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巖石力學論文:巖石力學雙語課程建設(shè)的必要性探究

摘要：巖石力學不僅是一門重視理論的學科，也是一門實踐性很強的工程學科，是巖土工程等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程。針對目前中國高校巖石力學的內(nèi)容落后以及教學方式枯燥等問題，本文著重探究了建設(shè)巖石力學雙語課程的必要性及可行性，以促進雙語教學在高校的落實，發(fā)揮雙語教學在高校素質(zhì)教育中的作用，為高校培養(yǎng)巖石力學高層人才提供有效思路。

關(guān)鍵詞：巖石力學；雙語教學；必要性

目前，我國絕大多數(shù)高校都采用普通話作為教學語言。而香港和新加坡的大學主要使用英語教學。臺灣也正在加強英語教學的力度。還有很多非英語國家的高校正在使用英語教學或開始設(shè)置英語課程了[1]。世界各地都廣泛地使用英語授課或者從事各種學術(shù)活動，如今英語已經(jīng)成為了一種科技語言。因此，采用英語傳遞信息已成為全球文化與科學的主要形式。雙語教學，即在課堂上增加使用第二中語言來進行學科的教授，它已經(jīng)是實施雙語教育的重要手段之一[2]。為了推動雙語教學的發(fā)展，教育部自2001年明確提出要在高校積極推動使用英語等外語進行教學，其中“本科教育要創(chuàng)造條件使用英語等外語進行公共課和專業(yè)課教學”，近年來我國內(nèi)陸許多高校增開了一系列雙語課，也就是在教學過程中既有英語授課部分，又有漢語授課部分。不少人認為，雙語教學可以促進高等教育的國際化[3]。巖石力學是運用力學原理和方法來研究巖體的力學以及力學相關(guān)現(xiàn)象的一門新興科學，也就是研究巖體在各種力場作用下變形與破壞規(guī)律的理論及其實際應(yīng)用的科學[4]。為了達到良好的教學效果，在調(diào)查分析國內(nèi)外高校尤其是石油類高校教學過程中存在的問題，我們對巖石力學建設(shè)雙語課程的必要性進行了探索。

一、目前巖石力學課程存在的問題

1.教材陳舊，內(nèi)容落后。隨著我國在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面的投資和發(fā)展，巖石力學的理論研究取得了長足進展，建造出了三峽工程、青藏鐵路、南水北調(diào)等許多高難度、劃時代的標志性工程，使得我國在巖石力學的理論研究、室內(nèi)外試驗、現(xiàn)場監(jiān)測和經(jīng)驗積累方面獲得了舉世矚目的成果[5]。然而，作為培養(yǎng)巖石力學高級人才的大學，普遍存在著所采教材陳舊，內(nèi)容嚴重落后于目前巖石力學的實際發(fā)展水平的現(xiàn)象，在一定程度上出現(xiàn)理論與現(xiàn)實脫節(jié)的現(xiàn)象。

2.教學手段單調(diào)，教學模式枯燥。巖石力學的理論比較枯燥，容易導致學生的學習興趣不高、主動性不強。僅僅以傳統(tǒng)的傳授書本知識為主的板書和ppt課堂教學模式已不能滿足應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的需求[6～9]。另外，該課設(shè)置的課時量相對于要講授的內(nèi)容來說偏少，按照傳統(tǒng)的教學方式進行，容易出現(xiàn)讓學生對知識只能寬泛了解而掌握不牢的現(xiàn)象，同時也容易讓老師被迫放棄部分教學內(nèi)容的現(xiàn)象。巖石力學包含的力學知識點較多，存在很多公式的推導過程，僅僅靠板書和ppt的形式，不能讓學生高效地接受知識。

二、采用雙語進行巖石力學的教學的必要性

21世紀是知識、信息和經(jīng)濟一體化的時代。隨著我國對外開放的深入，特別是成功加入wto以后，各個行業(yè)積極引入國外的先進技術(shù)和實驗設(shè)備，對外交流與合作日益密切，與巖石力學相關(guān)的行業(yè)也不例外，我國高校教育正面臨著更加嚴酷的國際競爭環(huán)境，在一定程度上需求具有一定的專業(yè)外語知識的人才。

1.采用多種教學手段，增強教學效果。雖然也有單獨開設(shè)了土木工程專業(yè)英語等專業(yè)外語課，但是仍存在一些內(nèi)容交叉重復的問題，給教學帶來了困難[4]。所以在巖石力學課程教學改革方案中，不應(yīng)局限于教授專業(yè)外語知識，也可以在漢語授課過程中普及相應(yīng)的專業(yè)外語詞匯。所以，可以在師資條件具備的情況下，巖石力學采取專業(yè)教學與外語教學相結(jié)合的雙語教學辦法，教材可以采用外文教材或者添加外文輔助教材以跟進國內(nèi)外進展，從而保障內(nèi)容的先進性。教學過程中，可以在每一章增加相應(yīng)的專業(yè)詞匯的英文注解及相關(guān)解釋。另外，還應(yīng)提供外文資料供學生參考。這樣多途徑的教學方式，讓學生在學習專業(yè)課程的同時，又學習了專業(yè)外語。既避免了專業(yè)課程專業(yè)詞匯零散的缺點，也增加了學生們學習專業(yè)外語的興趣。

2.增強英語的閱讀和表達能力。（1）實施雙語教學可以為學生打好堅實的專業(yè)詞匯基礎(chǔ)，補充公共外語教學的不足，促進國際學習交流的效果。隨著國際化交流的日益頻繁，除

了查閱國際期刊，學生們有越來越多的機會出席各類國際會議，直接聆聽外國專家的演講報告，并且參與到國際學術(shù)交流中去；而更有相當一部分的同學將可能去國外留學或者工作。因此課堂上采取雙語教學可以使學生們提前熟悉掌握該專業(yè)的名詞術(shù)語，達到與國際同行順利進行學術(shù)交流的目的；而一般的公共外語考試并無法涉及這些專業(yè)內(nèi)容，經(jīng)驗表明只接受公共外語教育不能滿足專業(yè)交流的需要，這就更加體現(xiàn)出雙語教學的必要性。

（2）實施雙語教學可以通過中英文對照，采取優(yōu)勢互補，以加深對內(nèi)容的理解和辨析。專業(yè)詞匯或者定義、表述等由于英語語言習慣與漢語的不同，有時在翻譯成漢語的過程中會出現(xiàn)生硬、不，甚至有歧義的地方，而直接在英語的環(huán)境下學習反而更加有利于內(nèi)容的理解和知識點的掌握。另一方面，有些專業(yè)詞匯是由學生并不熟悉的詞根組合而成的，這時通過與漢語書本內(nèi)容進行比較可以在學習專業(yè)知識的同時加深對于英語的構(gòu)詞方式的理解，對類似的生詞觸類旁通，從而達到舉一反三的效果。（3）實施雙語教學學生不但可以掌握巖石力學的專業(yè)詞匯，也可以對其他一些基本的科技用語有所了解。比如基本的數(shù)學物理符號的讀法、縮寫的含義，石油生產(chǎn)過程中的常見設(shè)備的英文說法等，同樣這些也是公共外語所沒有包含的內(nèi)容。

三、采用雙語進行巖石力學的教學的可行性

1.高校教師的英文水平可以勝任雙語教學的要求。目前高校中有許多在國外學習訪問并且用英文發(fā)表文章和進行講座經(jīng)歷的老師，他們的外語能力可以充分保障雙語教學的實施效果。

2.巖石力學的教學資源有許多國內(nèi)外經(jīng)典的原版教材。這些教材既包括側(cè)重原理、概念講授的基礎(chǔ)教材，也有充分反映近期研究成果的專著。在授課過程中可以選擇其中的一部分作為指定的教材及參考書，以滿足不同的教學需要。

總之，以強調(diào)理論聯(lián)系實際、重點培養(yǎng)學生的英語能力為該課程的主要建設(shè)目標，進一步提高教師教學水平，加強教材等教學資源的建設(shè)，不斷優(yōu)化教學內(nèi)容及教學方法，最終讓學生掌握本門課程教學內(nèi)容，實現(xiàn)英語水平的提高。實現(xiàn)讓學生掌握絕大部分專業(yè)詞匯，勝任該專業(yè)領(lǐng)域的國際交流，學習跟蹤近期國內(nèi)外反應(yīng)重要學術(shù)和生產(chǎn)動態(tài)的文獻，了解學科前沿發(fā)展情況及近期成果的最終目標。

巖石力學論文:土木工程巖石力學課程教學改革研究

摘要：

巖石力學是一門應(yīng)用基礎(chǔ)學科，是中職升本土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。文章通過教學方法的改革，學習模式的改變以及考核方法的改革，將巖石力學課程由“課堂講授型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皯?yīng)用分析型”，充分調(diào)動了學生的學習積極性，提高了巖石力學課程的教學質(zhì)量和教學效果。

關(guān)鍵詞：

教學方法；學習模式；考核方法；巖石力學

一、概述

巖石力學是研究巖石的基本力學性質(zhì)和巖石在各種環(huán)境和力場作用下的變形和破壞規(guī)律的理論及實際應(yīng)用的科學，是一門應(yīng)用基礎(chǔ)學科。對于具體的巖土工程也包括巖體的強度及穩(wěn)定性問題。巖石力學是土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)專業(yè)課程所必須具備的基礎(chǔ)理論知識。中職升本學生是指從中專學校通過參加高職統(tǒng)考考試，達到本科分數(shù)線被錄取。這些學生相對于國家統(tǒng)招學生，基礎(chǔ)薄弱，數(shù)學、力學功底差，學生的自我約束力差，缺乏學習的主動性。已有很多國內(nèi)學者為了提高巖石力學課程的課堂教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生的專業(yè)素質(zhì)以及工程實踐和創(chuàng)新能力，針對統(tǒng)招學生對巖石力學的教學方法、教學手段、教學模式及實驗教學等[1-3]方面進行了深入研究。但是，還鮮見針對中職升本學生進行的巖石力學教學改革。文章針對此情況進行了教學改革和教學探索，提高課堂教學質(zhì)量，為后續(xù)課程的學習打下良好的基礎(chǔ)。

二、巖石力學課程存在的問題

（一）教學課件陳舊，缺乏生動性

巖石力學課程使用的多媒體課件主要使用文字介紹和理論公式推導等形式編排，內(nèi)容枯燥，未能充分發(fā)揮多媒體教學的優(yōu)勢，學生理解起來也比較困難，學習積極性不高，教學效果不佳。因此，教師需要搜集典型工程案例和工程災(zāi)害事故資料，如現(xiàn)場圖片及錄像等，豐富課堂內(nèi)容，使學生對所學內(nèi)容有更為直觀的認識，激發(fā)學生對巖石力學課程的學習興趣。

（二）課堂教學模式單一

課堂教學中主要以注入式教學為主，即以教師講授為中心、以傳授書本知識為主，教學方法和教學手段單一。師生互動環(huán)節(jié)少，課堂氣氛不活躍，不能有效調(diào)動學生的學習積極性。對于中職升本學生有些內(nèi)容在課堂上無法理解，而課下限于時間少和基礎(chǔ)薄弱等原因，不能進行有效復習，無法鞏固所學知識，從而產(chǎn)生“破罐子破摔，索性放棄”的心理，久而久之形成惡性循環(huán)。學生上課睡覺和作業(yè)應(yīng)付的現(xiàn)象日趨嚴重，這必然影響學生對專業(yè)知識的系統(tǒng)掌握，背離了該課程的教學目標。

（三）考核手段單一

考試是反饋學生學習效果的重要途徑，也是檢測教育目標達成度的重要工具。目前，巖石力學考核成績是由期末考試成績和平時成績簡單組成，期末考試成績占總成績的80%，考查內(nèi)容主要是書本知識的記憶掌握程度，很難反映學生獨立思考、分析解決問題能力，同時也阻礙了學生學習的積極性。

