《礦山工程力學(xué)》案例教學(xué)探索

摘要： 大型工程為《礦山工程力學(xué)》教學(xué)提供了大量實(shí)踐素材，實(shí)踐-理論-再實(shí)踐是工科專業(yè)最基本的研究方法，教學(xué)中需要重視學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，本文以“卡蘭尤卡爾”為例探討大型工程中的力學(xué)問題。傳統(tǒng)授課未充分認(rèn)識(shí)實(shí)踐對(duì)力學(xué)理論建立的重要性。在學(xué)習(xí)中，學(xué)生未注意理論問題與實(shí)際問題的差別和他們之間內(nèi)在的聯(lián)系，造成學(xué)生運(yùn)用力學(xué)理論解決工程實(shí)際問題的實(shí)踐能力差。本文闡述了引入大型工程實(shí)例的《礦山工程力學(xué)》教學(xué)方法，即教學(xué)內(nèi)容體系系統(tǒng)化、強(qiáng)化工程概念、重視教學(xué)方法改革，上述教學(xué)改革探索具有可行性，取得了較好的教學(xué)效果。

Abstract： Large engineering provides a large number of practical materials for Mine Engineering Mechanics. Practice-theory-repractice is the basic research method for engineering specialties. It is important to cultivate students' engineering practice ability in teaching. This paper takes "Karan Jo Karl" as an example to explore the mechanical problems in large-scale projects. Traditional teaching doesnt fully realize the importance of practice for establishing mechanics theory. In the study， students dont pay attention to the differences between theoretical problems and practical problems and their internal relations， which makes the practical ability of students to solve practical engineering problems by using mechanics theory is poor. This paper expounds the teaching method of Mine Engineering Mechanics which is introduced into large engineering examples. The teaching methods include systematization of teaching content system， strengthen of engineering concept， importance of teaching method reform. The above teaching reform exploration is feasible， and achieves good teaching effect.

關(guān)鍵詞： 教學(xué)改革；工科專業(yè)；教學(xué)方法；礦山工程力學(xué)

Key words： teaching reform；engineering specialty；teaching method；Mine Engineering Mechanics

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）04-0141-03

0 引言

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）《礦山工程力學(xué)》課程依托“煤炭資源與安全開采”、“深部巖土力學(xué)與地下工程”兩個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和“工程力學(xué)”國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科良好的科研環(huán)境，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到礦山工程力學(xué)突出基礎(chǔ)、兼顧礦業(yè)學(xué)科特色的特點(diǎn)。提高學(xué)生對(duì)礦山工程力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣與效率，使學(xué)生了解礦業(yè)背景的工程力學(xué)知識(shí)及工程科學(xué)發(fā)展史，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)自豪感。通過介紹礦山工程力學(xué)在大型工程的應(yīng)用，展現(xiàn)礦山工程力學(xué)專業(yè)教學(xué)內(nèi)容在地下安全開采工程、結(jié)構(gòu)支護(hù)工程、巖土邊坡的穩(wěn)定工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景，引導(dǎo)學(xué)生理解礦山工程力學(xué)的特點(diǎn)、研究方法，取得了較好的教學(xué)效果。

《礦山工程力學(xué)》課程分五個(gè)專題開展課程教學(xué)，內(nèi)容涉及①礦山工程力學(xué)概論；②典型大壩、隧道工程案例；③深部開采面臨的難題、巷道支護(hù)案例；④超級(jí)破碎機(jī)的力學(xué)機(jī)理及在選礦工程中的應(yīng)用；⑤超級(jí)鉆探平臺(tái)的力學(xué)機(jī)理及在石油天然氣鉆探工程中的應(yīng)用；⑥綜放長(zhǎng)臂法采煤涉及的力學(xué)問題，井巷工程，硐室工程及其支護(hù)。要求學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，樹立正確的專業(yè)意識(shí)，激發(fā)強(qiáng)烈的求知欲和濃厚的學(xué)習(xí)興趣，并對(duì)礦山工程力學(xué)有全面和系統(tǒng)的了解。本文以冰島“卡蘭尤卡爾”水力發(fā)電站工程為例，分析其大壩、引水隧道結(jié)構(gòu)，闡述其涉及的典型礦山工程力學(xué)問題。

1 “卡蘭尤卡爾”工程概述

利用冰島巨大的冰源河開發(fā)水電的設(shè)想已經(jīng)有50多年，并且早在30多年前，就首次提出了在冰島引進(jìn)高耗電型產(chǎn)業(yè)的建議?，F(xiàn)在，卡蘭尤卡爾工程即將使這些設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)?！翱ㄌm尤卡爾”水力發(fā)電站是歐洲一個(gè)大型水電工程，預(yù)計(jì)投資約14億美元，位于冰島東部的一個(gè)偏遠(yuǎn)地區(qū)。工程主要包括一座大壩和長(zhǎng)約73km的隧洞，并修建被認(rèn)為是世界上最深的鋼板襯砌豎井和地下廠房，廠房?jī)?nèi)安裝6臺(tái)115MW混流式水輪機(jī)。

