礦山壓力學(xué)科中的美學(xué)思維探索

王 斌，趙伏軍，彭文斌，陳 玲

(湖南科技大學(xué)a.能源與安全工程學(xué)院;b.煤礦安全開(kāi)采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;c.湖南科技大學(xué) 教育學(xué)院，湖南 湘潭411201)

“19世紀(jì)修大橋，20世紀(jì)建高樓，21世紀(jì)開(kāi)發(fā)地下交通資源?！辈傻V工程是一項(xiàng)巨大的地下巖石力學(xué)工程，作為采礦工程靈魂的礦山壓力學(xué)科是以礦山巖石力學(xué)為基礎(chǔ)、與礦山開(kāi)采和采礦工藝等實(shí)踐密切相關(guān)的采礦工程基礎(chǔ)學(xué)科，其對(duì)于采礦工程專業(yè)的重要性毋庸質(zhì)疑。21世紀(jì)的礦山壓力研究與實(shí)踐將擁有更廣闊的舞臺(tái)，為造福人類發(fā)揮更重要的作用。礦山壓力的研究?jī)?nèi)容幾乎涵蓋采礦工程所遇到的所有技術(shù)領(lǐng)域［1］，因而被視為理論深?yuàn)W、內(nèi)容繁雜的學(xué)科，同時(shí)初學(xué)礦壓的學(xué)生對(duì)實(shí)際礦山的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、生產(chǎn)工藝等了解不深，使得初學(xué)者學(xué)習(xí)倍感吃力，嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)興趣，礦山壓力教學(xué)往往陷入教者難教、學(xué)者難學(xué)的尷尬局面。如何提高礦壓學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣以讓學(xué)生真正掌握礦壓學(xué)科的理論和實(shí)踐應(yīng)用技術(shù)是礦業(yè)高等學(xué)校的重要課題。

人的本性是追求真、善、美，這里的美，包含了藝術(shù)的美與科學(xué)的美。科學(xué)美就是在科學(xué)領(lǐng)域里呈現(xiàn)出的美，它包括科學(xué)研究的對(duì)象美、試驗(yàn)美和科學(xué)研究的結(jié)論美、表述美，并以后者為核心［2］。自然界五彩繽紛，看似紛繁復(fù)雜，但實(shí)質(zhì)上和諧統(tǒng)一有章可尋，外在的復(fù)雜性和內(nèi)在的單一性，構(gòu)成了自然界的基本特征，科學(xué)美就是力圖把握自然的統(tǒng)一與和諧?？茖W(xué)的最高境界便是“真”與“美”的統(tǒng)一。一門學(xué)科如果不美，則枯燥無(wú)味，將很難激起人們的學(xué)習(xí)興趣?；诖耍瑧?yīng)轉(zhuǎn)變對(duì)礦山壓力學(xué)科認(rèn)識(shí)的傳統(tǒng)觀念，挖掘礦山壓力學(xué)科中“美”的存在，觸發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，啟迪學(xué)生思維，通過(guò)美學(xué)思維使學(xué)生能在理解、鞏固、運(yùn)用礦壓知識(shí)的同時(shí)，在思維品質(zhì)和思維能力方面得到培養(yǎng)和發(fā)展。本文擬就礦壓學(xué)科中的美學(xué)思維作些探究。