三、巖石力學課程改革探討

（一）教學方法的改革

巖石力學課程內(nèi)容龐雜，涉及很多的工程領(lǐng)域，不同的巖體工程有不同的特點，對于土木工程專業(yè)來說，首先要掌握基本的理論知識，其次就是將基礎(chǔ)理論知識與具體的工程問題想結(jié)合，加以應(yīng)用。因此，巖石力學課程教學目標是強化基本理論知識的的理解和綜合應(yīng)用，提高學生的學習主動性和參與度，注重課程改革的成效，培養(yǎng)學生分析、解決實際問題的能力。針對此目標及課程存在的問題，在教學過程中采用模塊教學法、問題教學法、案例教學法及項目教學法相結(jié)合的綜合教學方法。根據(jù)教學內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)理論知識和工程應(yīng)用兩個部分，根據(jù)各個知識點之間的邏輯關(guān)系劃分知識模塊，確定講授順序。在基礎(chǔ)理論知識部分采用問題式教學法和工程案例教學法相結(jié)合的綜合教學方法，通過工程案例創(chuàng)設(shè)教學情境，提高學生的學習興趣；通過問題引導學生多思考，采用多種方式分析、解決問題，提高學習的主動性。，在工程應(yīng)用部分，采用項目教學法，學生以小組為單位完成各個巖體工程的穩(wěn)定性分析項目，將基礎(chǔ)理論知識結(jié)合具體工程問題加以運用。

1.模塊教學法

巖石力學的課程內(nèi)容主要劃分為兩大部分：基本理論知識和工程應(yīng)用。根據(jù)具體內(nèi)容劃分為七個知識模塊，即基本理論知識部分的巖石的物理力學性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面的特征及力學性質(zhì)、巖體的力學性質(zhì)及質(zhì)量評價、地應(yīng)力測量及計算四個知識模塊；工程應(yīng)用部分的巖石地下工程、巖石邊坡工程、巖石地基工程三個知識模塊。各個知識模塊之間的邏輯關(guān)系如圖1，各個知識模塊的講授順序見圖中的數(shù)字。

2.案例式教學法

巖石力學的基本理論知識公式比較多，由于中職升本學生基礎(chǔ)薄弱，知識點變得枯燥、乏味、難于理解，因此學生的學習興趣不高。在教學過程中根據(jù)各個模塊的教學內(nèi)容，選擇學生能夠所見所聞或本地區(qū)影響較大的案例，或近幾年發(fā)生的影響較大的、工程特點突出、能夠吸引學生并激發(fā)興趣的案例，通過視頻、圖片的形式將工程案例引入教學，創(chuàng)設(shè)教學情境，激發(fā)學生的學習興趣和學習的積極性。

3.問題式教學法

在基礎(chǔ)理論知識部分，采用PBL（ProblemBasedLearn－ing）以問題為導向的教學方法，在各個知識單元設(shè)置具體問題，在課程過程中進行講解，使學生有恍然大悟的感覺，同時在課后留設(shè)具有一定難度的拓展性問題，調(diào)動學生課后查閱資料、分析并解決問題的主動性，對于課上內(nèi)容也是很好的復習和整理過程。

4.項目式教學法

在工程應(yīng)用模塊，巖石地下工程、巖石邊坡工程和巖石地基工程分別設(shè)置綜合訓練項目，要求學生根據(jù)基本理論知識結(jié)合具體工程問題分析各個巖體工程的穩(wěn)定性，提交報告，并進行答辯。

（二）學生學習模式及考核方法的改革

1.小組學習，團隊合作

根據(jù)教學方法的改變，相應(yīng)的學生的學習模式也將發(fā)生變化。主要采用小組學習的形式，發(fā)揮團隊合作精神，共同學習和進步。學生以小組為單位完成拓展性問題和綜合訓練項目。將學生4~5人劃分為一個學習小組，小組成員搭配要合理，兼顧性別結(jié)構(gòu)、學習成績和活躍程度。每個小組每次任務(wù)設(shè)組長一名，實行輪換制，由組長負責該次任務(wù)的分配、協(xié)調(diào)和管理工作，并負責記錄小組活動，包括小組討論活動時間、地點、照片；提交報告或者電子文檔等材料。

2.過程考核

考核方式主要采用過程考核的形式，各個考核項目、評價方法和分值見表1。

四、結(jié)束語

巖石力學作為中職升本土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課必須改革傳統(tǒng)的教學模式，為后續(xù)專業(yè)課的學習打下良好的基礎(chǔ)。文章通過模塊教學法、案例教學法、問題教學法和項目教學法相結(jié)合的綜合教學方法的改革，小組學習、團隊合作的學習模式改變以及過程考核的考核方法的改革，將巖石力學課程由“課堂講授型”轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾暪こ虘?yīng)用的“應(yīng)用分析型”，充分調(diào)動了學生的學習積極性，提高了學生主動思考、分析、解決問題的能力。同時，提高了巖石力學課程的教學質(zhì)量和教學效果。

巖石力學論文:巖石力學專業(yè)中采礦工程論文

1巖石力學的基本特點

隨著時代科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對巖石的認識具有更深層次的理解:及時，巖石并不是固體力學中的一種材料，世界上的所有巖石工程中的巖石是一種天然地質(zhì)體，具有復雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和賦存條件，是一種天然的典型的不連續(xù)介質(zhì);第二，在巖體中存在地應(yīng)力，這種作用力是由于地質(zhì)構(gòu)造和重力作用等因素形成的一種內(nèi)應(yīng)力。在開采巖石的過程中，開挖巖石引起的地應(yīng)力的釋放，才會引起巖石工程變形和破壞。因此，巖石力學的研究思路、研究方法和材料力學的研究存在著本質(zhì)的區(qū)別。在對巖石力學的研究時，研究者的思想不要根深蒂固于用傳統(tǒng)的研究方法來得到答案，要站在科學的高度來思考問題，學會靈活運用相關(guān)知識來研究。通過不斷地分析，得知自然環(huán)境賦予了巖石，在人類活動中，采礦工程是人類和大自然相結(jié)合的結(jié)果，因此，采礦工程的行為和功能與施工因素密切相關(guān)。根據(jù)以上的綜合分析，我們對巖石力學有了新的思考和認識，巖石力學是研究和控制采礦工程的科學。

2采礦工程中的巖石力學的重要性

在采礦過程中，地下采礦工程和露天采礦工程無論哪一種，都是以具有地質(zhì)構(gòu)造的巖石為對象。因此，巖石力學問題始終貫穿在采礦工程中的每一方面。其一:在采礦工程中的巖體都是地質(zhì)體，它們在反復的地質(zhì)作用下變形、破壞，形成具有一定巖石成分和結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體，并且賦存于特定的地質(zhì)環(huán)境中;其二:采礦工程是經(jīng)過不停地勞動進行開挖的過程，是動態(tài)的非靜態(tài)的。開挖過程中巖體的力學性質(zhì)也會隨著工程的尺寸和開挖的延伸方向的不同而發(fā)生變化，并且環(huán)境因素(例如地應(yīng)力、水、溫度)也是影響巖體性質(zhì)的一個重要方面，沖擊礦壓和煤與瓦斯突出主要是由地應(yīng)力中的高地應(yīng)力引起。巖體的力學性質(zhì)特征包括了巖體的穩(wěn)定性、強度性和變形性，它會隨著巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面形狀的不同而變化。因此，這些特征決定了采礦工程中的巖石力學問題具有極其復雜性。

3采礦工程中的巖石力學的應(yīng)用

3．1預測采礦工程中的災(zāi)害

在采礦工程的開展過程中任何人為和自然因素都會造成極大的危害，其中自然因素有地震、巖爆等危害，巖石力學在采礦工程中的應(yīng)用，可以通過對采礦地點的土層地質(zhì)分析來提前預測在采礦工程中會出現(xiàn)的災(zāi)害，然后可以在工程設(shè)計中規(guī)避這些災(zāi)害。

3．2測量采礦工程中的地應(yīng)力

所謂的地應(yīng)力就是指地底地質(zhì)底層中自然產(chǎn)生的力量，在采礦過程中，由于開挖導致的周邊土層地質(zhì)發(fā)生變化的根本原因就是地應(yīng)力。要想制定完整且安全的采礦工程開采方案就必須首先運用巖石力學對采礦工程所在地的地應(yīng)力進行測量，只有的了解采礦工程周邊的地應(yīng)力情況，才能設(shè)置最正確、最合理的采礦方案，確保采礦工程的安全有效開展。

3．3優(yōu)化深凹開采的邊坡設(shè)計

隨著深凹開采的普遍出現(xiàn)開采難度不斷增加，對于采礦工程的安全性和穩(wěn)定性的要求也越來越高，這就要求巖石力學在開采過程中起到積極作用。通過巖石力學的測量，定量，充分的把巖石力學應(yīng)用到采礦工作中來，在保障安全的基礎(chǔ)上，保障工程安全快速進行。

4結(jié)語

總之，隨著巖石力學在采礦工程中應(yīng)用的不斷發(fā)展，如今我國的巖石力學已具備了世界先進水平。相關(guān)從業(yè)人員還應(yīng)不斷結(jié)合實際，研究巖石力學在采礦工程中的新應(yīng)用。

作者：楊仕俊 單位：貴州浙商礦業(yè)集團有限公司

巖石力學論文:不同深度巖石力學細觀破壞實驗

實驗過程

1.采樣和試件制備：試件采自北京門頭溝區(qū)大臺煤礦大臺井田，為南大嶺組變玄武巖，基性火成噴出巖，斑狀或基質(zhì)粗玄結(jié)構(gòu)，灰綠或灰黑色，形成于中生代早侏羅系，距今180～200Ma。該層巖石賦存于急傾斜煤層底板，自地表以下近70°～80°傾角分布。分別從410，510，610，810和1010m這5個層位取試件進行了實驗(見圖1，略)。將以上巖樣加工成3組適合掃描電鏡下觀測的三點彎曲試件：a組(不同埋深組，15個)，即中心預制一缺口，但試件埋深不同；b組(偏心單裂紋組，15個)，即玄武巖取自同一埋深410m，偏離中心距離1，2，3，4和6mm處分別預制一缺口；c組(偏心雙裂紋組，15個)，與b組相似，但預制了2個缺口。采用中國礦業(yè)大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室的帶加載SEM實驗系統(tǒng)的試件，尺寸為25mm×10mm×5mm(長×寬×高)的長方體。為了符合斷裂力學測試標準[15]，預置了長5mm的缺口，采用最薄的刀片切割，切割后的缺口寬約0.4mm，缺口前端為半圓形。圖2給出了試件及加載示意圖。3組試件的編號原則如下：a組A–B中，A代表埋深，B代表試件號；b組410–pC–B中，C代表預置缺口偏離中心的距離，B代表試件號，p代表偏置(下同)，410代表410m埋深(下同)；c組410–spC–B，其中，C代表2條對稱缺口偏離中心的距離，B代表試件號，s代表雙缺口。試件加工情況表如表1所示（略）。

2.實驗設(shè)備和加載模式：實驗在中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室SEM全數(shù)字高溫疲勞實驗系統(tǒng)完成[11-14]。該套實驗系統(tǒng)能進行靜態(tài)掃描及實時在線觀測荷載作用下材料的力學行為和表面微結(jié)構(gòu)的變化，實現(xiàn)外部應(yīng)力狀態(tài)與材料力學行為和表面微結(jié)構(gòu)變化的一一對應(yīng)，從而進行材料微細觀力學性能的綜合性實驗研究。本實驗為常溫下的三點彎曲實驗，為了捕捉到脆性巖石的破壞過程，采用位移加載方式，加載速率定為本實驗系統(tǒng)最小的10－4mm/s。實驗過程中可實時觀測荷載–位移曲線，設(shè)置系統(tǒng)采樣周期為1s，SEM圖像的采集速率約為20s/張。

