《礦山巖石力學》典型案例庫建設與教學實踐

孫建， 趙光明， 劉增輝

(安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001)

一、案例建設意義

《礦山巖石力學》是高等學校采礦工程專業本科生必修的一門專業核心課程，它應用必要的力學知識研究巖石的力學特性以及工程巖體的變形和穩定性問題[1-2]。《礦山巖石力學》課程強調理論與實踐相結合，重視基本理論、基本知識和基本方法的教學，以及巖石工程設計構思、創新意識、實驗動手能力和設計技能的培養[3-4]。在《礦山巖石力學》課程教學過程中，大部分學生學習起來感到困難，對該課程缺乏興趣，學習敷衍了事，對基本理論內涵理解膚淺，不能學以致用，只會機械套用現有公式和理論，創新性、應用性更是無從談起。因此，有必要探索新的教學方法和理論，解決《礦山巖石力學》課程教學過程中遇到的上述問題，以期更加高效的實現《礦山巖石力學》課程的教學目標和教學達成度。

案例教學是一種運用案例進行教學的教學方法，通過具體現實問題的處理，激發學生學習和思考的興趣，讓學生學會綜合運用所學知識解決具體實際問題，有效培養學生的實踐、創新能力[5-6]。案例教學是解決當前我國本科生教育存在的創新能力培養不足、實踐能力較差的一種有效的教學手段和方法[7-8]。因此，針對《礦山巖石力學》課程教學過程中遇到的問題，有必要探索《礦山巖石力學》課程典型案例教學方法，激發《礦山巖石力學》課程的學習興趣，切實提高《礦山巖石力學》課程的教學質量，引導學生將所學知識用于理解和解決實際的工程問題。

二、案例建設現狀

近年來案例教學方法越來越多的被引入采礦工程專業課程的教學改革中。理論和實踐表明，在采礦學科的教學中采用案例教學法，可以顯著提高課堂教學質量，提升學生的素質，容易實現教學目標和教學達成度。趙耀龍等借鑒MBA的教學經驗，對案例教學在采礦工程專業課程中的實踐進行了探討，取得了良好的教學效果。戴小軍等在采礦工程專業變形監測與數據處理課程中，嘗試采用案例教學法，使得學生的平均成績和考試成績得到大幅提升，另外也增加了學生對具體實際問題的分析和創新。趙健赟等在采礦工程課程教學改革的研究中指出，通過案例教學可以提高學生的學習積極性，提高學生的創造力和自信心。劉國棟等嘗試通過引入案例教學法，培養采礦工程專業學生獨立觀察、分析和解決實際問題的綜合能力，促進課程教學質量的提高，并通過實踐發現基于案例的逆向教學有利于改變采礦工程專業的教學現狀，提升教學效果，實現課程教學目標達成度。

當前針對《礦山巖石力學》課程也有一些教學改革方面的研究，但在提高采礦工程專業本科生培養質量、綜合實踐能力方面顯的略有不足。案例教學是一種運用案例進行教學的教學方法，通過具體現實問題的處理，激發學生學習和思考的興趣，讓學生學會綜合運用所學知識解決具體實際問題，有效培養學生的實踐、創新能力。案例教學是集創新能力和綜合實踐能力培養為一體的優秀教學方法，已在各個行業領域的教學中得到廣泛應用。案例教學是解決當前我國本科生教育存在的創新能力培養不足、實踐能力較差的一種有效的教學方法和實施手段。因此，有必要將案例教學引入到《礦山巖石力學》課程教學中，將典型工程案例與《礦山巖石力學》知識點相結合，從案例搜集、篩選、整理、教材編寫、案例教學實施等方面開展一些基礎性的教學改革研究工作，構建《礦山巖石力學》典型案例庫，進行教學實踐，培養高素質的具有創新實踐能力的采礦工程專業人才。

