楊永康, 張百勝, 段 東, 康天合, 季春旭, 郭俊慶

(1. 太原理工大學 采礦工藝研究所, 山西 太原 030024；2. 中國礦業(yè)大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室, 北京 100083)

巖土體是天然材料,具有非均質(zhì)、非連續(xù)、非線性的特征。巖土工程類似于“中醫(yī)”,需要在巖層的物理力學性質(zhì)、圍巖的承載結(jié)構(gòu)都難以確定的情況下,確定施工方案[1]。巖石力學是地礦類專業(yè)的一門基礎課程,如果能學以致用,將利于提高理解、分析、解決工程問題的能力。當前巖石力學和礦山壓力相關(guān)學科教學中,由于試驗與現(xiàn)場條件的限制,教師只能對其理論進行系統(tǒng)講解。而巖石力學類課程涉及知識面廣,一般苦澀難懂且需要良好的數(shù)學功底[2],只能采取“填鴨式”的經(jīng)典模式。如果從地礦類專業(yè)本身的實踐性出發(fā),將引起失穩(wěn)、變形、破壞的工程地質(zhì)災害與礦壓規(guī)律的過程盡可能直觀、動態(tài)展現(xiàn)出來[3],無疑有助于學生對問題的深層次理解,并提高實踐操作能力,但目前這方面的教學檔案資料非常少。

巖石的宏觀破裂是由微細裂隙不斷發(fā)展演化的[4]。唐春安教授研發(fā)的RFPA系統(tǒng)已經(jīng)在很多巖石材料破壞中得到應用,表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性[5]。該數(shù)值試驗方法可以模擬出巖石在變形過程中從“微破裂”到“宏觀破裂”的進程,不僅可以實現(xiàn)“形似”，而且可以做到“神似”,可用來補充實驗教學[6-7]。

我校在地礦類專業(yè)巖石力學、礦山壓力與巖層控制、礦壓測試技術(shù)的實際教學中,采用RFPA系統(tǒng),將工程計算中的數(shù)值仿真技術(shù)融于地礦類專業(yè)實驗課程的教學活動中。

1 巖石力學實驗教學存在的問題

巖石力學實驗教學分為現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗?，F(xiàn)場試驗存在成本高、周期長的問題,聯(lián)系試驗較困難,也很難完整觀測到災害的演化過程,而室內(nèi)試驗由于儀器設備少,很難保證所有學生參與,往往達不到應該完成的實驗教學目標。

(1) 實驗室管理體制不健全,實踐教學投入不足。巖石力學實驗教學體系、實驗室建設、實驗人員分屬于不同管理部門,制約了科研與教學實驗的發(fā)展。提高實驗設備利用率方面沒有有效措施,導致實驗設備閑置,并出現(xiàn)實驗室重復建設，但依然難滿足要求,實驗教學質(zhì)量難取得突破。巖石力學實驗課程尚未引起足夠重視，實驗人員普遍缺乏扎實的理論功底和巖石力學實驗教學經(jīng)驗；巖石力學試驗機價格昂貴,本科實驗教學投入偏少。

(2) 學生基數(shù)大、實驗教學靠講解和演示。巖石力學實驗一般每個小組人數(shù)多,且實驗過程及其控制均在半封閉環(huán)境中進行,學生不可能操作試驗機；巖石試件加工困難,測試實驗成本高，且測試精度低,學生只能通過教師的講解與演示來觀察試驗過程,難以發(fā)現(xiàn)并深入理解和掌握試驗中的特殊點,也不能完全觀察煤巖變形—破裂—失穩(wěn)過程。這種教學條件不利于培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)。

(3) 驗證性實驗為主,啟發(fā)性實驗偏少。由于成巖環(huán)境與機制不同,非均質(zhì)巖石力學實驗結(jié)果表現(xiàn)出很大的離散型,而實驗內(nèi)容基本只限于教材中的經(jīng)典實驗曲線,實驗項目內(nèi)容設計創(chuàng)新性不足。驗證性實驗過程基本不需要獨立思考,實驗報告基本雷同。這種教學模式導致學生主動學習的積極性受挫,不少學生敷衍了事、蒙混過關(guān),很難達到實驗教學目的。