一 人文美－礦壓學(xué)者的人格魅力

人文美是將崇尚人性、提倡人文的理念與審美意識(shí)相結(jié)合的概念，形成了一種尊重人、理解人、歌頌人的審美文化，能給欣賞者心靈的滿足感和精神上的愉悅感。科學(xué)技術(shù)中的人文美，反映的不僅僅是科學(xué)成果在形式和功能等方面給人感官上的美的體驗(yàn)，更重要的是該項(xiàng)科學(xué)成果被發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用實(shí)施等過(guò)程中體現(xiàn)的科學(xué)研究人員的美德和高尚人格素養(yǎng)［3］。礦山壓力學(xué)科是技術(shù)科學(xué)，同時(shí)又具有獨(dú)特的人文特色，對(duì)礦壓發(fā)展史上的科學(xué)家進(jìn)行講解分析，可以培養(yǎng)學(xué)生良好的道德素質(zhì)和求知欲。我國(guó)是世界上采礦最早的國(guó)家之一。明代科學(xué)家宋應(yīng)星編寫的《天工開(kāi)物》(初刊于1639年)己具體記述了立井開(kāi)采及在井下進(jìn)行支護(hù)與充填的情況，“凡取煤經(jīng)歷久者，從土面能辨有無(wú)之色，然后掘挖，深至五丈許，方始得煤。初見(jiàn)煤端時(shí)，毒氣灼人，有將巨竹鑿去中節(jié)，尖銳其末，插入炭中，其毒煙從竹中透上，人從其下施攫拾取者。或一井而下，炭縱橫廣有，則隨其左右闊取。其上枝板，以防壓崩耳”。這證明我國(guó)在采礦事業(yè)發(fā)展初期，人們就己認(rèn)識(shí)到礦壓的危害和需要加以控制。宋應(yīng)星以“天工開(kāi)物”命名他的書，實(shí)際上也以此展示他的一種具有普遍意義的科學(xué)思想，強(qiáng)調(diào)天工(自然力)與人工互補(bǔ)、自然界的行為與人類活動(dòng)相協(xié)調(diào)，通過(guò)技術(shù)從自然資源中開(kāi)發(fā)物產(chǎn)，以滿足人的物質(zhì)與精神生活的需要，從而使人在自然界面前顯示并發(fā)揮其主觀能動(dòng)性［4］。宋應(yīng)星在敘述各生產(chǎn)過(guò)程的同時(shí)，還發(fā)展了“窮究試驗(yàn)”的研究方法，他對(duì)各種迷信神怪、荒誕舊說(shuō)都有所批判，如對(duì)煉丹術(shù)的批判更為激烈，從而在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)注入一種新的科學(xué)精神。這是《天工開(kāi)物》一書的最大特色，使人們感到耳目一新。

錢鳴高院士是我國(guó)礦山壓力及其控制學(xué)科的主要奠基者和開(kāi)拓者之一，提出的采場(chǎng)上覆巖層的“砌體梁平衡假說(shuō)”以及老頂破斷規(guī)律及其在破斷時(shí)在巖體中引起的擾動(dòng)理論在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生很大影響，創(chuàng)立的“砌體梁”力學(xué)模型被收錄于《中國(guó)大百科全書.礦冶卷》有關(guān)條目。江南魚米之鄉(xiāng)養(yǎng)育了錢鳴高院士，在以輕工業(yè)為主的無(wú)錫長(zhǎng)大，卻在1950年響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，遠(yuǎn)去東北選擇最艱苦的地下開(kāi)采作為自己的專業(yè)，從此便把一生奉獻(xiàn)給了我國(guó)的煤炭事業(yè)。1958年到1964年這段的時(shí)間里，錢鳴高院士在阜新、開(kāi)灤、陽(yáng)泉、大同等礦區(qū)第一線搞技術(shù)革命，置身于工人、工程技術(shù)人員中間，學(xué)到了他們理論聯(lián)系實(shí)際、踏踏實(shí)實(shí)的工作作風(fēng)及解決實(shí)際問(wèn)題的能力，同時(shí)也豐富了對(duì)礦山壓力控制的很多感性認(rèn)識(shí)。1982年，被稱為"錢氏理論"、"鳴高模型"的砌體梁理論提出，標(biāo)志中國(guó)的礦壓研究推進(jìn)到國(guó)際先進(jìn)水平。年近花甲之年的錢院士，仍堅(jiān)持長(zhǎng)期下現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究，一次，與他的學(xué)生在陽(yáng)泉下井，由于過(guò)度的勞累，昏倒在鐵軌上，至今他的臉部仍然留下當(dāng)時(shí)受傷的疤痕，所有這些困難并沒(méi)有使他氣餒。20世紀(jì)90年代相繼提出“關(guān)鍵層”理論和“綠色開(kāi)采”的理念，2006年提出“科學(xué)采礦”，開(kāi)創(chuàng)了系統(tǒng)的煤炭環(huán)保開(kāi)采之路。錢鳴高院士在科學(xué)探索道路上執(zhí)著追求，在人才培養(yǎng)道路上辛勤耕耘，創(chuàng)造了礦山壓力與控制領(lǐng)域的數(shù)個(gè)第一，書寫了我國(guó)煤炭采礦科技的輝煌篇章。錢院士曾語(yǔ)重心長(zhǎng)地說(shuō):“我們的科研人員搞科研，一定要勤奮，有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)，胸懷大志，耐得住寂寞，兢兢業(yè)業(yè)做事，切忌浮躁”。［5］