3.巖石鑒定和電鏡能譜分析：借助SEM全數(shù)字液壓高溫疲勞實驗系統(tǒng)可實時觀測三點彎曲荷載作用下試件表面的形貌變化以及裂紋的擴展過程，若能在SEM圖片中確定裂紋兩側(cè)所關(guān)注顆粒的礦物成分將有助于巖石破壞機制的分析。在北京科技大學掃描電鏡實驗室，通過帶能譜儀的掃描電鏡(SEM/EDX)完成了本實驗。圖3為410m深處的巖樣的SEM/EDX實驗結(jié)果，圖中共有4種具有明顯特征的顆粒：顆粒①為深灰色，表面光滑呈大塊狀分布，為石英；顆粒②為白色，一般較小、表面光滑且聚合分布，為綠簾石；顆粒③為星布的亮白色，顆粒小但顯眼，為鑭鈰礦；顆粒④為淺灰色，表面凹凸不平呈膠合狀分布，為斜長石。

實驗結(jié)果

1.破壞過程和破壞機制：不同埋深組玄武巖試件的破壞過程如下。12個試件中有10個試件的過程和試件410–3類似(試件1010–2和1010–5除外)。以試件410–3為例，當荷載加到80.1N(對應(yīng)SEM圖片開始掃描時的荷載)時并未觀察到試件表面有明顯的變化；當荷載加至111.6N時，在預置缺口前方觀測到了微裂紋萌生(通過比對實時采集的荷載數(shù)據(jù)，當圖像掃描到裂紋萌生處時，當時的實際荷載約為122.8N，相當于峰值荷載的95%)，如圖4(b)所示；當荷載加至129.5N(拍攝到裂紋時實際已稍微越過峰值荷載130.6N，開始下降)，裂紋迅速擴展并且貫通，試件破壞；圖4(d)為試件破壞后的形貌。從其他9個試件的破壞過程可以發(fā)現(xiàn)，從微裂紋的萌生(為峰值荷載的90%～95%)到突然發(fā)生斷裂實際發(fā)生在非常小的荷載范圍內(nèi)，圖5給出了埋深410m玄武巖的荷載–擾度曲線，可以看出玄武巖主要表現(xiàn)出脆性破壞。觀察試件破壞后的裂紋形貌可以發(fā)現(xiàn)，以這種形式破壞的試件裂紋數(shù)量少、無分支、且路徑較平滑(見圖6，略)。試件1010–2和1010–5的破壞過程與其他10個試件略有不同。對于試件1010–2，荷載加至169.6N時(試件峰值荷載174.4N)，在預置缺口前方出現(xiàn)一段細短裂紋，同時加載端出現(xiàn)一條粗長裂紋，但兩裂紋并未連通(見圖7(a))，這說明裂紋并不總是從缺口處萌生并向加載端擴展，而可能從多處起裂，并隨各自擴展而貫通。對于試件1010–5，當荷載加至167.3N時觀測到試件內(nèi)部多處出現(xiàn)裂紋(見圖7(b))，這些裂紋是同時萌生的；當荷載加至183.3N時這些裂紋相互貫通并逐漸連接成一條主裂紋，隨著荷載增加主裂紋不斷擴展并導致試件破壞。對于含偏心預制缺口的試件，大多也是脆性破壞機制，但相比中心預制缺口的試件，偏心預制缺口由于受到彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用，這導致了斷口更為曲折和粗糙，典型的破壞后裂紋路徑如圖8所示（略）。

2.破壞荷載：將3組實驗結(jié)果的破壞強度進行了統(tǒng)計分析分析。對于中心預制缺口的a組試件，實驗表明，對于包含同樣尺寸預制缺口的試件，玄武巖的破壞荷載隨著其埋深的增加近似線性增加，如圖9(a)所示。這個趨勢與宏觀實驗結(jié)果趨勢是一致的。提取了不同深度玄武巖的表面SEM，針對圖像采用了同一個像素閾值對SEM圖像進行了二值化處理，由此計算出孔隙率(見圖10)。可以看出，宏細觀實驗都出現(xiàn)相似的趨勢，主要原因還主要是埋深增加后，導致組成玄武巖礦物顆粒更細，并且孔隙率有逐漸減少的趨勢。對于單預制缺口和雙預制缺口2組試件，隨著預制缺口逐漸偏離中心，2組試件的破壞荷載都有增加的趨勢。對于三點彎曲荷載，隨著偏置距離的增加，剪切力是保持不變的，但彎矩在逐漸變小，也即橫截面的彎曲應(yīng)力會減少。由材料力學理論[16]，對于矩形截面，橫截面上的彎曲應(yīng)力影響遠遠大于截面切應(yīng)力的影響，因此最終破壞荷載會隨著偏置距離的增加而近似線性增加(見圖9，略(b)，9(c))。

3.強度和能量特征：對于尺寸固定的試件，巖石斷裂能的多少能反映巖石抵抗破壞的能力，這一特征量對于分析巖石破壞的穩(wěn)定性具有重要意義[17]。巖石三點彎曲試件的斷裂能可由實驗獲得的荷載–撓度曲線積分獲得，具體的計算公式為：（略），式中：W為試件的斷裂能，P為作用在試件上的荷載，為試件的撓度。式(1)中，積分上、下限分別為0和試樣的斷裂位移。圖11給出了不同埋深玄武巖斷裂能，由圖可知，低埋深(410，510m)下3個試樣斷裂能的離散性很小；埋深較大(810，1010m)下不同試樣間斷裂能的離散性稍大。但通過計算平均斷裂能可以發(fā)現(xiàn)，門頭溝玄武巖的斷裂能是隨著埋深增大的，這說明相同環(huán)境下，深部巖石抵抗破壞的能力要比淺部強。表2為偏心單、雙裂紋組巖樣較大荷載和斷裂能的實驗結(jié)果。從圖12中可以看出，巖樣的平均峰值荷載和平均斷裂能都隨偏心距近似線性增加，并且在相同偏心距下，單、雙裂紋試件無論是峰值荷載還是斷裂能都幾乎一致，這說明在三點彎曲的荷載作用形式下，對于這種小尺度試件，在對稱位置增加一條預置缺陷基本不影響試件的承載能力。#p#分頁標題#e#

結(jié)論

本文借助SEM高溫疲勞實驗系統(tǒng)實時在線觀察了巖石三點彎曲實驗細觀尺度上的變形破壞行為，獲得了如下主要結(jié)論：(1)在三點彎曲荷載作用下，門頭溝玄武巖表現(xiàn)為明顯的脆性破壞特征，一般到峰值荷載的90%～95%才觀察到初始裂紋萌生。對于多數(shù)玄武巖試樣，裂紋從預置缺口處萌生，進而向加載端擴展，最終形成一條連續(xù)主裂紋；少數(shù)情況下，裂紋在試件內(nèi)多個位置同時萌生，這些裂紋各自擴展并貫通形成一條主裂紋。(2)中心預制缺口不同深度的玄武巖的破壞荷載隨著深度增加近似線性增加，主要原因是深部玄武巖更致密，且孔隙率小，這與宏觀實驗結(jié)果[8]吻合；而隨著偏置距離增加，破壞荷載也近似線性增加。(3)門頭溝玄武巖的斷裂能隨著埋深呈增大趨勢，這說明相同環(huán)境下深部巖石抵抗破壞的能力要比淺部強。偏心單、雙裂紋組試樣平均峰值荷載和平均斷裂能都隨預置缺口偏心距呈線性增加的趨勢。在相同偏心距下，單、雙裂紋試件無論是峰值荷載還是斷裂能都相差不大，這說明在三點彎曲的荷載形式下，對于這種小尺寸試件在對稱位置增加一條預置缺陷將幾乎不會影響試件的承載能力。

本文作者：左建平 柴能斌 周宏偉 單位：中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室 中國礦業(yè)大學 力學與建筑工程學院

巖石力學論文:巖石力學中金屬礦山采礦工程的應(yīng)用

摘要：隨著近年來我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，對于金屬材料的需求量也不斷增加，由此，也便對金屬礦山采礦工程提出了更加嚴格的標準要求，基于這一現(xiàn)狀下巖石力學得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文主要探討了巖石力學在金屬礦山采礦工程當中對于地應(yīng)力的測量，以及礦山采礦設(shè)計優(yōu)化等方面的內(nèi)容，希望能夠為相關(guān)的研究人員提供一些有價值的參考。

關(guān)鍵詞：巖石力學；金屬礦山；采礦工程；應(yīng)用

巖石力學起源于較大規(guī)模的工程實踐，在發(fā)展初期巖石力學工程基本都會與采礦工程一同開展。在采礦工程的實踐作業(yè)過程中巖石工程經(jīng)常會有著較大規(guī)模的應(yīng)用，且所面臨的工作環(huán)境也會十分復雜。巖石力學問題始終存在于采礦工程的各個環(huán)節(jié)之中，一方面，采礦工程的巖體是經(jīng)過漫長的地質(zhì)演變所形成的地質(zhì)體，在特定的地質(zhì)環(huán)境當中巖體的力學特性往往會較為穩(wěn)定。另一方面，因采礦工程有著動態(tài)性的特征，巖體的力學性質(zhì)也會受到工程大小與開挖方向而產(chǎn)生相應(yīng)的改變，并且環(huán)境因素也是一項主要影響因素。基于上述特征也便決定了采礦工程中的巖石力學有著高度的復雜性，因此就必須采用多種手段方式來對其展開研究。

1巖石力學概述

巖石力學是探究巖石力學性狀的一門理論與應(yīng)用科學，是力學研究最重要的一項分支內(nèi)容。作為近代才逐漸興起的一門學科，巖石力學的應(yīng)用范圍主要包括了公路、鐵路、地質(zhì)、土木、石油、采礦等眾多與巖石工程有關(guān)的工程領(lǐng)域。對于巖石力學所作出的定義是基于材料概念所提出的，主要受到材料力學或是固體力學的深刻影響。伴隨著相關(guān)巖石力學理論研究以及工程實踐的持續(xù)深入開展，人們關(guān)于巖石的了解也取得了重大突破。首先，要盡量避免將巖石僅僅看作是固體力學中的一種材料類型，作為一種天然型的地質(zhì)體，因此更應(yīng)當將其稱之為巖體，引起具備有相對較為復雜的地質(zhì)構(gòu)造與賦存條件，因此也是一種重要的“不連續(xù)介質(zhì)”。

