分析聯(lián)系起來，加深對實驗原理的理解。

三? 實驗教學(xué)改革方案

巖石力學(xué)數(shù)值實驗課程教學(xué)改革可從工程現(xiàn)場經(jīng)典案例和探討式教學(xué)著手。根據(jù)研究過程中面對的實際工程問題選取巖石力學(xué)數(shù)值模擬課程經(jīng)典案例，選取依據(jù)可根據(jù)以下方面。

（一）? 經(jīng)典案例

1? 水力壓裂煤層或巖層

水力壓裂技術(shù)雖在油氣開發(fā)中得到了廣泛使用，其效果也得到認(rèn)可，但在復(fù)雜地質(zhì)條件下的煤巖層中應(yīng)用較少。煤巖體不連續(xù)面之間的貫通而形成的宏觀裂隙面是裂隙場形成主要原因。水力壓裂是一個典型的礦業(yè)工程巖石力學(xué)問題，煤層中高壓水水壓大于地應(yīng)力時，煤層被壓開形成大范圍裂隙，透氣性系數(shù)相應(yīng)增大。

通過巖石力學(xué)數(shù)值試驗?zāi)M水力壓裂工程案例（圖1），可以加強(qiáng)學(xué)生對水力壓裂、抗壓強(qiáng)度、破壞準(zhǔn)則和開采擾動等基本概念的掌握程度，同時加深對典型工程概念的理解。

2? 煤礦采場覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

采場覆巖結(jié)構(gòu)形態(tài)及其穩(wěn)定性受礦壓影響，特厚煤層每采一次就可釋放出較大的采出空間，導(dǎo)致覆巖垮落范圍較廣，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破斷及采場礦壓顯現(xiàn)問題。確定上覆巖層破斷失穩(wěn)與礦壓顯現(xiàn)之間的關(guān)系，對揭示誘發(fā)礦壓產(chǎn)生機(jī)制具有實際意義。數(shù)值模擬試驗可對采動過程中的塑性區(qū)、能量釋放規(guī)律及覆巖應(yīng)力場進(jìn)行研究，能夠揭示巖層破斷運動與強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的對應(yīng)關(guān)系，同時研究結(jié)果可描述煤層開采后圍巖的損傷、破裂全過程及特厚煤層綜放開采大空間采場覆巖物理場時空演化規(guī)律；利用數(shù)值模擬對不同主控巖層抗壓強(qiáng)度、層位、厚度及采高下覆巖位移場、垂直應(yīng)力場、工作面超前支承應(yīng)力及巖層能量釋放演化規(guī)律作了分析，以研究主控巖層賦存狀態(tài)與大空間采場礦壓顯現(xiàn)時空關(guān)系，具體如圖2所示。

通過學(xué)習(xí)特厚煤層堅硬頂板覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律工程案例，可提高學(xué)生對特厚煤層、礦壓顯現(xiàn)、堅硬頂板和覆巖結(jié)構(gòu)等概念的掌握程度，增強(qiáng)其對初次來壓步距、周期來壓步距、支護(hù)應(yīng)力等工程概念的理解。

3? 露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性

露天礦進(jìn)入深部開采時，解決邊坡安全問題其是實現(xiàn)礦山安全開采的當(dāng)務(wù)之急。深入研究礦山高大巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)機(jī)制，對發(fā)展邊坡治理技術(shù)、防范邊坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，保障礦山安全生產(chǎn)具有重要的理論與實際意義。利用RFPA邊坡巖體應(yīng)力場、損傷場數(shù)值分析方法，依托露天礦典型硬巖高陡邊坡實例，揭示巖體內(nèi)部應(yīng)力集聚，誘發(fā)巖石破裂的演化規(guī)律與微震活動前兆之間的內(nèi)在關(guān)系；探尋巖體“空間”損傷劣化過程中微震活動、強(qiáng)度減弱與邊坡動態(tài)失穩(wěn)過程之間的關(guān)系，具體如圖3所示。

通過上述分析可知，通過數(shù)值模擬實驗的方式再現(xiàn)水力壓裂煤層或巖層過程、特厚煤層堅硬頂板覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、露天礦高陡邊坡失穩(wěn)破壞規(guī)律能夠加深學(xué)生對巖石力學(xué)知識點的掌握，而目前該課程沒有相關(guān)的實驗課。本文通過設(shè)計相關(guān)數(shù)值實驗方案，使學(xué)生深入地掌握了相應(yīng)的巖石力學(xué)知識點。