宋振騏院士是我國(guó)煤礦采場(chǎng)傳遞巖梁礦壓理論的創(chuàng)立者，實(shí)用礦壓理論的開(kāi)拓者和奠基人，是我國(guó)采礦工程界第一位院士，也是至今為止采礦界唯一一位科學(xué)院院士。宋振騏院士針對(duì)煤礦采場(chǎng)不斷推進(jìn)的工程特點(diǎn)，通過(guò)廣泛實(shí)踐，例如曾對(duì)開(kāi)灤范各莊礦長(zhǎng)達(dá)4年的觀測(cè)取得的10 萬(wàn)個(gè)巖層運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了“兩個(gè)應(yīng)力場(chǎng)”的理論，該理論為在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)觀測(cè)支承壓力顯現(xiàn)發(fā)展變化規(guī)律、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)采場(chǎng)頂板運(yùn)動(dòng)提供了依據(jù)。為了獲得第一手?jǐn)?shù)據(jù)，他常常深入到井下總結(jié)探索各種教訓(xùn)，分析研究了數(shù)百起重大頂板垮塌事故，整理分析了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的觀察數(shù)據(jù)，有些數(shù)據(jù)就是冒著生命危險(xiǎn)取得的。70年代末，我國(guó)礦壓儀器可以說(shuō)是一片空白，有錢卻無(wú)處買儀器;“沒(méi)有就自己造!”宋振騏懷著“動(dòng)員工農(nóng)千百萬(wàn)，同心干!”的壯志豪情，動(dòng)員了一大批物理、機(jī)電、計(jì)算機(jī)專業(yè)的老師和研究生，組成聯(lián)合課題組，日夜奮戰(zhàn)，先后研制了KY －82型巖層動(dòng)態(tài)儀、DCC －1 型遙測(cè)儀等礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)備。80年代中期，宋振騏領(lǐng)導(dǎo)的儀器工廠生產(chǎn)了全國(guó)近75%的礦壓儀器。宋振騏院士50 多年來(lái)堅(jiān)持教學(xué)、科研和生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，把中國(guó)采場(chǎng)礦山壓力研究從定性推向定量，即從主要依靠統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)決策推進(jìn)到針對(duì)具體煤層條件定量控制，創(chuàng)造性提出的井下巖層動(dòng)態(tài)觀測(cè)研究方法、頂板動(dòng)態(tài)儀等監(jiān)測(cè)手段以及頂板預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和頂板控制設(shè)計(jì)等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件?；厥滓咽乔铰?，宋振騏獻(xiàn)身光和熱的事業(yè)癡心不改、終生不悔，他說(shuō):“干煤礦苦是苦，但我是以苦為樂(lè)，以苦為甜?？嘣谄渲校鹨苍谄渲?。煤炭是烏金，是中國(guó)的主要能源。煤炭工業(yè)是有前途的”。［6］

二 哲理美－礦壓理論的思辨性

哲學(xué)被認(rèn)為是科學(xué)研究之母，在科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著世界觀和方法論的作用。綜觀礦山壓力學(xué)科的發(fā)展歷程和研究?jī)?nèi)容，無(wú)不閃爍著科學(xué)哲理之美，科學(xué)的哲理性體現(xiàn)在礦山壓力理論的方方面面。

(一)“不識(shí)廬山真面目”的礦壓假說(shuō)

由于采礦工程涉及到巖層內(nèi)的原巖應(yīng)力場(chǎng)以及巖體性質(zhì)的復(fù)雜性，因而從一開(kāi)始人們就對(duì)采場(chǎng)的礦山壓力現(xiàn)象提出了各種不同的科學(xué)概括(假說(shuō))，德國(guó)學(xué)者哈克(W.Hack)和吉里策爾(G.Gillitzer)提出壓力拱假說(shuō)，德國(guó)學(xué)者施托克(K.Stoke)提出懸臂梁假說(shuō)，前蘇聯(lián)學(xué)者庫(kù)茲涅佐夫提出鉸接巖塊假說(shuō)，比利時(shí)學(xué)者久拉巴斯提出預(yù)成裂隙假說(shuō)，我國(guó)學(xué)者錢鳴高提出砌體梁假說(shuō)及在此基礎(chǔ)上發(fā)展的關(guān)鍵層理論。這些有關(guān)采場(chǎng)上覆巖層活動(dòng)規(guī)律的假說(shuō)，在不同時(shí)期由不同國(guó)籍的學(xué)者以不同的理論依據(jù)相繼提出，從中可以得出的哲理是，“橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同”，人們對(duì)客觀事物的認(rèn)識(shí)，總要受主觀條件和客觀條件制約。?因此，在認(rèn)識(shí)自然規(guī)律的過(guò)程中，對(duì)于同一研究對(duì)象，常有多種解釋或假說(shuō)共存，都有其優(yōu)勢(shì)和局限性，不可避免地形成相互競(jìng)爭(zhēng)或?qū)χ诺木置妫珜?duì)同一問(wèn)題的認(rèn)識(shí)深化過(guò)程，又會(huì)出現(xiàn)也就是多種解釋逐個(gè)更替融合的過(guò)程。一個(gè)現(xiàn)象的說(shuō)明和解釋有時(shí)是需要多個(gè)學(xué)科的定律拼湊在一起來(lái)共同說(shuō)明的［7］，目前巖層控制的核心理論“關(guān)鍵層理論”是在總結(jié)鉸接巖塊假說(shuō)、預(yù)成裂隙假說(shuō)和砌體梁理論的成果，并建立在大量現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的基礎(chǔ)上提出的。