2礦山地應(yīng)力測量

針對原始地應(yīng)力開展測量工作即為明確出存在于擬開挖巖體，和其附近位置未遭受驚擾的立體化應(yīng)力狀態(tài)，在實施具體的測量作業(yè)時一般是采取連續(xù)不間斷的小幅度測量來實現(xiàn)的。巖體內(nèi)的單點立體應(yīng)力狀態(tài)可通過確定出坐標系內(nèi)的不同分量來代表，相應(yīng)的坐標系確立可依據(jù)實際需求亦或是遵循便捷化原則來進行選擇，多數(shù)情況下會采取地球坐標系來充當測量坐標系。基于多個應(yīng)力分量來進一步獲得位于該點上三維主應(yīng)力程度與位置，這是可以得到精定的。在開展實地測量作業(yè)時，各點所牽涉到的巖石其規(guī)模大小很有可能會是立方厘米級別到數(shù)千立方米級別中的任意一種，其真實的數(shù)值同時還可能會受到所選用的測量方法影響。然而無論其規(guī)模是立方厘米級別的還是數(shù)千立方米級別的，從整體巖石結(jié)構(gòu)的層面來看，基本可將其視作為單點。因地應(yīng)力狀態(tài)存在著較為明顯的復雜性與變化性特征，因此要想能夠較為精準的測出某礦區(qū)內(nèi)的地應(yīng)力大小，便要同時選取多點來進行測量。只有基于這一基礎(chǔ)之上，方可憑借數(shù)值分析及數(shù)理統(tǒng)計、人工智能與模型建構(gòu)等方式，來確定出該礦區(qū)的地應(yīng)力場模型。目前已經(jīng)形成了一整套標準化的測量程序，其步驟流程如下：⑴由巖體表層，通常是地下巷道、隧道向巖體中打孔，指導孔穿透巖體中的測量位置。直徑通常為140mm左右，深度不小于巷道或隧道的2.5倍；⑵由孔底打同心小孔，提供安裝探頭使用，小孔直徑通常為37mm左右，孔深不小于孔徑的10倍；⑶采用專項設(shè)備把二兩探討固定到小孔中部位置；⑷采用薄壁鉆頭加深打孔，確保小孔附近巖芯能夠消除應(yīng)力。

3礦山采礦設(shè)計優(yōu)化

金屬礦床的形成、賦存以及開采穩(wěn)定程度都會直接受制于地應(yīng)力場控制。因此，就必須將地應(yīng)力作為切入點來實施金屬采礦設(shè)計優(yōu)化。按照實際測量所獲得的地應(yīng)力以及工程地質(zhì)實況、水文地質(zhì)、礦巖物理力學特性等資料信息，并再進一步結(jié)合以具體的賦存與開采條件，實施定量測算分析，選取出適當?shù)拈_采作業(yè)方式，明確出合理化的開采布設(shè)方式、結(jié)構(gòu)參數(shù)、開采次序、支護加固、地壓控制等相關(guān)措施手段，來實現(xiàn)對金屬礦山開采的安全保障。具體的優(yōu)化過程為：采集基礎(chǔ)資料確定初步方案多方案測算分析多目標決策優(yōu)化技術(shù)實施現(xiàn)場測取與分析改進并完善方案。這一理論考慮到了采礦巖體本身的非線性特點與采礦多端行及開挖特征，合理化的運用數(shù)值分析、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等現(xiàn)代化的技術(shù)手段，來為保障采礦設(shè)計提供了科學化的手段方式。

4結(jié)語

總而言之，伴隨著巖石力學在金屬礦山采礦工程中應(yīng)用范圍的日漸廣泛，也直接促使我國在巖石力學方面的研究達到了世界經(jīng)驗豐富地位。在本次研究中簡要闡述了巖石力學的基本特點，并進一步就針對巖石力學在礦山地應(yīng)力測量作業(yè)中的實際應(yīng)用情況展開了深入探究，最終對礦山采礦提出了幾點設(shè)計優(yōu)化建議。相關(guān)的工作人員還應(yīng)當充分結(jié)合采礦工程的具體情況，來更加深入的探究巖石力學在采礦工程當中新的應(yīng)用內(nèi)容。

巖石力學論文:巖石力學實驗教學改革探析

摘要：針對我校采礦工程專業(yè)“巖石力學”課程的實驗教學現(xiàn)狀，分析了采礦工程專業(yè)課實驗教學存在的問題，提出了采礦工程巖石力學實驗教學改革的思路與途徑，并對巖石力學實驗室在專業(yè)課實驗教學改革中的探索進行了介紹。

關(guān)鍵詞：采礦工程；巖石力學；實驗教學；教學改革

1概述

專業(yè)課實驗教學是工科專業(yè)教學體系中一個重要的教學環(huán)節(jié)，是提高學生動手能力、理論聯(lián)系實際等能力的重要途徑，它不僅可以直觀培養(yǎng)學生的知識結(jié)構(gòu)，加深其對理論知識的理解與掌握，更重要的是提高學生的實踐操作技能、獨立解決工程實際問題的能力及創(chuàng)新能力。近年來，我校對專業(yè)實驗室建設(shè)與實驗教學改革日益重視，學校投入大量的經(jīng)費和人員加強實驗室建設(shè)，增加了大批先進的實驗教學儀器設(shè)備，改善了我校專業(yè)實驗室條件，同時鼓勵和支持教師積極參與到專業(yè)實驗教學改革中去，在提高專業(yè)課實驗教學質(zhì)量方面取得了一定的成績。但與基礎(chǔ)課實驗教學改革相比，我校專業(yè)實驗教學改革仍處于滯后狀態(tài)。然而專業(yè)實驗教學對加強大學生對專業(yè)知識的掌握以及提高其在今后工作中獨立解決工程技術(shù)問題的能力起著至關(guān)重要的作用。如何充分發(fā)揮專業(yè)實驗室在大學生綜合素質(zhì)培養(yǎng)過程中的作用，提高實驗教學成效，是我校教學體系完善過程中一個亟需解決的問題。

2“巖石力學”實驗教學中存在的問題

目前，我校“巖石力學”實驗教學環(huán)節(jié)中普遍存在如下問題：

2.1實驗教學課時少。

“巖石力學”課程共設(shè)48個學時，實驗課僅為4個學時，占總學時數(shù)的8.3%，導致很多課程中涉及到的實驗不能去做，不能滿足實驗的需求。

2.2實驗教學方法不完善。

采礦工程專業(yè)每個班約35人，一般分為兩個組進行實驗，由于實驗課學時少，學生人數(shù)多，實驗設(shè)備數(shù)目少等問題，以至于大部分學生沒有完整進行實驗的機會，甚至有的實驗只是教師進行演示，而非學生親自動手做。

2.3實驗教學內(nèi)容太單一。

在實驗教學大綱中，“巖石力學”課相關(guān)的實驗僅包括巖石抗壓強度試驗、巖石抗拉強度試驗兩部分內(nèi)容。這兩個實驗均屬驗證性實驗，綜合性和設(shè)計性實驗太少，不利于學生創(chuàng)新意識和能力的培養(yǎng)。

2.4實驗教學考核方式不合理。

長期以來，采礦專業(yè)實驗教學從屬于專業(yè)課（包括專業(yè)基礎(chǔ)課），實驗結(jié)束后，一般不單獨計成績或不計成績，學生實驗?zāi)芰Φ母叩汀嶒炌瓿少|(zhì)量的好壞，在課程考核中幾乎得不到體現(xiàn)，使得學生對實驗課不夠重視。

2.5實驗教學效果不理想。由于實驗教學課時少、教學方法不完善、教學內(nèi)容太單一以及考核方式不合理等問題，嚴重影響了專業(yè)課實驗教學質(zhì)量，不能達到應(yīng)有的效果，專業(yè)實驗室在大學生培養(yǎng)中的作用得不到充分的發(fā)揮。

3實驗教學改革的途徑

為了充分發(fā)揮專業(yè)實驗室在專業(yè)人才培養(yǎng)上的作用，進而提高實驗教學質(zhì)量和效果，必須對實驗教學中存在的上述問題進行研究和改革。可以從以下幾個方面著手對實驗教學進行改革。

3.1增加實驗教學學時。為了彌補實驗教學學時少的不足，充分發(fā)揮實驗室在本科生培養(yǎng)中的作用，適當增加實驗課學時數(shù)，可以將原先純理論講授的部分內(nèi)容在實驗室來上，我們也可以結(jié)合“挑戰(zhàn)杯”中國大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽及“大學生創(chuàng)新性實驗計劃”等課外科技作品競賽，為本科生開展科研課題的實驗研究提供支持。

3.2優(yōu)化實驗教學內(nèi)容。

根據(jù)巖石力學課程教學大綱，在原有實驗課基礎(chǔ)上，增加巖石的剪切實驗、巖石的點荷載實驗等驗證性實驗，還可以根據(jù)開放性實驗課的特點與要求，增設(shè)設(shè)計型、研究型實驗。

3.3完善實驗教學方法。

改變過去教師演示實驗，學生沒有機會親自動手實驗的現(xiàn)象。可以借助實驗錄像讓學生直觀地了解所有實驗教學的內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上學生可以有更多的時間自己動手完成大綱要求的實驗項目。

3.4加大實驗教學考核。

為了調(diào)動學生做實驗的主動性和積極性，實驗課的考核方式需要改變。實驗課考核成績由原來的理論課教師改為由巖石力學實驗室教師來評，實驗室老師結(jié)合同學們的實驗課堂表現(xiàn)和實驗報告等給出實驗課成績，同時應(yīng)加大實驗課成績占課程最終考核成績的比例。

3.5加強實驗室建設(shè)。

包括硬件條件和軟件條件的建設(shè)。在硬件條件建設(shè)方面，增加實驗室建設(shè)經(jīng)費的投入，為實驗室購置實驗教學必備的儀器設(shè)備以保障實驗正常進行。在軟件條件建設(shè)方面，通過改善實驗室環(huán)境，增強實驗學術(shù)氛圍。

3.6增強激勵機制。

學校應(yīng)對實驗室教師給予更多的關(guān)心和支持，制訂相關(guān)激勵政策，鼓勵專業(yè)實驗室教師投身到實驗教學改革中去，為培養(yǎng)高質(zhì)量的專業(yè)技術(shù)人才盡較大的努力。

4結(jié)論

總之，實驗教學在本科生培養(yǎng)中的作用不可替代，無論是教師還是學生都應(yīng)該在思想上真正重視起來，以創(chuàng)新的思路進行專業(yè)課實驗教學改革，有效地發(fā)揮其在人才培養(yǎng)上的潛力。

巖石力學論文:采礦工程巖石力學試驗教學改革研究

摘要:傳統(tǒng)巖石力學試驗教學環(huán)節(jié)存在諸多弊端，如全是單一的驗證性試驗，沒有引入計算機模擬技術(shù)，沒有考慮學生的差異性等等。通過對巖石力學試驗項目進行優(yōu)化組合，引入差異性教學法，實現(xiàn)面向采礦工程專業(yè)的巖石力學試驗教學改革。將巖石力學試驗教學分為三個模塊:模塊1為巖石力學參數(shù)試驗，包括單軸抗壓強度試驗、巴西劈裂試驗、剪切強度試驗、點載荷試驗4個試驗;模塊2為創(chuàng)新試驗，包括單軸壓縮條件下多裂隙試件的變形破壞試驗和鋸齒狀粗糙結(jié)構(gòu)面的剪切試驗;模塊3為巖石力學的數(shù)值模擬演示，主要演示圓盤形試件的巴西劈裂法。積極引導學生完成基本試驗(模塊1)，支持學有余力的學生開展創(chuàng)新性試驗(模塊2)，通過模塊3來提高學生的巖石力學分析能力。

關(guān)鍵詞:采礦工程;巖石力學;試驗教學;創(chuàng)新試驗

巖石力學是研究巖石力學性能的理論和應(yīng)用的科學，是為采礦工程、地質(zhì)工程以及水文工程等專業(yè)開設(shè)的專業(yè)課。通過本課程的學習使采礦工程本科生掌握有關(guān)巖石、巖體的基本力學性質(zhì)，能應(yīng)用巖石、結(jié)構(gòu)面等強度理論對巖體穩(wěn)定性進行評價。了解巖體的力學特性，巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)及其規(guī)律，在此基礎(chǔ)上熟練掌握巖體力學在采礦工程、地下硐室工程中的應(yīng)用，培養(yǎng)專業(yè)技能扎實與綜合素質(zhì)過硬的創(chuàng)新型人才。隨著現(xiàn)代采礦工程規(guī)模和開采強度的不斷增大，在巷道建設(shè)、資源開采過程中面臨的巖石力學問題是相當復雜的，如何利用巖石力學的知識分析采礦工程面臨的技術(shù)難點，從力學層面獲取合理的開采方案、巷道布置方位是目前礦山巖石力學服務(wù)于采礦工程的重要途徑。現(xiàn)代巖石力學的新理論、新方法、新技術(shù)層出不窮，如何在有限的學時里，既重視學生的智能培養(yǎng)，又開拓學生的知識面，使學生在未來的工作中發(fā)揮更大的潛力，這就需要對采礦工程專業(yè)的巖石力學教學內(nèi)容和實踐環(huán)節(jié)進行整體優(yōu)化。巖石力學是一門理論性與實踐性都很強的學科，常以試驗為依據(jù)，巖石力學的試驗教學使學生更好地了解巖石(體)的強度和變形特性，激發(fā)學生的學習興趣。本文旨在探討面向采礦工程專業(yè)的巖石力學試驗教學改革，對巖石力學試驗項目進行優(yōu)化組合，引入差異性教學法，構(gòu)建面向采礦工程專業(yè)的巖石力學試驗教學的三個模塊。