三、前期開展工作

本校《礦山巖石力學》課程開設于上世紀70年代，當時開設的《礦山巖石力學》是采礦工程專業的基礎課程，也是地下工程施工、礦山壓力與巖層控制等課程學習的前期基礎性專業基礎課程。由于受教學條件限制，以課堂板書教學，配合適當的實驗教學為主。隨著我國經濟建設對采礦工程、地下空間工程等專業畢業生需求量的不斷增加，以及計算機網絡和媒體技術在教學過程中不斷使用，加之巖石力學基礎實驗室實驗設備的不斷完善與改進，《礦山巖石力學》課程的教學改革和質量提升迫在眉睫。運用現代教學理念，整合現有教學資源，充分利用先進手段，實現優質教學資源共享，是打造精品共享課程的指導方針。

目前，《礦山巖石力學》課程為采礦工程專業的必修課程，總學時48學時，分為課堂教學(40學時)和實驗教學(8學時)二個部分。其中課堂教學內容包括：緒論、巖石的基本物理力學性質、巖石的變形、巖石的強度理論、結構面的力學性質、巖體力學性質和巖體分類、原巖應力及其測量、軟巖力學、巖石動力學、巷道圍巖應力與穩定性、井巷地壓等，共11章內容。實驗教學內容主要包括：巖石試件加工與制備、巖石物理性質測定、巖石單軸力學性質測定、巖石三軸力學性質測定等，共4部分實驗內容。另外，該課程還兼顧到我校巖土工程、地下空間工程、礦井建設等相關專業課程的教學。課程教學內容涉及諸多專業、眾多環節，教學成果學生收益面廣。《礦山巖石力學》課程教學經驗及資源豐富，自制有《礦山巖石力學》多媒體課件，教學效果良好，并于2008年該課程被列為校級精品課程建設項目。另外，講授教師編有《礦山巖石力學》高等教育“十二五”規劃教材，已由中國礦業大學出版社出版(2015年)；《巖石力學試驗教程》也于2011年由化學工業出版社出版。巖石力學實驗室已建成巖石試樣加工與制備、巖石物理力學性質、巖石流變特性和巖石聲發射特性測定實驗室和多媒體教學實驗室，能夠高質量完成多種內容的《礦山巖石力學》實驗教學內容。同時，還編寫了《礦山巖石力學實驗指導書及實驗報告》，用于更好的指導學生完成相關的巖石力學實驗。

近10年來，本校采礦工程專業任課教師在兩淮礦區開展了大量科研工作，包括巷道圍巖物理力學性質測試、原巖應力測試、采場礦壓監測與巖層控制、礦井水害監測與防治、巷道礦壓監測與支護設計等，掌握了大量現場典型工程案例資料和監測數據，這些科研工作與《礦山巖石力學》課程授課知識點密切相關，為《礦山巖石力學》課程工程案例建設提供基礎保障和工程資料。

四、典型案例建設內容及相關知識點

結合《礦山巖石力學》課程相關知識點，建設以下7個方面的18個典型工程案例，初步構建了《礦山巖石力學》課程典型工程案例庫部分案例如下：

1.工程案例：淹井巷道圍巖物理力學性質

礦井透水事故：安徽淮北礦業集團桃園煤礦于2013年2月3日在南三采區掘進工作面發生底板透水事故。透水事故發生后，淮北礦業集團、桃園煤礦立即啟動應急預案，組織井下工人及時撤離，并全力搶險救援，443名井下工人成功安全升井、1人失蹤。同時，省、市相關部門領導立即趕赴現場，全力指揮救援。

桃園煤礦淹井后，井下巷道圍巖長期被水浸泡，導致巷道圍巖強度降低，出現嚴重變形、坍塌。案例以此為工程背景，講述水對巖石物理力學性質的影響，包括巖石的容重、孔隙度、水理性、透水性、流變等知識點；講述現場巖心取樣、標準巖樣加工與制作(包括取樣、加工設備、巖樣制備)，室內巖石試樣的物理力學性質測試(包括測試方法、數據分析及其物理意義)；依據室內巖石破壞特征，講述巖石強度理論，包括巷道圍巖應力、位移、流變特性及其監測方法、監測位置、監測設備等。此部分內容設計為4個典型工程案例。