(4) 試驗過程顯示程度不夠。物理試驗雖然直觀,但巖石變形—破裂—失穩(wěn)過程中的應力、能量、破壞等重要信息無法顯現(xiàn),更不可能重復,導致學生難以理解,甚至覺得深不可測。

隨著現(xiàn)代計算機性能的提高,以及RFPA軟件的成熟與發(fā)展[7],已經(jīng)可以將數(shù)值試驗技術(shù)用于地礦類專業(yè)巖石力學實驗教學中。

2 教學方法的改進與實踐

2.1 總體思路

RFPA可以模擬煤巖體在加載或者卸載過程中其內(nèi)部產(chǎn)生的微細破裂(實現(xiàn)“神似”),真實再現(xiàn)微破裂發(fā)展演化并導致最終宏觀破裂的過程(表現(xiàn)“形似”),加強對實驗中觀測到的已知信息與巖石力學理論的深入理解[5]。RFPA已經(jīng)有大量的“可視化”研究成果,可以直接用于巖石力學實驗的輔助教學。

由于RFPA輸入的巖層參數(shù)服從韋伯分布或者正態(tài)分布,因此每個學生的實驗結(jié)果會有明顯差異,激發(fā)了學生的學習興趣并杜絕了學生抄襲的問題。

地礦類專業(yè)是實踐性很強的專業(yè),“教”與“學”的真正目標是提高對工程問題的認知程度,并提出可靠的工程治理思路。在巖石力學數(shù)值試驗的基礎上,給定實際工程條件,讓學生自主分析工程問題,引導學生學以致用,加深對未知現(xiàn)象的探索。

在我校必修課程“巖石力學”“礦山壓力與巖層控制”“露天采場邊坡穩(wěn)定”和“礦壓測試技術(shù)”的教學過程中,嘗試將該技術(shù)應用到實驗輔助教學中,實現(xiàn)巖石力學實踐教學的模式化、系統(tǒng)化。通過理論分析、數(shù)值試驗教學,開展巖石力學與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律開放性實驗,使學生有隨身攜帶的數(shù)值試驗機,遇到工程問題能夠快速分析,加強學生的研究性學習,啟發(fā)學生的創(chuàng)新意識。

教師在巖石力學類課程中完成基本理論模型的講解以后,布置實驗任務。其他教學過程均以學生為主體。在該教學實驗平臺取得較好實踐效果,具體思路與教學流程如圖1所示。以此為平臺,突出知識交叉和復合型能力結(jié)構(gòu)的培養(yǎng),將興趣小組、科技創(chuàng)新、科學研究、學生社團、各類競賽、學生的自主科研項目等課外實踐活動,作為培養(yǎng)創(chuàng)新人才、提高學生綜合素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。

2.2 通過實驗觀察加深未知現(xiàn)象的探索式學習

前人在巖石單軸壓縮、三軸壓縮、拉伸、剪切、多點彎曲等基本力學試驗的基礎上,采用理想化的模式建立了經(jīng)典的理論模型與判斷準則,但面對復雜的工程問題,巖石力學依然顯得無能為力,巖石力學還需要進一步完善。

在實驗視頻教學的基礎上,詳細闡述經(jīng)典理論力學模型,留30 min時間介紹RFPA的計算過程,并開展數(shù)值試驗,通過實驗觀察糾正認識偏差。將微破裂—宏觀破裂的漸進破壞模型以及將與變形、破裂等有關(guān)的應力、應變、能量等信息全部動態(tài)顯現(xiàn)出來,加深對巖石破裂過程機理的理解,如圖2所示。

給學生布置數(shù)值試驗作業(yè),要求改變巖石幾何尺寸、邊界條件、巖性參數(shù)、分布特征等條件,開展不規(guī)則巖石破壞試驗,通過試驗觀察未知現(xiàn)象,正確理解地礦類工程中的巖石力學機理,并真實反演巖石基礎試驗參數(shù),如圖3所示。