1傳統(tǒng)的巖石力學試驗教學

在教學內(nèi)容上，目前采礦工程專業(yè)的巖石力學試驗教學環(huán)節(jié)包括5個試驗:單軸抗壓強度試驗、巴西劈裂試驗、剪切強度試驗、點載荷和剛性試驗機演示。前4個試驗是巖石力學經(jīng)典試驗，旨在獲得巖石的抗壓、抗拉、抗剪強度，屬于驗證性試驗，其試驗結(jié)論都是大家所熟知的;剛性試驗機演示試驗是教師在巖石剛性試驗機上操作演示，以獲得巖石的全應(yīng)力—應(yīng)變曲線。這5個巖石力學試驗不但進一步增強了學生理解巖石的破壞方式、強度特性和巖石的拉壓比等重要的知識點，而且使學生學會了試驗數(shù)據(jù)的回歸擬合方法。如不少學生對如何獲取巖石抗剪強度兩個參數(shù)的問題百思不得其解，因為教材沒有集中討論如何通過巖石力學試驗獲取巖石抗剪強度參數(shù)［1－2］。在巖石力學試驗教學環(huán)節(jié)的單軸抗壓強度試驗、巴西劈裂試驗，可得到兩個Mohr應(yīng)力圓，用數(shù)學方法做出兩個Mohr應(yīng)力圓的公切線，即為巖石的強度線，其強度線與縱坐標的截距為巖石內(nèi)聚力c，強度線與σ軸的夾角為巖石內(nèi)摩擦角φ。通過試驗教學，大學生直觀地掌握了巖石力學中最重要的兩個參數(shù)。通過剪切強度試驗，獲得不同法向應(yīng)力下的巖石的剪切強度，對其試驗數(shù)據(jù)進行最小二乘法擬合從而得到巖石抗剪強度參數(shù)。這些試驗都是經(jīng)典的基礎(chǔ)巖石力學試驗，但是試驗內(nèi)容比較單調(diào)，試驗方法過于簡單，教科書詳細介紹了其試驗現(xiàn)象和結(jié)論，是驗證性試驗，很難發(fā)揮學生的主觀能動性和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。在教學方法上，傳統(tǒng)的巖石力學試驗教學大多采用先集中講授巖石力學試驗程序、數(shù)據(jù)處理和模型回歸方法，在巖石力學試驗室，教師首先演示試驗操作過程，然后學生分小組進行巖石力學試驗。這種教學方法目的明確，而且條理清楚，學生便于接受。但這種方法往往導致教師講得多、學生做得少，進行巖石力學試驗時，學生按教師講授的試驗步驟亦步亦趨地進行，觀察到的巖石破裂過程、強度特性與教材表達具有一致性，學生無法直觀地理解巖石和巖體力學特性的復雜性，也很難培養(yǎng)他們的試驗創(chuàng)新能力。另外，目前大部分礦業(yè)高校先進的巖石力學試驗設(shè)備只對研究生開放，如巖石力學試驗系統(tǒng)MTS815和巖石剪切流變儀RYL－600，本科生的巖石力學試驗教學使用的設(shè)備陳舊，其度和可操作性都遠遠落后于先進的巖石力學試驗系統(tǒng)。這一方面是保護先進的巖石力學設(shè)備不受損害，但另一方面無法讓本科生領(lǐng)會到巖石力學試驗的博大與精深，從而無法更大程度上激發(fā)大學生學習巖石力學的熱情。

2巖石力學試驗教學的改革

傳統(tǒng)巖石力學試驗教學環(huán)節(jié)存在諸多弊端，如全是單一的驗證性試驗，沒有引入計算機模擬技術(shù)，沒有考慮學生的差異性等等。筆者對采礦工程專業(yè)的巖石力學試驗教學環(huán)節(jié)進行了精細調(diào)整，并在近幾屆本科生中實施，調(diào)整后的巖石力學試驗教學環(huán)節(jié)很受歡迎。面向采礦工程專業(yè)的巖石力學試驗教學改革方案如下:巖石力學試驗教學分為3個模塊。模塊1為巖石力學參數(shù)試驗(驗證性試驗)，教學課時為4學時，包括單軸抗壓強度試驗、巴西劈裂試驗、剪切強度試驗、點載荷試驗;模塊2為創(chuàng)新試驗，教學課時為2學時，創(chuàng)新試驗期間，巖石試驗室對學生實行開放，鼓勵有余力的同學分組設(shè)計試驗;模塊3為巖石力學的數(shù)值模擬演示，教學課時為2學時。改革后的巖石力學試驗環(huán)節(jié)，把引導學生學會科學的思維方法放在首位，試驗教學安排上注意保持了試驗的科學性、先進性和基礎(chǔ)性，同時也注意培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。

2．1創(chuàng)新試驗?zāi)K

根據(jù)本科生的差異性進行分類教學，所有本科生都應(yīng)進行巖石力學試驗教學模塊1;對于學有余力的本科生，引入創(chuàng)新性試驗?zāi)K2，引導學生探索一些非驗證性試驗，包括試驗方案的設(shè)計、試件的制備、先進巖石力學試驗機的操作、試驗數(shù)據(jù)處理和模型回歸等方面的教學。近幾年筆者結(jié)合湖南科技大學現(xiàn)有的巖石力學試驗設(shè)備，主要增設(shè)了兩個創(chuàng)新性試驗，并且取得了良好的教學效果［3－4］。

2．1．1單軸壓縮條件下多裂隙試件的變形破壞試驗

巖石與巖體是巖石力學教學過程中極為重要的兩個基本概念，《巖石力學》教材對巖石與巖體的變形和破壞特性進行了一些定性的描述，如巖體強度遠遠低于巖石強度，巖體變形遠遠大于巖石本身，巖體的滲透性遠遠大于巖石的滲透性。為了使本科生直觀、生動地掌握巖石與巖體的變形和破壞特性的不同，在創(chuàng)新試驗?zāi)K2中首先引入了單軸壓縮條件下多裂隙試件的變形破壞試驗。在試驗前一個月內(nèi)，引導學生將水泥、沙和水按照一定的配比混合，將其配料倒入鋼模內(nèi)，并通過預埋薄鐵片，待試樣初凝后取出預埋鐵片的方法獲得多裂隙巖石類試件。在巖石剪切流變儀RYL－600上進行單軸壓縮條件下多裂隙試件和完整試件的力學試驗。通過這個創(chuàng)新試驗，學生發(fā)現(xiàn)多裂隙試件和完整試件變形、破壞特性不同。多裂隙試件可視為巖體，完整試件可視為巖石，試驗發(fā)現(xiàn)前者的強度遠低于后者，前者的變形大于后者。學生通過創(chuàng)新試驗獲得了一系列定量的試驗數(shù)據(jù)，通過對試驗數(shù)據(jù)處理和模型回歸方法，可以得到諸多定量的結(jié)論，而這些結(jié)論從教科書上無法獲取。圖1為創(chuàng)新試驗1—單軸壓縮條件下多裂隙試件的變形破壞試驗圖，這個創(chuàng)新試驗揭示了巖石與巖體的變形破壞的差異性。學生從這個試驗中不僅深刻領(lǐng)會了巖石與巖體的力學特性的不同，更重要的是學會了如何通過設(shè)計試驗來探索一些深奧的巖石力學問題。

2．1．2鋸齒狀粗糙結(jié)構(gòu)面的剪切試驗

結(jié)構(gòu)面抗剪強度與很多因素有關(guān)，如法向應(yīng)力、結(jié)構(gòu)面粗糙程度等，為了使學生更好地了解結(jié)構(gòu)面粗糙程度對抗剪強度的影響，引入了鋸齒狀粗糙結(jié)構(gòu)面的剪切試驗。通過該試驗，學生將發(fā)現(xiàn)光滑結(jié)構(gòu)面和粗糙結(jié)構(gòu)面的變形和強度存在很大差別。該創(chuàng)新試驗旨在使學生掌握巖石結(jié)構(gòu)面的粗糙程度對抗剪強度的控制作用，理解不同性質(zhì)結(jié)構(gòu)面摩擦特性的差異性。圖2為創(chuàng)新試驗2—鋸齒狀粗糙結(jié)構(gòu)面剪切試驗圖。上述兩個創(chuàng)新試驗?zāi)軒椭鷮W生更好地理解巖體與巖石強度和變形特性的差異性、結(jié)構(gòu)面粗糙度對抗剪強度的影響這兩個重要的知識點，很好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和動手能力，以及靈活運用所學知識、理論聯(lián)系實際的能力，真正做到學以致用。

2．2數(shù)值模擬演示

隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)數(shù)值計算軟件的不斷成熟，利用數(shù)值軟件對巖石的變形與破壞過程進行數(shù)值試驗已成為科學研究和工程應(yīng)用中非常重要的方法。與傳統(tǒng)巖石力學試驗相比，具有針對性強、靈活方便、可重復性等特點，通過數(shù)值模擬可以將巖石力學試驗中不易觀測的現(xiàn)象、應(yīng)力變化情況直觀地演示出來，讓學生更好地理解巖石的變形、破壞等情況［5］。在巖石力學試驗教學的模塊3中，主要以巴西劈裂法為例作為數(shù)值模擬的演示。模塊1的巴西劈裂試驗發(fā)現(xiàn)在加載過程中裂隙從圓盤形試件的中央產(chǎn)生，該裂隙被認為是受拉裂隙。對于在圓盤形試件上施加壓應(yīng)力為何在試件的中央會產(chǎn)生拉裂隙的問題，許多學生不得其解。為了回避高深的彈性力學推導，大部分《巖石力學》教材對拉裂隙的產(chǎn)生原因沒有詳細說明，只是簡單給出了抗拉強度的計算公式。在巖石力學試驗教學環(huán)節(jié)中引入巴西劈裂法作為數(shù)值模擬演示。通過數(shù)值模擬演示，學生可以清楚地領(lǐng)會到拉應(yīng)力沿試件的中心線均勻分布，在加載點附近表現(xiàn)為局部壓應(yīng)力，數(shù)值模擬演示直觀地闡述了圓盤形試件巴西劈裂的受力機理。

3結(jié)語

筆者對采礦工程專業(yè)的巖石力學試驗教學環(huán)節(jié)進行了精細調(diào)整，考慮到學生的差異性，將巖石力學試驗教學分為三個模塊:模塊1為巖石力學參數(shù)試驗包括單軸抗壓強度試驗、巴西劈裂試驗、剪切強度試驗、點載荷試驗4個試驗;模塊2為創(chuàng)新試驗，包括單軸壓縮條件下多裂隙試件的變形破壞試驗和鋸齒狀粗糙結(jié)構(gòu)面的剪切試驗;模塊3為巖石力學的數(shù)值模擬演示，主要演示圓盤形試件的巴西劈裂法。