2.工程案例：巖體力學性質測試

以望峰崗煤礦、潘三煤礦巖體力學性質測試為工程背景案例，講述現場巖體力學性質測試方法，區別巖石室內力學性質測試；通過巖體現場力學性質測試結果，講述采場圍巖分類及其影響因素與評價方法。此部分內容設計為3個典型工程案例。

3.工程案例：原巖應力測試

以桃園煤礦、口孜東煤礦原巖應力測試為工程背景案例，講述原巖應力測量、圍巖應力測量及其工程應用；原巖應力測量包括測量意義、測點選取、測量方法及數據分析，圍巖應力測量包括測量意義、測點選取、測量方法及數據分析；測量結果工程應用，包括巷道布置、應力、位移分布規律等。此部分內容設計為3個典型工程案例。

4.工程案例：傾斜采場圍巖控制

以桃園煤礦、望峰崗煤礦含斷層構造的傾斜采場圍巖控制為工程背景案例，講述煤系地層結構面傾角對巖體力學性質的影響及含結構面巖體的強度理論；講述結構面充填物對巖體力學性質的影響。此部分內容設計為2個典型工程案例。

5.工程案例：巷道圍巖控制

以孫疃煤礦巷道圍巖控制為工程背景案例，講述巷道斷面形狀對其應力、位移分布的影響規律，探測巷道圍巖分區破環；依據應力、位移分布，講述巷道支護設計與支護方式，包括錨桿、錨索設計參數及噴射混凝土等方法。此部分內容設計為2個典型工程案例。

6.工程案例：采場圍巖導水破壞裂隙探測

以桃園煤礦底板水害監測及防治為工程背景案例，講述含斷層等構造的采場圍巖導水破壞裂隙的探測方法與監測設備，包括并行網絡電法、瑞利波探測、超聲波探測等；依據現場探測結果，制定承壓水上底板突水預測與防治措施及開采實踐。此部分內容設計為2個典型工程案例。

7.工程案例：相似模擬試驗和數值模擬分析

以不同煤礦地質條件的相似模擬試驗和數值模擬分析為工程背景案例，講述相似模擬方法、相似材料配比、試驗過程監測與數據分析；講述數值模擬方法、模擬軟件、模擬過程監測與結果分析。此部分內容設計為2個典型工程案例。

五、典型工程案例教學實踐：以原巖應力測試為例

(一)案例名稱：原巖應力測試

(二)適用課程《礦山巖石力學》

摘要：隨著我國煤礦開采深度、開采強度的增大，以及深部地下工程的建設，地下巷道、峒室等構建物及其圍巖的穩定性受地下原巖應力及次生應力分布及其大小、方向的影響日益嚴重。采用現場原巖應力測試工程案例，講述原巖應力測試原理、方法及其工程實踐與應用。

(三)教學目標：掌握原巖應力測試原理、方法及工程應用。

(四)案例內容：原巖應力主要包括由于巖體自重引起的自重應力和由于地質構造作用引起的構造應力，它與巖體性質、埋深、構造方向和裂隙程度、流變特性以及構造形跡有關。此外，地形、褶皺、斷層、水壓力、熱應力等因素也影響原巖應力的狀態。對現場地質工程而言，原巖應力一般認為是由自重應力和構造應力疊加而成，巖體工程的穩定性主要考慮自重應力和構造應力的作用效果。

地下工程巖體開挖后，擾動破壞了原巖自然平衡受力狀態，一定范圍內的原巖應力將發生變化，變化后的應力將重新分布，形成次生應力(也稱為二次應力)。至今，還無法對原巖應力進行較為準確的理論分析和計算，多數依靠現場原巖應力的測量來建立地下工程巖體的初始應力分布及受力狀態。原巖應力待測定位置位于淮北礦業集團某礦二水平。準確掌握二水平的原巖應力分布規律，摸清原巖應力分布規律對巷道圍巖穩定性的影響，將對巷道穩定性控制，降低施工維護成本起到重要作用。原巖應力分布規律實測研究主要包括以下兩部分內容：根據對礦井地質條件的初步調查和分析，選取原巖應力測點；采用應力解除法進行原巖應力測量，包括測量方法、測量設備和監測數據分析等。

