真三軸縮微度實驗在礦業工程教學中的應用研究

摘"要：巷道作為礦井開采的“動脈”，其圍巖的穩定控制是礦產資源開采的前提，其力學特征與破壞時空演化規律一直備受關注。然而，傳統的相似物理模擬實驗過程復雜、成本高、風險大，不利于礦業工程學科的實驗教學，限制了學生對巷道圍巖破壞的理解。因此，通過先進的真三軸實驗系統，設計巷道縮微度實驗。通過指導學生全程設計、實踐、總結，學習礦業工程巖石力學實驗，觀察巷道圍巖的破壞演化過程，理解地下工程圍巖控制的重點和難點，從而強化礦業工程等相關專業學生知識的寬度、廣度、深度。

關鍵詞：巖石力學"真三軸"實驗教學"高校課程

Research"on"Application"of"True"Triaxial"Microscale"Experiments"in"the"Teaching"of"Mining"Engineering

LIU"Chongyan"ZHAO"Guangming"XU"Wensong

Coal"Safety"and"Precision"Mining"National"Local"Joint"Engineering"Research"Centre，"Anhui"University"of"Science"and"Technology，"Huainan，"Anhui"Province，"232001"China

Abstract："As"the"“artery”"of"mining，"the"stability"control"of"the"surrounding"rock"in"tunnels"is"a"prerequisite"for"the"excavation"of"mineral"resources，"and"its"mechanical"characteristics"and"spatiotemporal"evolution"laws"of"failure"have"been"attracting"much"attention."However，"the"traditional"similar"physical"simulation"experiment"is"complicated，"high"costs，"and"high"risks，"which"is"not"conducive"to"the"teaching"of"mining"engineering"experiments，"and"limits"students'"understanding"of"tunnel"surrounding"rock"failure."Therefore，"an"advanced"true"triaxial"experimental"system"is"used"to"design"micro-scale"experiments"on"tunnels."By"guiding"students"to"design，"practice，"and"summarize"the"entire"process，"learning"mining"engineering"rock"mechanics"experiments，"observing"the"damage"evolution"process"of"tunnel"surrounding"rock，"and"understanding"the"key"points"and"difficulties"of"underground"engineering"surrounding"rock"control."It"can"strengthen"the"breadth，"breadth"and"depth"of"students'"knowledge"of"mining"engineering"and"other"related"majors.

Key"Words："Mining"engineering;"True"triaxial;"Experimental"teaching;"College"courses

巖石力學的應用場景眾多，如隧道、地鐵等交通的建設、礦產資源的開發以及山體滑坡等災害防治，是工程建設的基礎，至關重要[1]。巖石力學實驗可以為工程設計提供參數依據[2]，認識到巖石工程的演化行為，揭示工程失穩破壞的內涵。

隨著科學技術的進步，巖石力學實驗的教學儀器設備也在不斷地發展，例如：在基礎的巖石力學實驗方面，從單軸壓縮發展到偽三軸壓縮，隨著科技的進步，多功能真三軸試驗機被研發應用[3]，有助于獲取不同工況條件下巖石的峰值強度特征、變形承載能力、應力-應變曲線等，為學生理解并深入分析巖體的宏微觀本質提供了更先進的手段。

地下工程安全控制的本質就是保證開挖后的圍巖持續穩定，其中，認識圍巖在不同工況下的力學特征與演化規律是礦業工程學生學習的基礎，也是更進一步設計圍巖穩定性控制參數的前提條件。然而，目前，在實驗室學習圍巖破壞的途徑主要是相似模擬實驗方法[4-6]"，這種方法通過相似配比模擬真實的巖性材料，再根據相似的比例尺度建立地層，具有一定的實用性。但是這種教學方法存在一定的局限性：（1）相似實驗具有一定的復雜性，相似模擬的實驗的建立通常具有復雜的計算過程，數據量較大，對于剛入學的大學生較為困難。（2）相似模擬實驗的工作量大，相似模擬的建立通常需要攪拌、夯實、壓實、開挖等系列工作，正常實驗時間接近10-15天，體力勞動大，費時費力，學生需要集體作業，并且實驗環境暴露，具有一定的危險性，實驗成本高。（3）相似模擬實驗結果可重復性差，實驗結果影響因素較多，在模型制作過程、晾干溫度、開挖等過程無法完全一致，實驗相對粗糙。無法充分滿足礦業工程學生重復學習和多次實驗的深入教學工作。

