巖石力學數值實驗教學模式的改革與探索

潘超 左宇軍 江澤標 孫文吉斌 李桐 李雪峰 嚴林

摘? 要：正確處理科研與教學關系是高校教師的重要工作。對于工科專業，利用工程現場形成經典教學案例，可提高學生能動性和創造性，培養其解決現場問題的能力，加深其對工程問題和科學問題的思考。該文基于高校教學、科研一體化的模式，提出針對礦業類專業學生巖石力學數值實驗課程的案例教學改革對策，指出經典工程現場案例教學和探討式教學是巖石力學數值實驗課程教學改革需要重點關注的。煤層水力壓裂、開采擾動下工作面覆巖結構及礦壓顯現規律、露天礦高陡邊坡穩定性等復雜工程問題可作為經典案例選取的對象。

關鍵詞：巖石力學數值實驗；教學改革；教學方法；數值模擬；探討式教學

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：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

巖石力學數值實驗是一門針對礦業類學生的專業選修課程[1-3]。其主要介紹了如何利用數字建模技術及數值方法來研究巖石的拉、壓、剪及巖層移動等基本破壞過程及礦山工程方面相關力學問題，本課程可以達到更好地了解巖石破壞過程和巖石力學性質，加深巖石力學理論知識，增強巖石力學實驗教學方法的目的。同時，通過數值模擬方法不僅能再現已知現象，而且對由于時間、成本和難度等原因，很難通過現場或物理試驗反映未知現象。巖石力學數值試驗可以很好地模擬未知的工程現象，研究結果可以深化對未知現象的探索。

一? 目前課程實驗教學內容

該課程的實驗課為36個學時，學時分配情況見表1。由表1可知，目前該實驗課分為演示型和研究型兩種模式，課程主要側重于兩個方面：一是RFPA2D軟件的原理及操作學習，如菜單、工具欄、功能及流程操作，掌握RFPA2D基本版的基本操作；二是巖石力學性能的測試實驗學習，如標準加載、特殊載荷加載、邊界載荷加載和任意載荷加載，進而進行力學參數及巖石抗拉強度測試。

巖石力學數值實驗教學方法采用在2～3學時內由教師講解后學生完成一個實驗項目。學生主要通過圍觀老師操作進行學習，該過程的學習缺乏能動性更談不上創新性。缺乏在如巖石力學、礦床開拓、礦床露天采礦、爆破工程及相似模擬等課程中引導學生進行數值模擬實驗。目前巖石力學數值實驗實驗課未涉及煤層開采擾動下工作面覆巖結構及礦壓顯現規律、水力壓裂、露天礦高陡邊坡穩定性的教學。

二? 實驗教學改革必要性分析

巖石力學數值實驗是礦業類專業的一門巖石力學應用課程[4-5]。隨著開采向深部推進，巖層構造變得復雜，眾多基本參數發生變化，如：地應力、彈性模量和抗壓強度。此時，巖石力學面臨以下緊迫問題：①深部高應力下頁巖或煤層脆性與可壓性評價；②動力擾動、不同地質狀況及高地應力條件下的巷道圍巖穩定性；③高應力水化條件下裂縫網絡的長效支撐；④深部巖層多組分微觀結構的力學作用機理，等等問題。適合淺部工程的力學系統已不再適用于深部工程圍巖，同時大部分傳統理論、方法與技術已經也不再適用。現有研究主要集中在深部環境中高溫、高壓對巖石物性結構的影響，而關于深部開采過程中巖體力學性質的研究甚少。深部開采過程中的巖石力學特性已成為安全高效開采煤炭資源必須考慮的重要方面[5-6]，為煤礦井下開采過程中的水力壓裂、瓦斯抽采、井巷支護、煤與瓦斯突出防治等工程技術確定及復雜地質條件下煤礦開采方案的編制提供重要依據。對礦業工程專業學生來說，數值模擬試驗是在學習巖石力學、礦床開拓、井巷工程、爆破工程及工程力學等專業課程前必須掌握的基本技能[7-9]。

巖石力學數值實驗是一門專業基礎應用課程，課程內容與巖石力學緊密結合。講授內容與巖石力學數值模擬的概念、理論、方法和原理相關，依托礦井沖擊地壓防治技術、井巷支護技術及煤與瓦斯突出防治技術等典型應用，系統介紹巖石力學數值模擬試驗的相關內容在礦業工程中的應用。通過巖石力學數值實驗課程教學，學生可學會將理論分析與數值模擬相結合的方法，同時培養其應用數值試驗方法解決實際工程問題的能力。該課程可達到以下目標：學生能系統掌握數值實驗所涉及的基本概念、理論和方法，提高其專業理論知識和能力；掌握RFPA2D等數值模擬軟件的基本原理，了解巖石破裂過程的基本規律；掌握RFPA2D、FLAC3D等數值模擬軟件的基本操作，增強對巖石力學數值實驗基本原理的了解；把礦業工程的現場問題與數值模擬分析聯系起來，加深對實驗原理的理解。

三? 實驗教學改革方案

巖石力學數值實驗課程教學改革可從工程現場經典案例和探討式教學著手。根據研究過程中面對的實際工程問題選取巖石力學數值模擬課程經典案例，選取依據可根據以下方面。

（一）? 經典案例

1? 水力壓裂煤層或巖層

水力壓裂技術雖在油氣開發中得到了廣泛使用，其效果也得到認可，但在復雜地質條件下的煤巖層中應用較少。煤巖體不連續面之間的貫通而形成的宏觀裂隙面是裂隙場形成主要原因。水力壓裂是一個典型的礦業工程巖石力學問題，煤層中高壓水水壓大于地應力時，煤層被壓開形成大范圍裂隙，透氣性系數相應增大。