(二)“過(guò)猶不及”的支架工作阻力

為限制采場(chǎng)頂板下沉量過(guò)大、防止有害松動(dòng)，支架要對(duì)頂板提供支撐力，受頂板壓力作用而支架上產(chǎn)生的載荷(反抗力)稱為支架工作阻力，支架所能承受的最大載荷稱為支架額定工作阻力。工作阻力是支架設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，是否工作阻力越大越好，也就是采場(chǎng)支架的能承受的載荷越大，采場(chǎng)頂板下沉量越小呢?現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明，支架工作阻力與頂板下沉量總體成反比關(guān)系，在某一支架工作阻力以上，工作阻力增加，頂板下沉量減小甚微，在某一工作阻力以下，工作阻力降低，頂板下沉量則急劇增加。從中可以看出哲學(xué)上所講的“度”在其中的體現(xiàn)，質(zhì)量互變規(guī)律認(rèn)為，度是質(zhì)和量的統(tǒng)一，一方面要堅(jiān)持適度原則，不隨便破壞“度”，另一方面又不要把“度”凝固化，從而阻礙事物向前發(fā)展。中國(guó)古代的孔子講究“過(guò)猶不及”的“中庸之道”，認(rèn)為事情做得過(guò)頭，就跟做得不夠一樣，都是不合適的。支架工作阻力不足，不可避免的會(huì)造成采場(chǎng)頂板垮塌事故，而支架工作阻力過(guò)大，并不能更好地改善采場(chǎng)頂板狀況，相反地造成支護(hù)成本過(guò)大，反而得不償失。

(三)“堅(jiān)車能載重渡河不如舟”與液壓支架選型

液壓支架是用來(lái)控制采場(chǎng)礦山壓力的結(jié)構(gòu)物，由支柱、底座與頂梁聯(lián)合為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，能可靠而有效地支撐和控制工作面的頂板，隔離采空區(qū)，防止矸石進(jìn)入回采工作面和推進(jìn)輸送機(jī)。液壓支架的形式與種類很多，按架型結(jié)構(gòu)與圍巖關(guān)系可分為支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式3類。這3 類支架各有各的適用條件，支撐式液壓支架支撐力大，反復(fù)支撐次數(shù)多，不能承受水平推力，故適宜堅(jiān)硬有來(lái)壓頂板，不適宜破碎頂板;而掩護(hù)式式液壓支架通風(fēng)斷面小、支架空間小結(jié)構(gòu)、可承受一定水平推力，故適宜破碎頂板或再生頂板情況。從中可以得出的哲理是，“堅(jiān)車能載重，渡河不如舟”，要善于認(rèn)識(shí)自己，客觀、公正、正確的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)自己，既要看到自己的長(zhǎng)處，又要看到自身的缺點(diǎn)和不足;要善于發(fā)現(xiàn)自己的長(zhǎng)處和優(yōu)勢(shì)，做到揚(yáng)長(zhǎng)避短，用人之道也是一樣的，用人之長(zhǎng)，避人之短。支撐式液壓支架如果用在破碎頂板，由于支架反復(fù)支撐，導(dǎo)致直接頂更易破碎，采空區(qū)矸石常竄入工作面，支護(hù)效果還不如單體支架。

三 矛盾美－礦壓理論的發(fā)展動(dòng)力源

生話中有許多矛盾現(xiàn)象，但也是美的。茫茫林海，萬(wàn)木參差差，雜草叢生，藤蔓錯(cuò)綜，可謂矛盾重重，但正是這蕪蔓雜亂的矛盾，造成了大森林幽深雄渾的氣勢(shì)，給人以震撼人心的美感。和諧的美，能使人賞心悅目，但在特定的條件下，矛盾沖突的美，則更能勾心攝魂。同時(shí)，矛盾沖突也能構(gòu)成統(tǒng)一和諧，而且是本質(zhì)上的和諧。古希臘哲人赫拉克得特說(shuō):“相排斥的東西結(jié)合在一起，不同的音調(diào)造成最美的和諧?！保?］礦山壓力學(xué)科的矛盾美體現(xiàn)在哪里呢?砌體梁理論，跨上采回采，沿空巷道，開(kāi)槽卸壓護(hù)巷技術(shù)，細(xì)究這些礦壓理論與礦壓控制技術(shù)，無(wú)不富有矛盾美的絢麗色彩。下面以鉆孔卸壓進(jìn)行巷道維護(hù)為例來(lái)說(shuō)明礦山壓力學(xué)科的矛盾美。

