基于數(shù)值試驗的地礦類專業(yè)巖石力學(xué)實驗教學(xué)改革

楊永康, 張百勝, 段 東, 康天合, 季春旭, 郭俊慶

(1. 太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所, 山西 太原 030024；2. 中國礦業(yè)大學(xué)(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(xué)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(xué)是地礦類專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程,如果能學(xué)以致用,將利于提高理解、分析、解決工程問題的能力。當(dāng)前巖石力學(xué)和礦山壓力相關(guān)學(xué)科教學(xué)中,由于試驗與現(xiàn)場條件的限制,教師只能對其理論進(jìn)行系統(tǒng)講解。而巖石力學(xué)類課程涉及知識面廣,一般苦澀難懂且需要良好的數(shù)學(xué)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(zāi)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(xué)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(xué)檔案資料非常少。

巖石的宏觀破裂是由微細(xì)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(yīng)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(jìn)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(xué)[6-7]。

我校在地礦類專業(yè)巖石力學(xué)、礦山壓力與巖層控制、礦壓測試技術(shù)的實際教學(xué)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(xué)活動中。

1 巖石力學(xué)實驗教學(xué)存在的問題

巖石力學(xué)實驗教學(xué)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(zāi)害的演化過程,而室內(nèi)試驗由于儀器設(shè)備少,很難保證所有學(xué)生參與,往往達(dá)不到應(yīng)該完成的實驗教學(xué)目標(biāo)。

(1) 實驗室管理體制不健全,實踐教學(xué)投入不足。巖石力學(xué)實驗教學(xué)體系、實驗室建設(shè)、實驗人員分屬于不同管理部門,制約了科研與教學(xué)實驗的發(fā)展。提高實驗設(shè)備利用率方面沒有有效措施,導(dǎo)致實驗設(shè)備閑置,并出現(xiàn)實驗室重復(fù)建設(shè)，但依然難滿足要求,實驗教學(xué)質(zhì)量難取得突破。巖石力學(xué)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(xué)實驗教學(xué)經(jīng)驗；巖石力學(xué)試驗機(jī)價格昂貴,本科實驗教學(xué)投入偏少。

(2) 學(xué)生基數(shù)大、實驗教學(xué)靠講解和演示。巖石力學(xué)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(jìn)行,學(xué)生不可能操作試驗機(jī)；巖石試件加工困難,測試實驗成本高，且測試精度低,學(xué)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(xué)條件不利于培養(yǎng)學(xué)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(jī)制不同,非均質(zhì)巖石力學(xué)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(shè)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(xué)模式導(dǎo)致學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性受挫,不少學(xué)生敷衍了事、蒙混過關(guān),很難達(dá)到實驗教學(xué)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(yīng)力、能量、破壞等重要信息無法顯現(xiàn),更不可能重復(fù),導(dǎo)致學(xué)生難以理解,甚至覺得深不可測。

隨著現(xiàn)代計算機(jī)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(xué)實驗教學(xué)中。

2 教學(xué)方法的改進(jìn)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(xì)破裂(實現(xiàn)“神似”),真實再現(xiàn)微破裂發(fā)展演化并導(dǎo)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(xué)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(xué)實驗的輔助教學(xué)。

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(xué)生的實驗結(jié)果會有明顯差異,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并杜絕了學(xué)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(xué)”的真正目標(biāo)是提高對工程問題的認(rèn)知程度,并提出可靠的工程治理思路。在巖石力學(xué)數(shù)值試驗的基礎(chǔ)上,給定實際工程條件,讓學(xué)生自主分析工程問題,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)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(xué)”“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(xué)過程中,嘗試將該技術(shù)應(yīng)用到實驗輔助教學(xué)中,實現(xiàn)巖石力學(xué)實踐教學(xué)的模式化、系統(tǒng)化。通過理論分析、數(shù)值試驗教學(xué),開展巖石力學(xué)與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律開放性實驗,使學(xué)生有隨身攜帶的數(shù)值試驗機(jī),遇到工程問題能夠快速分析,加強學(xué)生的研究性學(xué)習(xí),啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

教師在巖石力學(xué)類課程中完成基本理論模型的講解以后,布置實驗任務(wù)。其他教學(xué)過程均以學(xué)生為主體。在該教學(xué)實驗平臺取得較好實踐效果,具體思路與教學(xué)流程如圖1所示。以此為平臺,突出知識交叉和復(fù)合型能力結(jié)構(gòu)的培養(yǎng),將興趣小組、科技創(chuàng)新、科學(xué)研究、學(xué)生社團(tuán)、各類競賽、學(xué)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(xué)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(xué)習(xí)