圖1 實驗教學的整體思路與教學流程

圖2 巖石試樣加載破壞中應力應變、聲發(fā)射及滲透率變化曲線

圖3 非標準試件壓縮破裂過程模擬

2.3 以工程問題激發(fā)學習興趣

巖石力學來源于工程實踐,經(jīng)過不斷完善以后又指導工程生產(chǎn),因而在巖石力學的教學中,需要注重理論與實際相結(jié)合,尤其是要建立“巖體”的概念。

針對地礦類專業(yè)特點,數(shù)值試驗了采場、巷道、邊坡等復雜條件下的圍巖應力與破壞過程。學生可清晰觀測到煤礦開采誘發(fā)巷道破壞與巖層移動過程中的彈性模型、應力場、位移場和能量場演化(如圖4所示),這些都是現(xiàn)場和物理模擬試驗過程中難以觀測到的。學生甚至自己設計了更加復雜的工程問題模型,進行了更為廣泛、深入的相關(guān)數(shù)值試驗。

圖4 煤礦開采誘發(fā)巷道破壞和巖層移動過程模擬

常規(guī)的物理模型實驗很難讓學生認清支護與圍巖關(guān)系的本質(zhì)。學生通過模擬“錨桿、錨索”等不同支護形式下支護與圍巖的關(guān)系,提出錨桿組合加固頂板巖層形成類似于“梁”的結(jié)構(gòu),預應力錨索尖端易形成裂隙拱,部分結(jié)果如圖5所示。受此數(shù)值試驗結(jié)果啟發(fā),建立了拱—梁耦合支護結(jié)構(gòu)模型[8-9]。

圖5 錨桿錨索支護巷道圍巖變形與破壞演化過程

以工程問題為背景的數(shù)值試驗方法,激發(fā)了學生的學習興趣,真正提高了學生對工程問題的理解與認識程度,并開始了一些探索性研究。

2.4 以科研成果提升課堂效果

教學與科研互相促進、協(xié)調(diào)發(fā)展是高校發(fā)展永恒的主題。充分利用多媒體設備,把新的科研成果或者現(xiàn)場工程、物理試驗與數(shù)值試驗結(jié)果融入傳統(tǒng)的教學實踐中,可以給巖石力學實驗課程注入新的活力,有利于增強課堂活力、提高學生學習熱情、擴展學生視野、激發(fā)學生創(chuàng)造性思維、增強學生專業(yè)信心,加強學生對工程問題的理解程度,培養(yǎng)學生實踐動手與工程思維能力。

根據(jù)大厚度泥巖頂板支護中遇到的工程難題,開展了現(xiàn)場調(diào)研、室內(nèi)試驗與物理模擬試驗,研究不同支護方式與條件下巷道圍巖破壞演化過程[10]。部分物理試驗結(jié)果如圖6所示。由于試驗中很難捕捉到裂隙的起裂、擴展、演化及錨固材料的失效過程,只能得到最終的破壞性態(tài)。采用RFPA反演以后,指導學生學習并模擬了對應的數(shù)值試驗(如圖7所示),提高了學生對實際問題的分析能力。

圖6 不同支護方式下巷道圍巖破壞演化過程的物理試驗

圖7 不同支護方式下巷道圍巖破壞演化過程的數(shù)值試驗

3 結(jié)語

將數(shù)值試驗融入到地礦類專業(yè)巖石力學實驗課程中。實踐表明,RFPA數(shù)值試驗在地礦類專業(yè)巖石力學教學中,能夠提高學生的實驗興趣,提高教學質(zhì)量。便攜式數(shù)值試驗機有利于開展探索性實驗,有利于緩解實驗室資源有限的矛盾,增強學生對工程問題的理解與分析能力。但是數(shù)值試驗不能完全代替真實的試驗,更不能取代傳統(tǒng)的板書教學。物理試驗、數(shù)值試驗與理論模型需要互相補充、互相促進。

致謝:本文數(shù)值試驗部分得到李連崇、梁正召、唐世斌、馬天輝等教授的指導和幫助,在此表示誠摯的感謝。

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