4? 動力擾動下斷層活化誘發(fā)煤與瓦斯突出

采用大型數(shù)值模擬試驗，研究工作面分別由斷層上盤和斷層下盤向斷層推進(jìn)時，工作面開采對斷層面三維應(yīng)力分布狀態(tài)、斷層活化量、瓦斯壓力、斷層和煤體破裂演化過程中聲發(fā)射及工作面瓦斯涌出量的影響，模擬不同的載荷、瓦斯壓力和斷層及不同誘導(dǎo)方式條件下的煤與瓦斯突出，從而反映出動力擾動對斷層穩(wěn)定性、瓦斯運移及突出的作用機(jī)制。研究工作面經(jīng)過斷層時斷層影響帶內(nèi)瓦斯運移及煤與瓦斯突出滲流-應(yīng)力-損傷規(guī)律，揭示動力擾動下斷層活化誘導(dǎo)煤與瓦斯突出的細(xì)觀損傷機(jī)理。揭示煤與瓦斯突出影響因素（斷層和煤體、動靜應(yīng)力和瓦斯壓力）的耦合關(guān)系，確定突出發(fā)生的條件，并基于突變理論建立動力擾動下斷層活化煤與瓦斯突出危險性的判據(jù)，進(jìn)一步為動力擾動下含斷層地質(zhì)體的煤與瓦斯突出研究提供理論基礎(chǔ)，為有效預(yù)測和防治煤與瓦斯突出提供依據(jù)。

（二）? 采用探討式教學(xué)模式

通過與學(xué)生交流和討論工程案例的過程，探索式教學(xué)模式增強(qiáng)了師生之間的互動，提高了學(xué)生對課程的興趣。通過學(xué)習(xí)相應(yīng)的理論知識、解決手段可為今后工作解決實際問題提供支持。目前巖石力學(xué)數(shù)值實驗課程雖然覆蓋面廣，涉及的理論知識豐富，但同時面臨課時少與教學(xué)內(nèi)容多的矛盾；課堂中使用的教學(xué)課件不夠新穎、教學(xué)模式較為單調(diào)，使學(xué)生缺乏生動學(xué)習(xí)的興趣等問題。

通過分析典型工程案例可以讓學(xué)生更加直觀地掌握專業(yè)知識，使用巖石力學(xué)數(shù)值試驗對未知現(xiàn)象及已知現(xiàn)象進(jìn)行再現(xiàn)，反映了巖石力學(xué)的基本原理，增強(qiáng)了學(xué)生對專業(yè)知識的了解，為就業(yè)提供基礎(chǔ)。通過探討式教學(xué)方式，在課程實踐中對工程案例進(jìn)行剖析，最終完善案例的設(shè)計和實施方案。具體如下。

一是優(yōu)化完善實踐教學(xué)實施方案，綜合考慮結(jié)合巖石力學(xué)工程設(shè)計到的工程現(xiàn)場實踐，編寫新的教學(xué)大綱和實驗指導(dǎo)書，實驗類型對增加可鍛煉學(xué)生創(chuàng)造力和積極性的設(shè)計性及創(chuàng)新實驗。完善技能考核體系，達(dá)到培養(yǎng)出高綜合素質(zhì)和高專業(yè)技能素養(yǎng)學(xué)生的目的。

二是通過工程現(xiàn)場為背景的巖石力學(xué)數(shù)值模擬實驗，設(shè)置不同實驗條件，增加學(xué)生的動手機(jī)會，在加強(qiáng)學(xué)生對基本實驗方法和技能的認(rèn)識的同時可以培養(yǎng)其對專業(yè)的興趣，最終達(dá)到提高綜合分析問題、解決問題和推陳出新的能力的目的。

四? 結(jié)束語

本文對目前巖石力學(xué)數(shù)值實驗課程教學(xué)過程中存在的問題，提出了實驗教學(xué)改革方案。從經(jīng)典案例和探討式教學(xué)兩方面著手，提出了案例教學(xué)改革的具體實施步驟及優(yōu)點。該方案可提高礦業(yè)類學(xué)生學(xué)習(xí)的能動性和創(chuàng)新性，培養(yǎng)其提高綜合分析問題、解決實際問題和推陳出新的能力。教改結(jié)果可為其他課程教學(xué)提供借鑒。

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