該工程最初的計(jì)劃是兩個(gè)獨(dú)立的開發(fā)方案，分別利用弗廖茨達(dá)爾冰源河和達(dá)爾冰源河。這兩條河皆發(fā)源于瓦特納冰原，流經(jīng)約屈爾和弗廖茨河谷，在海岸形成常見的河口灣。如果實(shí)施這些計(jì)劃，則要建兩座獨(dú)立的電站，一座位于東部的埃亞巴卡爾濕地，另一座位于西部的豪爾斯地區(qū)。而目前在建的工程只需要建一座電站，同時(shí)將兩條河流連接起來[1-2]。地底發(fā)電廠建在水壩東北方25英里處一座小山的內(nèi)部，水壩蓄水后將水通過隧道引至山頂，然后順著發(fā)電廠的設(shè)計(jì)，沿著壓力管急轉(zhuǎn)直下，到達(dá)山底發(fā)電廠機(jī)組時(shí)將機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能。

2 “卡蘭尤卡爾”水力發(fā)電計(jì)劃

2.1 大壩

為了發(fā)電，在弗雷姆里卡蘭尤卡爾山附近建3座壩攔蓄達(dá)爾冰河的水。其中最大的一座是卡蘭尤卡爾大壩，位于哈夫拉瓦馬峽谷最南端，壩高193m，壩頂長(zhǎng)約730m。大壩為混凝土面板堆石壩，建成后將是歐洲同類壩中最高的，也是世界高壩之一。建造所用堆石是從庫(kù)區(qū)緊挨壩的上游開采的，石料用卡車運(yùn)送到工地填筑。另外，還將安裝皮帶輸送機(jī)為大壩輸送經(jīng)破碎和篩分的石料。

該工程將修建2座副壩，分別位于東面和西面，2座壩均為粘土心墻堆石壩。水庫(kù)蓄水面積57km2，滿庫(kù)容時(shí)，水位將達(dá)到海拔625m，水庫(kù)庫(kù)岸將延伸至布魯阿冰川的邊緣。

2.2 水庫(kù)

這3座壩將形成豪爾斯隆水庫(kù)。正常蓄水位為625m。據(jù)估計(jì)，在大多數(shù)年份，水庫(kù)都將在夏末蓄滿。當(dāng)水量過剩時(shí)，多余的水將通過卡蘭尤卡爾壩的溢洪道陡槽泄放至哈夫拉瓦馬峽谷的邊緣，再經(jīng)90m高的瀑布泄至谷底。

弗廖茨達(dá)爾冰源河在埃亞巴卡爾濕地北側(cè)的埃亞巴卡福斯瀑布下游2km處被筑壩攔斷，在該冰河?xùn)|側(cè)的3條支流上也建了壩，形成名為烏薩爾隆的水庫(kù)。

2.3 隧洞

引水隧洞全長(zhǎng)53km，埋深100～200m。豪爾斯隆水庫(kù)的水經(jīng)隧洞穿過弗廖茨達(dá)爾沼澤后，與經(jīng)隧洞來自烏薩爾隆水庫(kù)的水匯合，再經(jīng)一條東北走向的混合引水隧洞流入進(jìn)水口。2個(gè)鋼襯壓力豎井從進(jìn)水口處引水至地下電站。每個(gè)豎井深420m，此處工程總水頭599m。水流通過電站后，由一條尾水隧洞和尾水渠將水輸送至海拔26m的弗廖茨達(dá)爾冰河。

3 “卡蘭尤卡爾”工程涉及的問題

如何在極度傾斜的坡面上鋪設(shè)大量混凝土成為第一個(gè)工程難題。如圖1所示，利用反重力混凝土機(jī)器，又稱為“大巨人”，機(jī)器寬度近50英尺，由壩頂固定的絞車以時(shí)速六英尺的穩(wěn)定速度將其拉上墻面，工人可在混凝土機(jī)上進(jìn)行混凝土修平作業(yè)。機(jī)器一旦啟動(dòng)就不能停止，以免混凝土鋪設(shè)不均勻?qū)е聣误w出現(xiàn)裂縫。

在修建引水隧道時(shí)，需要挖掘的巖石是玄武巖，硬度極高。需要使用外號(hào)“啃食者”的大型盾構(gòu)機(jī)（如圖2），盾構(gòu)機(jī)重達(dá)620噸，全長(zhǎng)122m，前端切削轉(zhuǎn)盤直徑約8m，覆蓋硬化鋼制成的削刀，轉(zhuǎn)盤后方是推動(dòng)列車，液壓支柱和側(cè)面握爪能避免機(jī)器整體旋轉(zhuǎn)。