長(zhǎng)期以來(lái)，煤礦中進(jìn)行巷道維護(hù)的主要手段是對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)和對(duì)圍巖進(jìn)行加固，如采用打錨桿、架金屬棚、噴射混凝土等，但在某些困難條件下，即使對(duì)巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)和加固圍巖，巷道維護(hù)仍然很困難，變形依然嚴(yán)重。礦壓學(xué)者提出在巷道圍巖體的適當(dāng)部位主動(dòng)開(kāi)鑿一定尺寸的深槽，這相當(dāng)于破壞了原有圍巖的完好性，這不是雪上加霜嗎?開(kāi)槽使巷道原有部分圍巖進(jìn)一步破壞，但巷道更易于維護(hù)，這不是自相矛盾嗎?事物矛盾的法則，即對(duì)立統(tǒng)一的法則，正如事物的矛盾法則中“動(dòng)”和“靜”、“好”和“壞”等總是相對(duì)的，它們常借助各自的矛盾的一面來(lái)顯示和肯定自己的存在，相反相成。

圖1 切槽對(duì)圓形巷道切向應(yīng)力的影響

巷道周邊圍巖開(kāi)槽卸壓的力學(xué)原理，是使原來(lái)作用于周邊圍巖的高應(yīng)力向卸壓區(qū)以外的巖體深部轉(zhuǎn)移，是以巷道周邊巖體的完整結(jié)構(gòu)被破壞為代價(jià)的，圖1表明有切槽巷道周邊圍巖切向應(yīng)力比無(wú)切槽時(shí)顯著降低。開(kāi)槽卸壓的實(shí)踐把“壞”和“好”這2 種相矛盾、相對(duì)立的現(xiàn)象統(tǒng)一起來(lái)，使開(kāi)槽的“壞”和“好”從矛盾走向和諧美。

四 結(jié) 語(yǔ)

科學(xué)美客觀地存在于人類創(chuàng)造的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和發(fā)明之中，它是人類在探索、發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律過(guò)程中所創(chuàng)造的成果顯現(xiàn)。任意打開(kāi)一頁(yè)現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展史，我們都能感受到科學(xué)美的存在，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，普朗克的量子論和歐幾里德的幾何學(xué)都被人們稱為“科學(xué)的藝術(shù)品”。［2］如同藝術(shù)，科學(xué)也用美改善生活的基調(diào)與品質(zhì)，都用美增強(qiáng)人的心智，陶冶人的情操，提升人的道德與精神，使人得到全面的改善。應(yīng)該看到，面對(duì)“科學(xué)的藝術(shù)品”，有的人會(huì)產(chǎn)生一種強(qiáng)烈的美感，而有的人卻渾然不知。美是一種感受，是我們對(duì)這個(gè)世界的所有美好感受，美就在我們身邊，不是在于缺少而在于缺少感受。只要用心，有熱情，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)原似枯燥無(wú)味的礦山壓力學(xué)科充滿著無(wú)限的美與魅力，它的美將賦予教者以活力，賦予學(xué)者以動(dòng)力。馬克思曾指出:“人類是按美的規(guī)律去改造世界的?！痹诮虒W(xué)中向?qū)W生宣揚(yáng)傳播礦山壓力學(xué)科中的“美”，培養(yǎng)學(xué)生的美學(xué)思維，讓學(xué)生帶著快樂(lè)的體驗(yàn)和美的情感去學(xué)習(xí)礦壓，讓學(xué)生對(duì)礦山壓力學(xué)科的理解在科學(xué)審美思維中得到飛躍和升華。

［1］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

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［4］石麗華，羅見(jiàn)今.論《天工開(kāi)物》中的生態(tài)技術(shù)思想及其現(xiàn)實(shí)意義［J］.內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)漢文版)，2004，36(4):514 －518.

［5］錢鳴高.矢志煤海六十載 嘔心科教心不歇［EB/OL］.http://news.bjx.com.cn/html/20121121/403058.shtml＇2012 －11 －21.

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