針對圍巖力學特征與破壞演化規律的教學工作，亟需一種低成本、重復性高、實驗精準度高、易操作，先進性高的實驗方法彌補傳統教學的不足。通過設計真三軸縮微度實驗，可以滿足礦業工程關于基礎巷道圍巖實驗教學需求，模擬巷道相似環境與力學結構，幫助學生將理論知識設計為可實踐的方案，從而彌補傳統教學的不足。

1"真三軸縮微度實驗介紹

1.1"真三軸實驗

該實驗機全系統微機自動化操控和反饋，如圖1所示。安裝好實驗體后，配合監測設備，施加最大主應力、中間主應力、最小主應力。該設備設計的核心思想是恢復地下工程的原巖應力狀態，再通過實驗機主應力方向應力集中或卸荷，模擬巷道圍巖的應力變化，以此獲得巖石的應力-應變曲線、變形演化特征和規律。

1.2"縮微度實驗

真三軸縮微度實驗通過在立方體試件中鉆孔模擬巷道圍巖，在一定程度上具有相似的結構環境與應力環境，鉆孔形狀與巷（隧）道形狀相同，實驗巖性與巷道圍巖力學特性基本相同，實驗邊界模擬出巷道的主要應力集中區域。

2"真三軸縮微度實驗教學優勢

真三軸縮微度實驗在巖石力學教學中可以針對性開展應用，輔助礦業工程專業本科生或具有相近研究方向的研究生觀察和理解巷道圍巖在不同工況下的力學特性與失穩過程、理解圍巖的破壞演化規律，并結合實際工程，思考有效的控制方法。相較于傳統相似模擬實驗，真三軸縮微度實驗具有以下優勢。

2.1"先進實驗方法的教學

通過該實驗，可以系統了解礦業工程巖石力學實驗發展的進程，從單軸發展到真三軸的原理，甚至未來發展更為先進的巖石實驗手段，從而擴寬學生的知識寬度。

2.2"動手實踐能力的教學

通過制作縮微度實驗試件，學生可以掌握實驗體的基本制作方法，增強動手操作能力，了解巷（隧）道開挖進程與開挖方法。

2.3"工程原理的教學

通過該實驗，學生學習到主應力的施加和卸載過程，理解最大主應力、中間主應力、最小主應力的含義，了解巷道圍巖與巖石應力環境的關系。

2.4"礦業工程巷道圍巖專業知識教學

通過真三軸縮微度實驗的教學，學生能全過程觀察到圍巖破壞的演化規律、理解隨著應力的集中圍巖破壞的弱點與破壞原理、更深入了解礦井的動脈“巷道”、分析圍巖失穩災變的原因，有助于提高學生研究礦業工程實驗、采礦知識的興趣。

2.5"實驗設計和深度分析能力

實驗具有較高的可重復性，為學生提供了獨立動手實驗的機會。通過該實驗的應力環境變化、圍巖巖性、形狀等因素的變化，設計實驗方案，研究針對性問題，并結合監測手段詳細分析實驗結果，從而達到了創新實踐與學術能力的雙重培養效果。

3"真三軸縮微度實驗教學案例

3.1"實驗背景

目前，常用的巷道圍巖設計常利用當量圓[7]方法計算，因此，以圓形巷道作為實驗背景，不僅能夠更好地模擬實際巷道圍巖的力學環境，而且操作簡單，適合礦業工程學生的實驗教學。通過簡單的實驗操作，學生能夠更快地了解實驗的基本原理和內涵，為后續的理論學習和實踐應用打下堅實的基礎。。

3.2"實驗步驟

（1）組織學生成立實驗小組，通過自主研討，明確每個小組成員的實驗分工，通過課件預習實驗過程，了解實驗的基本步驟和注意事項。

（2）依據應力分析結果[8]，計算實驗中的三向應力、加載環境等，設計完整的實驗方案，實驗方案應包括實驗的目的、步驟、儀器設備的使用方法、數據采集和處理等內容，確保實驗的科學性和可操作性。