巖石力學論文:巖石力學在采礦工程中的應(yīng)用

一、巖石力學在采礦工程中的應(yīng)用

1.1對于深部開采所帶來的災(zāi)害預測

要知道對于礦山的深部開采是一件具有一定危險系數(shù)的工作，可能會遇見礦震、巖石爆炸等危險。并且這類事故是常有發(fā)生的，目前已經(jīng)有很多國家有過類似的經(jīng)歷，比如南非就曾經(jīng)經(jīng)歷過震級達到M5.1級的巖爆，這種巖石爆炸的破壞力以及殺傷力是十分巨大的，但是目前對于巖爆的預防以及防止工作卻沒有引起相應(yīng)的重視。施工隊伍對礦山的開采已經(jīng)越來越深入，所面臨的危險也自然越來越大，因此對于這方面必須加以重視。應(yīng)用巖石力學的相關(guān)知識對工程地質(zhì)進行調(diào)查、應(yīng)力測量以及一些巖石力學實驗，通過對能量的聚集和變化的研究去探討巖爆的發(fā)生原理，從而對巖爆進行一定的防治工作。

1.2礦山地應(yīng)力場測量

地應(yīng)力是存在于地質(zhì)底層中的天然力量，它是引起在巖石開挖過程中地質(zhì)發(fā)生變化的力量，對其進行研究是對于開采方案進行研究的首要前提。對于采礦工程來說，實現(xiàn)必須要了解掌握具體工程中的地應(yīng)力狀況，這樣才能對礦山進行合理的總體布置并且選取適當?shù)牟傻V方法。長期以來，我們所生存的地球已經(jīng)經(jīng)歷了無數(shù)次的構(gòu)造運動，逐步演變出地球地應(yīng)力復雜性，要想安全的進行采礦工程，就必須對其進行實地應(yīng)用力測量。

1.3大型深凹露天礦邊坡設(shè)計優(yōu)化

現(xiàn)在我國已經(jīng)有很多露天礦山開采轉(zhuǎn)為了深凹開采，隨著開采難度的越來越大，對于安全性以及穩(wěn)定性的維護就越來越難，邊坡滑移的破壞事故發(fā)生日益頻繁，這些都要嚴重的威脅到了礦山開采工作的安全性。但是，減少邊坡角滑坡事故與增加成本之間卻出現(xiàn)了矛盾，對于這種情況，我們就需要經(jīng)過的定量而不只是定性計算并充分考慮巖體條件和地應(yīng)力的作用，在能夠保障安全的前提條件下，盡量的節(jié)省成本，保障工程效益。現(xiàn)如今巖石力學已經(jīng)在采礦工程中的很多方面都得到了應(yīng)用，但我國仍然在不斷的進行理論研究，對于那些更復雜的工程將會提出更加合理的解決方案。巖石力學在采礦工程中的應(yīng)用將會朝著多學科相互交叉和多種知識手段綜合的趨勢逐步發(fā)展，采取一定的措施對災(zāi)害的非線性動力過程進行預測和防治。

二、結(jié)語

相信隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國正在全力發(fā)展中國特色的工業(yè)化道路。年輕的巖石力學研究者也在不斷努力，克服在采礦工中出現(xiàn)的地應(yīng)力以及邊坡滑移等因素造成的影響，迎來我國巖石力學研究的新時代，更好的造福于我國的采礦事業(yè)，為國家工業(yè)發(fā)展貢獻一份力量。

作者：曹旭 單位：河南省永煤集團

巖石力學論文:巖石力學與工程地質(zhì)的交叉融合與創(chuàng)新

自原始社會，人類已開始利用巖石制作工具和武器，并逐漸學會在巖石中開采礦產(chǎn)資源，利用巖石作建筑材料，依托巖體建造地下工程，可見巖石力學與人類生活緊密相關(guān)。近年來，巖石工程發(fā)展迅速，世界上已建成的大壩高度已達300余米，地下工程的開挖深度也已超過3000米，然而更巨大、更復雜的巖石工程還在日益增加，巖石力學的新理論、新方法、新技術(shù)亟待發(fā)展。

巖石力學是一門研究巖石在外界因素，如荷載、水流、溫度、化學、生物過程變化等作用下的應(yīng)力、應(yīng)變、穩(wěn)定性及工程加固的學科。清華大學水利系副教授劉曉麗通過物理模型試驗、理論分析以及數(shù)值模擬相結(jié)合的途徑，針對巖土力學與巖土工程問題，特別是地下工程的開挖，開展了深入細致的研究，取得了創(chuàng)新性研究成果。

從“地上水庫”到“地下水庫”

坐在記者面前的劉曉麗前24小時剛出差回來，“跑現(xiàn)場”對于他來說是家常便飯，但身體上的疲憊從來不會影響他投入工作的熱情。

位于內(nèi)蒙古省的鄂爾多斯是個干旱缺水的地區(qū)，據(jù)劉曉麗調(diào)查，在當?shù)孛渴褂?立方水需要花去9元，而在北京只需要5元，水資源對鄂爾多斯來說是極其寶貴的。然而，缺水的鄂爾多斯卻擁有著豐富的煤礦資源，開采業(yè)的繁榮支撐了代代人在這里繁衍生息。

但不容忽視的問題是，在煤礦開采過程中會破壞煤層及上下巖櫻貯存于其間的地下水系統(tǒng)便會遭到破壞，水資源不斷滲流到開采空間，輕則影響開采過程，重則發(fā)生重大突水事故，威脅煤礦工人安全。傳統(tǒng)做法是用水泵把地下水從工作面排到地表，自然蒸發(fā)而散。鄂爾多斯所在的西北地區(qū)水蒸發(fā)量是降水量的6倍以上，上述做法無疑是對寶貴的地下水資源極大的浪費，水資源的短缺不但威脅著人的生活，也嚴重影響了地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

為了保水，傳統(tǒng)的辦法是把開采的厚度大大減少，盡量防止煤層上下層巖石的破壞，這樣便可把水繼續(xù)保存在地下，但這樣做是以大量煤炭資源為代價。一方面是作為國家重要經(jīng)濟支柱之一的煤炭資源；一方面是關(guān)系國計民生的水資源。二者如何協(xié)調(diào)開采成為一大難題。

在水利工程方面經(jīng)驗豐富的劉曉麗及其研究團隊見狀后決定逆其道而行之。“大禹治水，疏而導之”，劉曉麗規(guī)劃保持原有的開采厚度，“這樣做水必定會大量涌進采空區(qū)，但如果在地下建立大壩和水庫，就可以把水截住并存留在地下”。想法剛一提出，劉曉麗便遭到了老專家和施工方的強烈反對，他們大多認為，水是煤礦的重大威脅，以前的做法都是“排水治災(zāi)”，現(xiàn)在卻要“儲水致災(zāi)”。

大膽創(chuàng)新，但不是無稽之談。劉曉麗及其團隊用數(shù)據(jù)一步一步反復推導，嘗試無數(shù)次實驗，最終將想法變成現(xiàn)實。建大壩把水截留在地下后，再建數(shù)個水庫，將他們一一連通，通過水庫間的調(diào)水，保障了煤炭開采的安全。并且“流水不腐”，水會隨著自身在水庫間的流動得到凈化，在水庫中經(jīng)過多次循環(huán)流動后的地下水甚至可以直接飲用，既充分開采了煤炭資源又保護了水資源。這是世界首座示范工程，和神華集團合作建成，2014年開始運行。目前，還有十多個煤礦、巖鹽礦等待劉曉麗及其團隊去實踐這項技術(shù)和工程。在這項工程設(shè)計、建設(shè)和運行過程中，劉曉麗及其團隊研究分析了采動影響下滲流場演化、水巖耦合巖體破壞機理、分布式水庫儲水機理、地下?lián)跛ㄖ€(wěn)定性、物理模型試驗研究等關(guān)鍵科學問題。

美國工程院院士、賓夕法尼亞州立大學教授Derek Elsworth這樣評論煤礦地下水庫技術(shù)：“創(chuàng)新地將大量稀缺水資源儲存于煤礦地下水庫的技術(shù)，真正實現(xiàn)了煤炭資源和水資源的協(xié)調(diào)、安全和高效開發(fā)，為煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了很好的范例。”

近8年來，劉曉麗及其團隊在“廢棄礦山再利用”和“煤礦地下水處置及高效利用”方面一直在不斷創(chuàng)新和突破，上述煤礦地下水庫工程只是其工程研究中的一部分。2010？2011年，他們依托遼寧阜新露天煤礦設(shè)計了國內(nèi)首座廢棄煤礦抽水蓄能工程；2013？2014年，他們設(shè)計并搭建了國內(nèi)外首個庫水巖耦合大型三維物理模型試驗平臺（長8米，寬2米，高4米）。自2015年起，他們提出了“煤礦地下水原位凈化及分質(zhì)儲用技術(shù)”，既在煤礦地下水庫建設(shè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對于水質(zhì)差的煤礦地下水，研發(fā)小型模塊化凈水裝備，在地下實現(xiàn)水質(zhì)凈化，并供給生產(chǎn)和生活應(yīng)用。目前這項技術(shù)也正在示范工程實踐過程中。

從獨辟蹊徑的設(shè)想到切實可行的實踐，劉曉麗及其團隊用科技創(chuàng)新解決了生活中的大問題。

“上天容易入地難”

20年前，還在讀高中的劉曉麗就對與力學、結(jié)構(gòu)有關(guān)的物體有濃厚的興趣，因為老師的一句話――“世界上一切東西都和力學相關(guān)”更堅定了他與力學的緣分。從那以后，劉曉麗對物理和力學的癡迷便一發(fā)不可收拾。

1997年，劉曉麗被遼寧工程技術(shù)大學理論與應(yīng)用力學專業(yè)錄取。“力學本身偏理論，必須和具體的學科結(jié)合，時任中國空間技術(shù)研究院副院長的馬興瑞（現(xiàn)為廣東省委副書記，省長）學長是我們學習的楷模，受他的影響，我立志也要搞航空航天。”

人生就像巧克力，你永遠不知道下一顆是什么味道。剛剛立志的劉曉麗就突然決定放棄航空，轉(zhuǎn)做地下工程。這次，同樣因為老師的一句話。“上天容易，入地難”，一位在流體力學領(lǐng)域非常著名的老教授對他說。距飛機誕生那天已經(jīng)過去了100多年，人類早已揭開了外太空的神秘面紗，“再做研究就是在此基礎(chǔ)上修改”，但要想進入地下似乎就沒那么簡單了。地下的地質(zhì)情況異常復雜，受其固體狀態(tài)的影響更加阻礙了人類的探索。這一切對于劉曉麗來說卻更具吸引，也更具挑戰(zhàn)。“后來我就對地下的東西感興趣，和地質(zhì)相關(guān)，做地下工程”。

2001年，劉曉麗考取遼寧工程技術(shù)大學工程力學研究生，研究方向就此轉(zhuǎn)向土木和地下工程。“力學理論性很強，推導公式、研究數(shù)學，一旦和工程結(jié)合，就落地了，需要把工程做出來。”最典型的例子就是三峽工程。

3年后，劉曉麗又以優(yōu)異成績考入清華大學土木水利學院，師從工程地質(zhì)界德高望重的王思敬院士開始攻讀水利工程博士學位。求學過程中，王院士告誡劉曉麗做工程以外還要兼顧一些基礎(chǔ)研究，因為工程以技術(shù)為主，在技術(shù)中碰到的很多問題是無法解釋的，這時候就需要發(fā)展新的理論。劉曉麗便開始在工程現(xiàn)場和實驗室間兩頭跑，雖然辛苦，但收獲頗多。