如圖3所示，三部鉆掘機(jī)的小組從不同的起點(diǎn)在同一條隧道中工作，但因?yàn)樵诘氐祝瑹o法衛(wèi)星定位，所以很難保證三部機(jī)器能完美打通一條隧道。測(cè)量員利用高端裝備以及復(fù)雜的計(jì)算，全程跟蹤和修正掘進(jìn)的方向。方法是確認(rèn)至少一點(diǎn)的位置，利用激光判定角度和距離，測(cè)定任一新點(diǎn)的確切位置，讓鉆掘機(jī)在水平面和垂直面都正確前進(jìn)。

最后在地下發(fā)電站部分，采用外號(hào)“大個(gè)”的鉆探機(jī)（如圖4）在山腹中挖出12000萬立方英尺的巖石，在地下600英尺進(jìn)行爆破作業(yè)，必須保證爆破的精準(zhǔn)。

4 由工程問題到力學(xué)問題

在反重力混凝土機(jī)器中，主要涉及的力學(xué)問題包括：絞車對(duì)反重力混凝土機(jī)器的“牽引力”，反重力混凝土機(jī)器在大壩坡面上的摩擦力等等。壩頂固定的絞車以時(shí)速六英尺的穩(wěn)定速度將反重力混凝土機(jī)器拉上墻面，可以得出反重力混凝土機(jī)器在坡面上是處于受力平衡的狀態(tài)，絞車對(duì)反重力混凝土機(jī)器的“牽引力”也就可以利用力學(xué)知識(shí)求出數(shù)值；在大型盾構(gòu)機(jī)中，主要包括削刀與玄武巖之間的摩擦力，后方的推動(dòng)列車對(duì)切削轉(zhuǎn)盤向前的力保證了削刀與巖石之間一直存在摩擦力只有削刀硬度足夠，才可以依靠它們之間的摩擦力來切割巖石，進(jìn)而開挖隧道；在進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，必須考慮地應(yīng)力的因素，地下結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，要想安全有效地在山腹中挖出12000萬立方英尺的巖石，必須在力學(xué)的基礎(chǔ)上通過計(jì)算機(jī)模擬地下場(chǎng)景。由此可見，任何大型工程的實(shí)施，都離不開力學(xué)的理論支持。

5 “卡蘭尤卡爾”工程小結(jié)

每一項(xiàng)偉大的工程都離不開人們的奇思妙想，都離不開克服重重的困難。工程施工的整個(gè)過程中，需要多個(gè)專業(yè)的知識(shí)融合，比如這個(gè)工程中，地質(zhì)學(xué)家進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)工作；測(cè)量員的記錄水位與掘進(jìn)機(jī)鉆掘過程中引水隧道的方位，以便成功實(shí)現(xiàn)對(duì)接；巖土工程師確定大壩混凝土的合理澆筑工序以及確定隧道爆破孔眼布設(shè)；同時(shí)，在水壩修建之后，那一個(gè)區(qū)域的生態(tài)改變對(duì)生物的影響，這就需要生態(tài)學(xué)家的工作。因此，一個(gè)偉大的工程需要多個(gè)學(xué)科的科技人員共同努力，各司所長(zhǎng)，才能克服遇到的重重困難，創(chuàng)造工程的奇跡。

6 認(rèn)識(shí)小結(jié)

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，培養(yǎng)適合我國(guó)社會(huì)發(fā)展所需要的高質(zhì)量的科技人才已成為高等教育研究的一項(xiàng)重要課題。在高等學(xué)校各學(xué)科的教學(xué)過程中，除了要教給學(xué)生必要的基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)外，還應(yīng)更加重視對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)[3-4]?！兜V山工程力學(xué)》教學(xué)過程中注重理論和工程實(shí)際緊密結(jié)合，課堂上筆者盡可能地介紹理論在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況，豐富理論的內(nèi)涵，突出力學(xué)理論的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)今社會(huì)，知識(shí)發(fā)展日新月異，新知識(shí)、新技術(shù)層出不窮，大型工程實(shí)例為課程教學(xué)提供了素材，同時(shí)綜合案例分析為鍛煉和培養(yǎng)青年學(xué)生的綜合技能是非常重要和必要的[5-8]。在課堂教學(xué)中采用實(shí)例教學(xué)，利用視頻、掛圖、力學(xué)模型等多種媒體增加學(xué)生的感知能力，加深對(duì)基本理論的理解和掌握[9-10]。在課堂講授通常以工程實(shí)例引入，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。對(duì)具體定理、推論的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程注重講思路、講方法、講要點(diǎn)。采用課題提問，讀書報(bào)告，大作業(yè)等方法，加強(qiáng)學(xué)生理解知識(shí)，應(yīng)用知識(shí)，特別是綜合性、創(chuàng)造性地應(yīng)用知識(shí)能力的培養(yǎng)。

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