通過巖石力學數值試驗模擬水力壓裂工程案例（圖1），可以加強學生對水力壓裂、抗壓強度、破壞準則和開采擾動等基本概念的掌握程度，同時加深對典型工程概念的理解。

2? 煤礦采場覆巖結構及礦壓顯現規律

采場覆巖結構形態及其穩定性受礦壓影響，特厚煤層每采一次就可釋放出較大的采出空間，導致覆巖垮落范圍較廣，容易出現結構破斷及采場礦壓顯現問題。確定上覆巖層破斷失穩與礦壓顯現之間的關系，對揭示誘發礦壓產生機制具有實際意義。數值模擬試驗可對采動過程中的塑性區、能量釋放規律及覆巖應力場進行研究，能夠揭示巖層破斷運動與強礦壓顯現的對應關系，同時研究結果可描述煤層開采后圍巖的損傷、破裂全過程及特厚煤層綜放開采大空間采場覆巖物理場時空演化規律；利用數值模擬對不同主控巖層抗壓強度、層位、厚度及采高下覆巖位移場、垂直應力場、工作面超前支承應力及巖層能量釋放演化規律作了分析，以研究主控巖層賦存狀態與大空間采場礦壓顯現時空關系，具體如圖2所示。

通過學習特厚煤層堅硬頂板覆巖結構及礦壓顯現規律工程案例，可提高學生對特厚煤層、礦壓顯現、堅硬頂板和覆巖結構等概念的掌握程度，增強其對初次來壓步距、周期來壓步距、支護應力等工程概念的理解。

3? 露天礦高陡邊坡穩定性

露天礦進入深部開采時，解決邊坡安全問題其是實現礦山安全開采的當務之急。深入研究礦山高大巖質邊坡失穩機制，對發展邊坡治理技術、防范邊坡地質災害發生，保障礦山安全生產具有重要的理論與實際意義。利用RFPA邊坡巖體應力場、損傷場數值分析方法，依托露天礦典型硬巖高陡邊坡實例，揭示巖體內部應力集聚，誘發巖石破裂的演化規律與微震活動前兆之間的內在關系；探尋巖體“空間”損傷劣化過程中微震活動、強度減弱與邊坡動態失穩過程之間的關系，具體如圖3所示。

通過上述分析可知，通過數值模擬實驗的方式再現水力壓裂煤層或巖層過程、特厚煤層堅硬頂板覆巖結構及礦壓顯現規律、露天礦高陡邊坡失穩破壞規律能夠加深學生對巖石力學知識點的掌握，而目前該課程沒有相關的實驗課。本文通過設計相關數值實驗方案，使學生深入地掌握了相應的巖石力學知識點。

4? 動力擾動下斷層活化誘發煤與瓦斯突出

采用大型數值模擬試驗，研究工作面分別由斷層上盤和斷層下盤向斷層推進時，工作面開采對斷層面三維應力分布狀態、斷層活化量、瓦斯壓力、斷層和煤體破裂演化過程中聲發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方式條件下的煤與瓦斯突出，從而反映出動力擾動對斷層穩定性、瓦斯運移及突出的作用機制。研究工作面經過斷層時斷層影響帶內瓦斯運移及煤與瓦斯突出滲流-應力-損傷規律，揭示動力擾動下斷層活化誘導煤與瓦斯突出的細觀損傷機理。揭示煤與瓦斯突出影響因素（斷層和煤體、動靜應力和瓦斯壓力）的耦合關系，確定突出發生的條件，并基于突變理論建立動力擾動下斷層活化煤與瓦斯突出危險性的判據，進一步為動力擾動下含斷層地質體的煤與瓦斯突出研究提供理論基礎，為有效預測和防治煤與瓦斯突出提供依據。

（二）? 采用探討式教學模式

通過與學生交流和討論工程案例的過程，探索式教學模式增強了師生之間的互動，提高了學生對課程的興趣。通過學習相應的理論知識、解決手段可為今后工作解決實際問題提供支持。目前巖石力學數值實驗課程雖然覆蓋面廣，涉及的理論知識豐富，但同時面臨課時少與教學內容多的矛盾；課堂中使用的教學課件不夠新穎、教學模式較為單調，使學生缺乏生動學習的興趣等問題。

通過分析典型工程案例可以讓學生更加直觀地掌握專業知識，使用巖石力學數值試驗對未知現象及已知現象進行再現，反映了巖石力學的基本原理，增強了學生對專業知識的了解，為就業提供基礎。通過探討式教學方式，在課程實踐中對工程案例進行剖析，最終完善案例的設計和實施方案。具體如下。

一是優化完善實踐教學實施方案，綜合考慮結合巖石力學工程設計到的工程現場實踐，編寫新的教學大綱和實驗指導書，實驗類型對增加可鍛煉學生創造力和積極性的設計性及創新實驗。完善技能考核體系，達到培養出高綜合素質和高專業技能素養學生的目的。

二是通過工程現場為背景的巖石力學數值模擬實驗，設置不同實驗條件，增加學生的動手機會，在加強學生對基本實驗方法和技能的認識的同時可以培養其對專業的興趣，最終達到提高綜合分析問題、解決問題和推陳出新的能力的目的。

四? 結束語

本文對目前巖石力學數值實驗課程教學過程中存在的問題，提出了實驗教學改革方案。從經典案例和探討式教學兩方面著手，提出了案例教學改革的具體實施步驟及優點。該方案可提高礦業類學生學習的能動性和創新性，培養其提高綜合分析問題、解決實際問題和推陳出新的能力。教改結果可為其他課程教學提供借鑒。

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