隨后，在導師的建議下劉曉麗又出國深造，遠赴瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學（EPFL）從事隧道及地下工程研究。在瑞士，劉曉麗接觸了機械破巖的相關(guān)研究。他的導師Jian Zhao是TBM（Tunnel Boring Machine）高效破巖領(lǐng)域的國際知名專家。TBM即隧道掘進機是利用機械刀具開挖巖石進行掘進，形成整個隧道斷面的一種新型、先進的隧道施工機械。TBM代替了人力，消除了人工地下施工的危險，而且集鉆、掘進、支護于一體，使用電子、信息、遙測、遙控等高新技術(shù)對全部作業(yè)進行制導和監(jiān)控，使掘進過程始終處于狀態(tài)，因此得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在很多地鐵及隧道工程都使用TBM來開挖。對TBM高效破巖方面的學習對劉曉麗的水利工程工作無疑是錦上添花。

1年后，劉曉麗回清華大學進行博士答辯。隨后，他得到了兩個工作機會：中石油勘探開發(fā)研究院和清華大學水利系。去哪兒？他面臨抉擇。中石油勘探開發(fā)研究院，“既要挖地下工程，還要把油氣資源拿上來，是和我專業(yè)特別相關(guān)”，一直在高校接受理論化知識的劉曉麗深感自己真正接觸工程的經(jīng)驗少之又少。他想腳踏實地做點實際的事情，但企業(yè)始終有它的局限性――需要服從領(lǐng)導分配，沒有自主權(quán)。再三考慮，劉曉麗最終選擇研究氛圍好，同樣有機會做工程的清華大學，成為了一名講師。

收獲巖土力學的科研碩果

4年后，在崗位上兢兢業(yè)業(yè)的劉曉麗升為副教授，博士生導師，他教師從業(yè)的職業(yè)生涯又邁上了一個臺階。期間，獲包括國家科技進步獎二等獎（第8）等獎項4項；發(fā)表學術(shù)論文80余篇，其中國際期刊論文20余篇，應(yīng)邀出版專著1部。2015年，劉曉麗還得到國家青年科學基金項目――“巖土力學與巖土工程”。在他看來，優(yōu)青項目是一次“對前期工作的總結(jié)，對日后工作的展望”。

日前，我國國家戰(zhàn)略提出需建立支撐可持續(xù)發(fā)展的能源資源環(huán)境技術(shù)體系，加強南水北調(diào)、三峽等重大水利工程建設(shè)與安全保障技術(shù)研發(fā)，這些重大工程則需要工程安全控制及評價技術(shù)、非常規(guī)水資源利用關(guān)鍵技術(shù)、煤礦地下水庫技術(shù)等的發(fā)展。基于此，劉曉麗及其團隊提煉出“水巖作用及其多尺度效應(yīng)的研究”這一方向，他認為開展這項基礎(chǔ)理論研究十分必要，也十分緊要。

針對巖石材料的連續(xù)和非連續(xù)狀態(tài)、多尺度特性，現(xiàn)有的理論并不完善，計算分析誤差也很大，劉曉麗希望圍繞“復雜條件下多尺度水巖系統(tǒng)模型”和“水巖系統(tǒng)的過程演化與耦合機制”這兩個關(guān)鍵科學問題，提出“水巖作用系統(tǒng)”概念。在此基礎(chǔ)上，他已開展了三個層面的研究-多尺度水巖耦合系統(tǒng)的過程演化研究、開挖擾動條件水巖耦合作用機制研究和水巖耦合作用巖土介質(zhì)破壞過程研究。

據(jù)統(tǒng)計，90%以上的巖體邊坡破壞、60%礦井事故、30%？40%的水利水電工程大壩失事都與水巖耦合作用有關(guān)，即地質(zhì)體系統(tǒng)（應(yīng)力場）與地下流體系統(tǒng)（滲流場）相互聯(lián)系、相互作用。劉曉麗自2001年攻讀碩士學位以來就開始了水巖耦合機理及分析方法的研究工作，但由于地下巖土中各種過程的任意性和不確定性，使得水巖耦合問題的研究得復雜和具有挑戰(zhàn)性。通過物理模型試驗、理論分析以及數(shù)值模擬相結(jié)合等途徑，他針對巖土介質(zhì)的非均質(zhì)和各向異性等特點，圍繞水巖耦合及其多尺度特性開展了深入而細致的研究，并取得了一系列創(chuàng)新性研究成果。

在多尺度水巖耦合系統(tǒng)的過程演化研究中，他提出“多尺度巖體結(jié)構(gòu)數(shù)字化描述方法”，解決了地質(zhì)體結(jié)構(gòu)多尺度間的內(nèi)在聯(lián)系（即尺度關(guān)聯(lián)）難題，發(fā)表相關(guān)論文被SCI檢索收錄5篇，EI檢索8篇，獲1項軟件著作權(quán)、巖石力學與工程學會博士學位論文獎和水力學會大禹獎，并多次收到學術(shù)大會的特邀報告邀請；他提出的“數(shù)字巖體模型構(gòu)建方法及數(shù)值模擬技術(shù)”，解決了數(shù)據(jù)不完備的地質(zhì)系統(tǒng)與理論嚴密的精細力學模型和數(shù)值計算方法之間的相互脫節(jié)問題。其次，他發(fā)展了宏細觀多尺度數(shù)字巖體模型及其工程特性評價方法，基于數(shù)字巖體模型，他首次提出了水巖作用分析的表征單元體概念，并應(yīng)用水巖作用模型，采用水巖表征單元體分析了大壩上抬現(xiàn)象。此外，他建立的多尺度水巖耦合系統(tǒng)的過程演化理論與數(shù)學模型完善了有效應(yīng)力原理，使物理意義更明晰，耦合機制更。

在開挖擾動條件下水巖耦合作用機制研究中，他根據(jù)圍巖漸進破壞過程與滲透空間結(jié)構(gòu)變異的關(guān)系建立了大型水巖耦合試驗平臺。美國賓夕法尼亞州立立大學教授、美國工程院院士Derek Elsworth訪問清華期間參觀了這個試驗平臺，交流中他說：“這簡直是一項不可能完成的任務(wù)，新平臺、新材料、新工藝、新開挖方式，我期待它表現(xiàn)”。另外，劉曉麗還發(fā)現(xiàn)了裂隙巖體多流態(tài)地下水滲流變化特征，圍繞此研究發(fā)表的論文被SCI檢索收錄6篇，EI檢索5篇，申請專利4項，軟件著作權(quán)1項，并獲國家科技進步獎二等獎；不僅如此，他還揭示了水巖作用系統(tǒng)中裂隙自愈合的作用機制，實驗結(jié)果證明水巖系統(tǒng)具有自愈合能力，這一點對于理解開挖擾動引起的損傷發(fā)展具有重要意義。

在水巖耦合作用下巖土介質(zhì)破壞過程研究中，他提出了水力驅(qū)動裂紋萌生和擴展的模式，獲中國地質(zhì)學會工程地質(zhì)專業(yè)委員會谷德振青年科技獎；此外，他建立了水力劈裂過程的連續(xù)-非連續(xù)數(shù)值模型，提出的MCZM（Multiscal Conhesive Zone Model）和IPFEM（Immersed Particle FEM）方法有效地解決了強滲壓作用下強固結(jié)和弱固結(jié)介質(zhì)水力破壞過程難以表征的難題。

目前，劉曉麗的研究成果已在多個重大水利工程中得到應(yīng)用，為水庫蓄水過程大壩工程及庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

未來，他計劃圍繞“動靜組合載荷下水巖系統(tǒng)超孔隙水壓力響應(yīng)及致裂機制”和“水力多尺度裂紋擴展和多流態(tài)滲流評價與控制原理”這兩個巖土力學與巖土工程中的關(guān)鍵科學問題開展研究。

劉曉麗的研究涉及到水利水電工程建設(shè)、資源和能源的開采與開發(fā)、核廢料地質(zhì)處置的環(huán)境風險評價等方面，一直以來也都是國際巖石力學領(lǐng)域研究的熱點和難點。在傳統(tǒng)水巖耦合問題研究中，通常考慮靜力作用或擬靜力作用下應(yīng)力與滲流的相互作用，但在實際工程中，靜力載荷（巖石賦存環(huán)境，如地應(yīng)力等）和動力載荷（外部擾動載荷，如地震或爆破等）是共存的，只有研究動靜組合載荷作用下水巖耦合作用機制才能真實反映實際工程中水巖耦合系統(tǒng)的工程行為。但是，相關(guān)研究工作還很匱乏。

劉曉麗希望，從動靜組合載荷下水巖系統(tǒng)超孔隙水壓力響應(yīng)、超孔隙水壓力致裂機制研究、動靜組合載荷下水力致裂控制理論3個方面開展動靜組合載荷作用下水巖系統(tǒng)超孔隙水壓力響應(yīng)及致裂機制研究。他致力于揭示動靜組合載荷下巖體超孔隙水壓力的產(chǎn)生機制，建立動靜組合載荷下滲流流態(tài)識別和水力致裂分析方法，形成一套動靜組合載荷下工程水巖耦合穩(wěn)定性分析測試手段和安全控制技術(shù)，拓展和豐富水巖作用過程演化的理論和內(nèi)容。這無疑對于豐富水巖多物理場理論、研發(fā)新型水巖系統(tǒng)試驗平臺和設(shè)備、評價水巖系統(tǒng)相關(guān)的巖石或巖土工程穩(wěn)定性產(chǎn)生重要科學意義和工程應(yīng)用價值。

尋求科研的世致用

采訪過程中，不斷有人敲響劉曉麗辦公室的門，他的確很忙。采訪之際，正值臺灣成功大學來京與清華大學開展學術(shù)交流，劉曉麗十分看重類似的交流機會，“只有通過學術(shù)交流才能知道別人在做什么，與別人的差距”。

交流總能碰撞出新的火花。在一次莫納什大學教授來華交流會上，與會的20位專家被分為4組進行小組討論，討論的問題是“巖石力學未來研究方向”，劉曉麗也在其中。會議結(jié)束時，大家達成了共識――深部地下工程、地熱、核廢料處置3個問題將是巖石力學未來研究的主流問題，也是日后共同合作的方向。這個經(jīng)歷只是劉曉麗眾多交流中的一次，他熱衷于與同行們分享交流，已和澳大利亞莫納什大學、西澳大學、香港理工大學、美國賓夕法尼亞大學等高校建立了長期合作關(guān)系。

身為老師，劉曉麗常常鼓勵學生創(chuàng)新，“奇思妙想，不是天方夜譚”。他從不會給學生規(guī)定題目，而是讓他們自己想，他所做的就是評估方案的可行性和盡可能地為他們提供平臺和經(jīng)費。

如今建樹頗多的劉曉麗在工作中游刃有余，殊不知，在剛?cè)胄械臅r候他也曾打過退堂鼓。地下的很多東西對于人類來說都是未知的，即使能探測但也受深度和精度的限制，“千里之提，潰于蟻穴”，即使是個很小的螞蟻洞，如果探測不到，就很有可能對工程造成巨大影響。他說：“很多東西提前很難知道，很隨機，這次成功不能保障下一次也成功，可能這次恰巧沒有不良地質(zhì)體，可能下次就會遇到”，這或許是每個剛?cè)胄腥说臒o奈。

后來，劉曉麗就找到自己的導師希望尋求解答，導師對他說：“對于巖石工程，做很多研究不見得知道是什么東西，但是我拿錘子敲一下，一聽聲音就知道是什么了”。這句話使他至今難忘并受用一生。其實，工程學就是通過無數(shù)次實踐來慢慢積累經(jīng)驗，從而做出的判斷。從那以后，劉曉麗柳暗花明。