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(xué)試驗的基礎(chǔ)上,采用理想化的模式建立了經(jīng)典的理論模型與判斷準(zhǔn)則,但面對復(fù)雜的工程問題,巖石力學(xué)依然顯得無能為力,巖石力學(xué)還需要進(jìn)一步完善。

在實驗視頻教學(xué)的基礎(chǔ)上,詳細(xì)闡述經(jīng)典理論力學(xué)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(rèn)識偏差。將微破裂—宏觀破裂的漸進(jìn)破壞模型以及將與變形、破裂等有關(guān)的應(yīng)力、應(yīng)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(jī)理的理解,如圖2所示。

給學(xué)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(xué)機(jī)理,并真實反演巖石基礎(chǔ)試驗參數(shù),如圖3所示。

圖1 實驗教學(xué)的整體思路與教學(xué)流程

圖2 巖石試樣加載破壞中應(yīng)力應(yīng)變、聲發(fā)射及滲透率變化曲線

圖3 非標(biāo)準(zhǔn)試件壓縮破裂過程模擬

2.3 以工程問題激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

巖石力學(xué)來源于工程實踐,經(jīng)過不斷完善以后又指導(dǎo)工程生產(chǎn),因而在巖石力學(xué)的教學(xué)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(fù)雜條件下的圍巖應(yīng)力與破壞過程。學(xué)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(yīng)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(xué)生甚至自己設(shè)計了更加復(fù)雜的工程問題模型,進(jìn)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(xué)生認(rèn)清支護(hù)與圍巖關(guān)系的本質(zhì)。學(xué)生通過模擬“錨桿、錨索”等不同支護(hù)形式下支護(hù)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(yù)應(yīng)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(hù)結(jié)構(gòu)模型[8-9]。

圖5 錨桿錨索支護(hù)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,真正提高了學(xué)生對工程問題的理解與認(rèn)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(xué)與科研互相促進(jìn)、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(shè)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(xué)實踐中,可以給巖石力學(xué)實驗課程注入新的活力,有利于增強課堂活力、提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、擴(kuò)展學(xué)生視野、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維、增強學(xué)生專業(yè)信心,加強學(xué)生對工程問題的理解程度,培養(yǎng)學(xué)生實踐動手與工程思維能力。

根據(jù)大厚度泥巖頂板支護(hù)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(hù)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(kuò)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(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)并模擬了對應(yīng)的數(shù)值試驗(如圖7所示),提高了學(xué)生對實際問題的分析能力。

圖6 不同支護(hù)方式下巷道圍巖破壞演化過程的物理試驗

圖7 不同支護(hù)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(xué)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(xué)教學(xué)中,能夠提高學(xué)生的實驗興趣,提高教學(xué)質(zhì)量。便攜式數(shù)值試驗機(jī)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(xué)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(xué)。物理試驗、數(shù)值試驗與理論模型需要互相補充、互相促進(jìn)。

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(dǎo)和幫助,在此表示誠摯的感謝。

[1] 賈喜榮.巖石力學(xué)與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2010.

[2] 左建平,祝捷,劉升貴.礦山工程的斷裂力學(xué)教學(xué)方法[J].高教論壇,2014(11):22-25.

[3] 白雁,張娟,潘瑾.“虛擬實驗室”在高校儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2011,28(12):169-174.

[4] 商翔宇,鄭秀忠,梁恒昌.土力學(xué)本科教學(xué)有限元仿真軟件的開發(fā)與應(yīng)用[J].高等建筑教育,2014,23( 2):136-139.

[5] 唐春安,王述紅,傅宇芳.巖石破裂過程數(shù)值試驗[M].北京: 科學(xué)出版社,2003.

[6] 李連崇,馬天輝,梁正召,等.基于數(shù)值仿真的土木工程實驗教學(xué)改進(jìn)與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(7):83-86.

[7] 張永彬,唐春安,張懷,等.巖石破裂過程分析系統(tǒng)中的應(yīng)力并行求解[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006,25(3):479-483.

[8] 蘇學(xué)貴,宋選民,李浩春,等. 特厚松軟復(fù)合頂板巷道拱—梁耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2014,33(9):1828-1836.

[9] 蘇學(xué)貴.特厚復(fù)合頂板巷道圍巖穩(wěn)定性控制[M].北京:科學(xué)出版社,2014.

[10] 楊永康,季春旭,康天合,等.大厚度泥巖頂板煤巷破壞機(jī)制及控制對策研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011,30(1):58-67.