1.工程地質概況

某礦二水平煤巖層為傾向東的單斜構造，巖層傾角為18°～25°，平均傾角為20°，地層綜合柱狀如圖1所示。根據三維地震資料，該采區內共探測出7條斷層，落差在0～6 m范圍內，其中部分斷層落差較大。根據施工情況發現疑似陷落柱，疑似陷落柱寬達80 m，主要巖性為砂巖。二水平巷道位于10煤底板，上距10煤法距為13.5 m，下距一灰最小法距為20 m。巷道施工期間，除受少量煤系地層砂巖裂隙水影響外，主要水害威脅來源于底板灰巖水和疑似陷落柱導水，因疑似陷落柱切割了所有含水層(包括奧灰、太灰、煤系砂巖水層、四含)，使各含水層相互導通，但現在疑似陷落柱導水情況不明。

圖1 地層綜合柱狀圖

2.原巖應力測試

現場原巖應力測點選取、打鉆、空心包體安裝及應力解除過程，如圖2所示。將KX-81型空心包體三軸應變計安裝固定在鉆孔內24小時后，用巖心套管對裝有空心包體的巖體進行巖芯套取以便解除應力，應力解除過程中讀取空心包體的應變數據，4個測點(1#孔、2#孔、3#孔和4#孔)的應力解除過程曲線分別如圖3、4、5和6所示[9]。從應力解除過程曲線來看，4個空心包體三軸應變計上的三個應變花均工作正常。

圖2 原巖應力測試過程

圖3 1#孔應力解除過程曲線

圖4 2#孔應力解除過程曲線

圖5 3#孔應力解除過程曲線

圖6 4#孔應力解除過程曲線

3.測量結果及其分析

原巖應力解除工作完成后，將套芯取得的裝有KX-81型空心包體三軸應變計的巖樣進行彈模率定試驗。經過兩次加載和卸載循環試驗，通過獲得巖石的彈模率定曲線，便可測得巖石的彈性模量和泊松比。本次測試獲得的該礦4個測點的巖石力學參數(彈性模量和泊松比)，如表1所示。

表1 巖芯力學參數

依據中國科學院地質力學研究所研制的適應于空心包體應變計應力解除法的專用數據處理軟件，對空心包體應力解除過程中測量的數據進行處理分析，計算獲得4個測點的原巖應力分量，包括主應力的大小和方向，如表2所示。

依據原巖應力測量結果(表2)，可以獲得該礦二水平原巖應力分布規律如下，同時可以繪制某礦二水平原巖應力分布規律圖。

①軌運聯巷1#測點原巖應力(埋深923 m)最大主應力為30.73 MPa，方位角為84.45°，最小主應力大小為18.60MPa，方位角為174.85°，側壓系數約為1.39；軌道大巷2#測點原巖應力(埋深924 m)最大主應力為31.89 MPa，方位角為80.67°，最小主應力為18.26 MPa，方位角為171.80°，側壓系數約為1.45；軌道大巷3#測點原巖應力(埋深922 m)最大主應力為31.16 MPa，方位角為78.15°，最小主應力為17.59 MPa，方位角為167.69°，側壓系數約為1.42；皮帶大巷4#測點原巖應力(埋深90 m)最大主應力為30.36 MPa，方位角為82.89°，最小主應力為19.92 MPa，方位角為171.43°，側壓系數約為1.41。

②最大主應力方位角平均為81.54°，方向為在北東-南西向；最小主應力方位角平均為171.44°，方向為在北西-南東向；最大主應力傾角均值為5.19°，小于10°，表明該礦二水平最大主應力為水平應力；最小主應力傾角均值為9.76°，小于10°，表明最小主應力亦為水平應力。

③最大主應力是最小主應力的1.58～1.84倍，這說明該礦二水平水平應力具有較強的方向性；另外，隨著埋深的增加，垂直應力也隨之增大，中間主應力與垂直應力較為接近。

