巖石力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革與探索

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(duì)于工科專業(yè)，利用工程現(xiàn)場(chǎng)形成經(jīng)典教學(xué)案例，可提高學(xué)生能動(dòng)性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)其解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的能力，加深其對(duì)工程問(wèn)題和科學(xué)問(wèn)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(duì)礦業(yè)類專業(yè)學(xué)生巖石力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)課程的案例教學(xué)改革對(duì)策，指出經(jīng)典工程現(xiàn)場(chǎng)案例教學(xué)和探討式教學(xué)是巖石力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革需要重點(diǎn)關(guān)注的。煤層水力壓裂、開(kāi)采擾動(dòng)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(wèn)題可作為經(jīng)典案例選取的對(duì)象。

關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)；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(hào)：G642 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(shí)驗(yàn)是一門(mén)針對(duì)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(lái)研究巖石的拉、壓、剪及巖層移動(dòng)等基本破壞過(guò)程及礦山工程方面相關(guān)力學(xué)問(wèn)題，本課程可以達(dá)到更好地了解巖石破壞過(guò)程和巖石力學(xué)性質(zhì)，加深巖石力學(xué)理論知識(shí)，增強(qiáng)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的目的。同時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬方法不僅能再現(xiàn)已知現(xiàn)象，而且對(duì)由于時(shí)間、成本和難度等原因，很難通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)或物理試驗(yàn)反映未知現(xiàn)象。巖石力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)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(duì)未知現(xiàn)象的探索。

一? 目前課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

該課程的實(shí)驗(yàn)課為36個(gè)學(xué)時(shí)，學(xué)時(shí)分配情況見(jiàn)表1。由表1可知，目前該實(shí)驗(yàn)課分為演示型和研究型兩種模式，課程主要側(cè)重于兩個(gè)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(cè)試實(shí)驗(yàn)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(cè)試。

巖石力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法采用在2～3學(xué)時(shí)內(nèi)由教師講解后學(xué)生完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生主要通過(guò)圍觀老師操作進(jìn)行學(xué)習(xí)，該過(guò)程的學(xué)習(xí)缺乏能動(dòng)性更談不上創(chuàng)新性。缺乏在如巖石力學(xué)、礦床開(kāi)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(shí)驗(yàn)。目前巖石力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)課未涉及煤層開(kāi)采擾動(dòng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)改革必要性分析

巖石力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)是礦業(yè)類專業(yè)的一門(mén)巖石力學(xué)應(yīng)用課程[4-5]。隨著開(kāi)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(shí)，巖石力學(xué)面臨以下緊迫問(wèn)題：①深部高應(yīng)力下頁(yè)巖或煤層脆性與可壓性評(píng)價(jià)；②動(dòng)力擾動(dòng)、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(zhǎng)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(wèn)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(shí)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(duì)巖石物性結(jié)構(gòu)的影響，而關(guān)于深部開(kāi)采過(guò)程中巖體力學(xué)性質(zhì)的研究甚少。深部開(kāi)采過(guò)程中的巖石力學(xué)特性已成為安全高效開(kāi)采煤炭資源必須考慮的重要方面[5-6]，為煤礦井下開(kāi)采過(guò)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(kāi)采方案的編制提供重要依據(jù)。對(duì)礦業(yè)工程專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，數(shù)值模擬試驗(yàn)是在學(xué)習(xí)巖石力學(xué)、礦床開(kāi)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(shí)驗(yàn)是一門(mén)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(yàn)的相關(guān)內(nèi)容在礦業(yè)工程中的應(yīng)用。通過(guò)巖石力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，學(xué)生可學(xué)會(huì)將理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，同時(shí)培養(yǎng)其應(yīng)用數(shù)值試驗(yàn)方法解決實(shí)際工程問(wèn)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(shí)驗(yàn)所涉及的基本概念、理論和方法，提高其專業(yè)理論知識(shí)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(guò)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(duì)巖石力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)基本原理的了解；把礦業(yè)工程的現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題與數(shù)值模擬分析聯(lián)系起來(lái)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解。

三? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案

巖石力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革可從工程現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)典案例和探討式教學(xué)著手。根據(jù)研究過(guò)程中面對(duì)的實(shí)際工程問(wèn)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(kāi)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(chǎng)形成主要原因。水力壓裂是一個(gè)典型的礦業(yè)工程巖石力學(xué)問(wèn)題，煤層中高壓水水壓大于地應(yīng)力時(shí)，煤層被壓開(kāi)形成大范圍裂隙，透氣性系數(shù)相應(yīng)增大。

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

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

采場(chǎng)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(chǎng)礦壓顯現(xiàn)問(wèn)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(duì)揭示誘發(fā)礦壓產(chǎn)生機(jī)制具有實(shí)際意義。數(shù)值模擬試驗(yàn)可對(duì)采動(dòng)過(guò)程中的塑性區(qū)、能量釋放規(guī)律及覆巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行研究，能夠揭示巖層破斷運(yùn)動(dòng)與強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)研究結(jié)果可描述煤層開(kāi)采后圍巖的損傷、破裂全過(guò)程及特厚煤層綜放開(kāi)采大空間采場(chǎng)覆巖物理場(chǎng)時(shí)空演化規(guī)律；利用數(shù)值模擬對(duì)不同主控巖層抗壓強(qiáng)度、層位、厚度及采高下覆巖位移場(chǎng)、垂直應(yīng)力場(chǎng)、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(chǎng)礦壓顯現(xiàn)時(shí)空關(guān)系，具體如圖2所示。