（3）選取切割好的立方體砂巖，由學生設計巷道半徑，并操作鉆孔機器制作出縮微度實驗試件。在制作過程中，學生需要注意試件的質量和尺寸精度，確保實驗結果的準確性。

（4）在實驗老師指導下，安裝試件與聲發射、微型攝像機等監測儀器，為實驗數據分析提供重要的依據。

（5）開展實驗，設定的軸向應力集中等加載方案參數，采集實驗過程數據。在實驗過程中，學生需要嚴格按照實驗方案進行操作，確保實驗數據的準確性和完整性。同時，學生還需要注意觀察試件的破壞過程，記錄實驗中出現的各種現象。

（6）實驗結束后，取出實驗體，收集碎屑等，整理實驗數據和實驗室。

（7）學習縮微度實驗結果，分析應力應變曲線、圍巖破壞進程等。

3.3"實驗結果分析

1. 查閱文獻，收集單軸到真三軸的發展歷程，撰寫真三軸力學實驗發展報告。生可以發現真三軸力學實驗在實驗方法、實驗設備以及實驗結果分析等方面的不斷改進和創新。
2. 整理應力-應變結果，分析真三軸縮微度實驗的力學特征，繪制不同方向應力-應變結果，并對比應力大小，初步理解力學概念，幫助學生更好地理解圍巖的力學各向異性特征。
3. 結合預習的巷道圍巖知識，分析圍巖破壞的進程，闡釋圍巖破壞的關鍵節點和演化特征，在時間軸上分析破壞與應力的關系，能夠幫助學生更好地把握圍巖破壞的關鍵時刻。
4. 思考隨著巷道圍巖的破壞圍巖穩定性應該如何控制，保證在深部資源開發過程中圍巖的安全穩定。通過對實驗結果的深入分析，學生能夠提出一些有效的圍巖穩定性控制策略，如合理的支護設計、優化的開采方案等。

3.4"結果展示

由圖3可以看出，真三軸縮微度試件的試驗曲線大致經歷了壓密、彈性、穩定擴展和非穩定擴展階段。在達到初始應力后，最大主應力方向呈現壓縮狀態，中間主應力和最小主應力方向呈現擴容狀態，應變主要集中在最大主應力方向，真三軸試件破壞應力應變曲線沒有出現瞬間跌落。

由圖4可以看出，圍巖破壞的規律可以總結為以下4個階段。在平靜期，圍巖表面無明顯變化，卻在持續發生著微小變形。在顆粒彈射期，出現小顆粒彈射，并且隨著應力增大，彈射粒徑逐漸變大。在穩定破壞期，有顆粒彈射，板裂屈曲、巖爆等發生，劇烈程度逐漸增加，在圍巖左、右兩側形成兩條明顯的破壞帶，近似對稱，并且隨著應力增加，破壞區域逐漸擴大，加深。在崩塌期，圍巖持續大變形。

在礦產資源的開發中，圍巖控制應該首先保證支護強度，只有使圍巖承載能力增加，才能承受更大的應力與變形。隨著巷道圍巖的破壞，應該逐漸調整控制策略，發現圍巖重點破壞區域，加強控制。另外，仍需要從根源上控制巷道圍巖破壞的原因，減少圍巖承受的載荷，及時減少應力集中的發生。

4"結語

本文以真三軸圓形巷道縮微度實驗為例，探索實驗室巖石力學實驗技術如何融入到礦業工程的教學工作中，幫助學生深度理解礦業工程中巷道的相關科學問題，為學生提供了更生動形象和直觀的理解方法，具有低成本、重復性高、實驗精準度高、易操作，先進度高的優點。實驗過程不僅培養了學生解決問題的能力，還培養了礦業工程學生的專業素養，認識到巖石力學與地下工程圍巖穩定性控制的重要性。總而言之，真三軸縮微度實驗能為礦業工程實驗教學帶來新的有利條件，系統培養學生知識的深度、寬度、廣度。

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