六、案例教學效果

采用《礦山巖石力學》課程中的《原巖應力測試》案例教學，學生不僅掌握了原巖應力測試的基本原理和測試方法，還將所學知識用于理解地下巷道、峒室等深部地下構建物及其圍巖變形破壞的機理及次生應力分布及其大小、方向對地下構建物的穩定性影響規律，極大提高了采礦工程專業本科生學習《礦山巖石力學》課程的興趣，更好的將所學知識用于理解和解決實際的工程問題，有效的培養學生的實踐創新能力。

近年來，學生普遍對該課程案例教學效果反映良好，相關任課教師教學評價優秀。通過該課程學習，加強和拓展采礦工程專業學生的專業基礎知識和聯系工程實際應用能力，為后續專業課學習奠定了基礎，畢業生受到用人單位的充分肯定。從近三年學生的200份問卷調查結果，可以看出：

(1)“教學認真負責，嚴格要求學生”評價結果，優占95.2%，良占3.6%，中占1.2%；

(2)“注意教學內容的內在聯系，突出重點，抓住重難點”評價結果，優占86.1%，良占12.4%，中占1.5%；

(3)“注意改進教學方法，啟發學生思維”評價結果，優占93.8%，良占4.8%，中占1.4%；

(4)“文字表達準確，條理清楚”評價結果，優占88.2%，良占10.2%，中占1.6%；

(5)“實踐教學目的和效果”評價結果，優占94.6%，良占4.2%，中占1.2%；

綜合評價結果，優占91.58%，良占704%，中占1.38%。

《礦山巖石力學》課程在原有基礎上，不斷完善課程體系，創新教學方法，充實教學內容。以工程案例為主線，在教學內容方面強調理論與實踐相結合，著重“三基”，即基本理論、基本知識和基本方法的教育，構建學生終身學習的基礎知識；在培養實踐能力方面重視巖石工程設計構思、創新意識、實驗動手能力和設計技能的培養。將真實情境下解決具體問題的工程案例與《礦山巖石力學》相關知識點相結合的案例庫教學模式，讓枯燥難理解的理論變成活生生的工程案例。《礦山巖石力學》采用案例教學后，課堂氛圍更活躍了，主動發言、問問題的學生增多了，期末考試平均成績較以往提高了5分左右，不及格學生人數由原來的一個班5人左右減少到現在的2人左右。同時，學生的課堂出勤率達到了100%，也更加喜歡上《礦山巖石力學》實驗課了。采用工程案例教學，有現場圖片，有研究過程，有實施效果，學以致用，增加了學生對《礦山巖石力學》知識點的理解程度，極大激發了學生的學習興趣，取得了較好的教學效果，更容易實現教學目標和教學達成度。

七、結論

《礦山巖石力學》課程是高等學校采礦工程專業本科生必修的一門專業核心課程，該課程強調理論與實踐相結合，重視基本理論、基本知識和基本方法的教學，以及巖石工程設計構思、創新意識、實驗動手能力和設計技能的培養。在《礦山巖石力學》課程學習過程中，大部分學生學習起來感到困難，對該課程缺乏興趣，學習敷衍了事，對基本理論內涵理解膚淺，不能學以致用，只會機械套用現有公式和理論，缺乏工程應用，創新性應用更是無從談起。

為此，基于工程案例教學方法，將真實情境下解決具體問題的工程案例與《礦山巖石力學》課程相關知識點相結合，構建《礦山巖石力學》典型案例庫，并進行教學實踐。采用典型工程案例講授《礦山巖石力學》相關知識點，教學效果較好，更容易實現教學目標和教學達成度，典型工程案例能極大激發學生學習《礦山巖石力學》課程的興趣，很好引導學生將所學知識用于理解和解決實際的工程問題，能有效培養學生的實踐創新能力。今后仍需深入探究《礦山巖石力學》工程案例教學方法，使得工程案例更好的融入該課程相關知識點的理論教學，處理好工程與課堂知識點的銜接過渡問題，并注意根據學科發展和工程現場情況，對現有教學工程案例進一步優化、整理、調整，定期更新工程案例庫。