通過(guò)學(xué)習(xí)特厚煤層堅(jiān)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(duì)特厚煤層、礦壓顯現(xiàn)、堅(jiān)硬頂板和覆巖結(jié)構(gòu)等概念的掌握程度，增強(qiáng)其對(duì)初次來(lái)壓步距、周期來(lái)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(kāi)采時(shí)，解決邊坡安全問(wèn)題其是實(shí)現(xiàn)礦山安全開(kāi)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(duì)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(shí)際意義。利用RFPA邊坡巖體應(yīng)力場(chǎng)、損傷場(chǎng)數(shù)值分析方法，依托露天礦典型硬巖高陡邊坡實(shí)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(dòng)前兆之間的內(nèi)在關(guān)系；探尋巖體“空間”損傷劣化過(guò)程中微震活動(dòng)、強(qiáng)度減弱與邊坡動(dòng)態(tài)失穩(wěn)過(guò)程之間的關(guān)系，具體如圖3所示。

通過(guò)上述分析可知，通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的方式再現(xiàn)水力壓裂煤層或巖層過(guò)程、特厚煤層堅(jiān)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(duì)巖石力學(xué)知識(shí)點(diǎn)的掌握，而目前該課程沒(méi)有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課。本文通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)值實(shí)驗(yàn)方案，使學(xué)生深入地掌握了相應(yīng)的巖石力學(xué)知識(shí)點(diǎn)。

4? 動(dòng)力擾動(dòng)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(yàn)，研究工作面分別由斷層上盤(pán)和斷層下盤(pán)向斷層推進(jìn)時(shí)，工作面開(kāi)采對(duì)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(guò)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(dòng)力擾動(dòng)對(duì)斷層穩(wěn)定性、瓦斯運(yùn)移及突出的作用機(jī)制。研究工作面經(jīng)過(guò)斷層時(shí)斷層影響帶內(nèi)瓦斯運(yùn)移及煤與瓦斯突出滲流-應(yīng)力-損傷規(guī)律，揭示動(dòng)力擾動(dòng)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(dòng)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(dòng)力擾動(dòng)下斷層活化煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的判據(jù)，進(jìn)一步為動(dòng)力擾動(dòng)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(cè)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(guò)與學(xué)生交流和討論工程案例的過(guò)程，探索式教學(xué)模式增強(qiáng)了師生之間的互動(dòng)，提高了學(xué)生對(duì)課程的興趣。通過(guò)學(xué)習(xí)相應(yīng)的理論知識(shí)、解決手段可為今后工作解決實(shí)際問(wèn)題提供支持。目前巖石力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)課程雖然覆蓋面廣，涉及的理論知識(shí)豐富，但同時(shí)面臨課時(shí)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(dòng)學(xué)習(xí)的興趣等問(wèn)題。

通過(guò)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(shí)，使用巖石力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)對(duì)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(duì)專業(yè)知識(shí)的了解，為就業(yè)提供基礎(chǔ)。通過(guò)探討式教學(xué)方式，在課程實(shí)踐中對(duì)工程案例進(jìn)行剖析，最終完善案例的設(shè)計(jì)和實(shí)施方案。具體如下。

一是優(yōu)化完善實(shí)踐教學(xué)實(shí)施方案，綜合考慮結(jié)合巖石力學(xué)工程設(shè)計(jì)到的工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，編寫(xiě)新的教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，實(shí)驗(yàn)類型對(duì)增加可鍛煉學(xué)生創(chuàng)造力和積極性的設(shè)計(jì)性及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。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(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)為背景的巖石力學(xué)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，設(shè)置不同實(shí)驗(yàn)條件，增加學(xué)生的動(dòng)手機(jī)會(huì)，在加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本實(shí)驗(yàn)方法和技能的認(rèn)識(shí)的同時(shí)可以培養(yǎng)其對(duì)專業(yè)的興趣，最終達(dá)到提高綜合分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和推陳出新的能力的目的。

四? 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)目前巖石力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出了實(shí)驗(yàn)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(shí)施步驟及優(yōu)點(diǎn)。該方案可提高礦業(yè)類學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性和創(chuàng)新性，培養(yǎng)其提高綜合分析問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 許成元，佘繼平，張浩.“巖石力學(xué)”課程科研——教學(xué)一體化案例教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇，2020（28）：165-166.

[2] 王登科，于充，左偉芹.《巖石力學(xué)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（19）：37-38.

[3] 東曉虎，劉慧卿，黃世軍，等.碳中和背景下高校能源類專業(yè)教學(xué)改革思考——以石油工程專業(yè)為例[J].教育教學(xué)論壇，2022（10）：51-54.

[4] 呂鵬飛，王文才.工科專業(yè)“巖石力學(xué)”課程“理論+實(shí)驗(yàn)+實(shí)踐”教學(xué)改革模式探討——以內(nèi)蒙古科技大學(xué)采礦工程專業(yè)為例[J].科技與創(chuàng)新，2020（11）：76-77.

[5] 包春燕，羅琳，李安原，等.基于數(shù)值實(shí)驗(yàn)的本科“巖石力學(xué)”教學(xué)模式改革探討[J].紹興文理學(xué)院學(xué)報(bào)（教育版），2020，40（1）：57-62.

[6] 楊永康，張百勝，段東，等.基于數(shù)值試驗(yàn)的地礦類專業(yè)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（6）：211-214，230.

[7] 鄔忠虎，婁義黎.基于數(shù)值試驗(yàn)的巖石力學(xué)教學(xué)模式改革[J].高教學(xué)刊，2021，7（21）：118-121.

[8] 夏宏泉，梁利喜，么勃衛(wèi).石油工程“巖石力學(xué)”課程的教學(xué)改革研究[J].教育教學(xué)論壇，2019（42）：102-103.

[9] 朱萬(wàn)成，唐春安，梁正召，等.應(yīng)用數(shù)值試驗(yàn)方法，推進(jìn)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)[J].力學(xué)與實(shí)踐，2004（2）：76-77.