生于1978年的劉曉麗認為自己需要學習研究的還有很多，他也在腳踏實地的繼續(xù)奮斗向前。沒課的時候，他會跑到地質(zhì)現(xiàn)場做調(diào)查，再回到實驗室做研究，始終保持著一顆勇于創(chuàng)新的心。再過幾十年，等劉曉麗老了的時候，當他拿起錘子敲一敲，便會知道那是什么？？

巖石力學論文:礦山生產(chǎn)特點與礦山巖石力學特征

摘 要：通過研究，對礦山生產(chǎn)特點以及礦山巖石力學特征進行了系統(tǒng)性的分析，核心目的是通過對礦山生產(chǎn)工程項目的設(shè)計分析，保障資源運用的合理性，并為礦山巖石力學結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：礦山生產(chǎn)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；礦山巖石力學；特征分析

由于礦山生產(chǎn)技術(shù)的差異性，在其礦山結(jié)構(gòu)資源優(yōu)化的背景下也就產(chǎn)生了其自身獨特性的資源優(yōu)勢。針對礦山產(chǎn)業(yè)特征，分析了礦山生產(chǎn)特點、礦山巖石力學特征等要素，通過對礦山諸多力學因素的分析確定，可以優(yōu)化礦山生產(chǎn)的基本結(jié)構(gòu)，為礦山資源的開發(fā)利用提供良好支持。同時，鑒于國內(nèi)多數(shù)礦山對巖石力學在礦山生產(chǎn)中的指導作用、地位認識不清，重視不夠的現(xiàn)狀亟待改變，也是撰寫本論文的出發(fā)點之一。

1 礦山生產(chǎn)特點

（1）礦山的生產(chǎn)年限相對較短。對于礦山生產(chǎn)的基本條件而言，其年限相對較短是礦山巖石力學分析中所需要考慮的重要因素，通常情況下，礦山的生產(chǎn)年限在十幾到幾十年之間，這種現(xiàn)象與其他產(chǎn)業(yè)的狀況存在著一定的差異。因此，在礦山巖石力學研究中，需要通過對其有間的分析，進行安全、穩(wěn)定工作項目的設(shè)計，為巖石力學的合理運用提供保障，從而使礦山企業(yè)在經(jīng)濟效益與安全穩(wěn)定運行之間取得平衡；同時也需要在礦山項目生產(chǎn)之中，運用巖石力學原理，進行巖石穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與時間關(guān)系的對比分析，從而為礦山企業(yè)節(jié)約支護成本，優(yōu)化結(jié)構(gòu)資源提供依據(jù)[1]。

（2）礦山中各類巷道的作用。在對礦山巷道作用分析的過程中，其類型不同導致其重要性發(fā)生了一定的轉(zhuǎn)變，因此，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會存在著一定的不同。在對一些巷道的分析與設(shè)計中，需要兼顧其結(jié)構(gòu)設(shè)計的當前性及空間的足夠性，通過對巖石穩(wěn)定性工程項目的合理分析，對巖體應(yīng)力及強度進行系統(tǒng)調(diào)節(jié)，在這種狀態(tài)下，之后進行細微的處理，就可以完成正常的工程項目設(shè)計內(nèi)容。同時，在工程項目實踐的背景下，巷道圍巖在力學中存在著不穩(wěn)定的現(xiàn)象，比如發(fā)生巷道跨冒等問題，則需要作進一步的分析論證，調(diào)整工程項目設(shè)計內(nèi)容，以充分實現(xiàn)巷道作用功能和穩(wěn)定運行。

（3）礦山巷道更新速度快。對于礦山巷道工程項目的內(nèi)容而言，礦山巷道不但數(shù)量龐大，而且處于不斷的更新之中，主要是由于在礦山生產(chǎn)中，伴隨著新巷道的挖掘，舊巷道也就會隨之銷毀。致使在礦山正常生產(chǎn)的過程中，對巷道支付的維持費用過高，成為制約礦山經(jīng)濟效益的重要因素。因此，在礦山巖石力學分析的背景下，需要通過對礦山生產(chǎn)特點、礦山基本需求的分析，通過降低成本方法的運用，構(gòu)建經(jīng)濟化的礦山運行模式及維持方案，有效緩解礦山巖石力學的限制性因素，為礦山結(jié)構(gòu)的資源優(yōu)化及礦山工程項目的展開提供有力支持。

2 礦山巖石力學特征

（1）礦山安全生產(chǎn)的隱患。在礦業(yè)開發(fā)的過程中地下開采礦石所占的比例相對較大，而且今后會越來越大，如果在工程項目設(shè)計題的構(gòu)建中，忽視了對巖石力學知識的專業(yè)性原理分析，以及運用巖石力學理論指導礦山生產(chǎn)，會為安全生產(chǎn)造成一定的隱患。因此，在該種背景下，就需要通過對現(xiàn)階段礦山巖石力學特征進行分析，通過對操作規(guī)程、勞動紀律等問題的分析，通過對現(xiàn)場生產(chǎn)狀況的分析，構(gòu)建安全性的工程項目生產(chǎn)原則，并在礦山生產(chǎn)中及時地檢查、監(jiān)督和落實，充分發(fā)揮出巖石力學的生產(chǎn)及指導作用，杜絕和避免安全事故的發(fā)生，提升礦山經(jīng)濟發(fā)展的基本效益[2]。

（2）運用巖石力學進行的礦山生產(chǎn)。對于巖石力學基礎(chǔ)知識而言，其貫穿于礦山基礎(chǔ)項目建設(shè)、礦石生產(chǎn)的全過程。因此，在礦山安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，如何有效運用巖石力學專業(yè)性的指導作用，達到安全生產(chǎn)的目的逐漸成為礦山巖石力學特征分析中較為重要的因素。例如，在鑿巖爆破工程設(shè)計中，為了提高工程項目的施工效率和經(jīng)濟效益，需要通過對巖石類型的分析，進行炸藥消耗量的確定；通過對巖石力學性質(zhì)的分析，確定巖石的掏槽方式及炮眼抵抗線大小；通過對巖層狀況的分析，合理布置炮眼形式及炮眼數(shù)目，從而為爆破方法以及起爆順序的優(yōu)化提供支持。

（3）礦山巖石力學知識的生產(chǎn)成效。及時，通過對巖石力學知識的運用，可以優(yōu)化鑿巖爆破設(shè)計工作，提高爆破的效率和爆破質(zhì)量，改善爆堆形狀和減少大塊率，進而提高礦巖運輸效率，加快井巷掘進速度；確定井巷支護條件，合理選擇支護方式和支架類型，大大節(jié)約支護成本；分析采場地壓及其應(yīng)力分布特點，指導地壓控制與管理工作；開展巖體工程分類工作，為工程設(shè)計與施工提供必要的參數(shù)；進行邊坡穩(wěn)定性分析與監(jiān)測，合理邊坡加固方案，及時消除安全隱患問題，從而為工程項目的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和礦山巖石力學結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化提供充分保障。第二，針對礦山巖石力學特征，充分結(jié)合開采的具體情況，進行規(guī)范性、合理性的工程項目操作設(shè)計與指導，優(yōu)化開采順序提高礦石回采率，保持采礦、剝巖之間正常的超前關(guān)系或者開拓、采準、開采之間的有序順行，從而為工程項目管理策略的優(yōu)化和資源優(yōu)化提供良好支持。第三，應(yīng)用巖石力學知識，完善工程項目施工方案，合理制定作業(yè)循環(huán)圖表，提高施工組織水平；優(yōu)化施工標準，提高工程檢驗、監(jiān)測技術(shù)水平，避免工程隱患問題的發(fā)生，為工程質(zhì)量檢測方法以及工程驗收標準的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有效支持[3]。

3 結(jié)束語

總而言之，在現(xiàn)階段礦山特點以及礦山巖石力學分析的過程中，需要通過對其基本內(nèi)容的分析，通過巖石結(jié)構(gòu)、巖石力學性能以及巖石種類的分析，通過專業(yè)技術(shù)人員崗位職能的優(yōu)化，并根據(jù)目標項目內(nèi)容的構(gòu)建要求，制定詳細的經(jīng)濟管理責任體系，提出相關(guān)企業(yè)人員奮斗目標，創(chuàng)新施工組織與管理模式，從而為礦山巖石力學結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供有效支持。

巖石力學論文:《巖石力學》及實驗課課程教學改革研究

摘要：根據(jù)我校城市地下空間工程專業(yè)中《巖石力學》課程及實驗教學現(xiàn)狀，對該課程及專業(yè)實驗教學中存在的問題進行分析和探討，提出了一些《巖石力學》及實驗課程教學改革的新思路與新途徑，文章將淺析《巖石力學》及實驗課課程教學改革研究方法及手段。

關(guān)鍵詞：巖石力學；實驗課程教學；改革研究

一、前言

巖石力學是研究巖石力學性能理論和應(yīng)用的科學，能夠?qū)r石以及巖石周圍的各種地質(zhì)力學環(huán)境進行研究。巖石力學是巖土工程最基本的學科，學科本身的知識內(nèi)容具有一定的高度，學生在掌握巖石力學知識的時候有一定的難度[1]。所以，在《巖石力學》及實驗課教學環(huán)節(jié)中具有一定的挑戰(zhàn)性和機遇性。隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和社會的進步，我院城市地下空間工程教研室對《巖石力學》的研究也在不斷地進行探討和研究，尤其是學科的實驗課程部分，取得了一定的成果，文章將分享這些研究成果，希望對《巖石力學》以及實驗教學部分的研究有一定的幫助。

二、改革研究的指導思想和內(nèi)容

巖石力學的實驗教學，是整個工科專業(yè)教學體系中最重要的一部分，實驗教學不僅能夠提高學生動手動腦的操作能力，還能夠讓學生將理論部分應(yīng)用在實際生活當中，讓學生覺得學有所用。通過實驗教學，能夠讓學生對巖石力學的知識結(jié)構(gòu)有一個宏觀的認識，更好的把握住知識要點，提升了學生掌握知識點的空間。在實驗操作中，能蚺嘌學生操作技能，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力，讓學生能夠用自己的所學去解決工程施工中的問題

[2]。

實驗教學對學生日后的就業(yè)起著決定性的作用。因此，學院充分利用實驗室現(xiàn)有的儀器與設(shè)備，培養(yǎng)大學生的綜合素質(zhì)、創(chuàng)新能力和實踐能力，讓學生能夠適應(yīng)社會的發(fā)展。提高實驗教學效果，是全院師生共同的渴望，需要全校師生的共同努力才能夠完成，下面闡述一下改革需要突出的要點：

1、突出“三基”。要想掌握好巖石力學的知識點，一定要學習好彈性力學和高等數(shù)學的基礎(chǔ)知識，老師一定要改變傳統(tǒng)的教學模式，通過激發(fā)學生學習巖石力學的興趣入手，讓學生學習好巖石力學的課程。

2、編好講義。要想學習好巖石力學，一定要有好的課本和好的教學方法。只有突出特色的教學模式，才能夠提煉出巖石力學的重點知識和基礎(chǔ)知識，讓學生在最短的時間里學習好專業(yè)知識。在提高教學效果的同時，也提高學生學習的效率。

3、創(chuàng)新教法。隨著多媒體教學的普及，創(chuàng)新型的教學方法，已經(jīng)應(yīng)用在各個學科當中，通過老師對教學內(nèi)容的改革和優(yōu)化，在課堂中實施多媒體教學（包括實驗錄像、重大巖土工程建設(shè)錄像、數(shù)值模擬視頻），利用互聯(lián)網(wǎng)（包括中科院各巖土所的實驗室建設(shè)網(wǎng)頁），提高課堂的教學效果，結(jié)合課本聯(lián)系實際，給學生擴充更多的知識內(nèi)容，激發(fā)學生學習的興趣，提高學生學習的效果，保持學生學習的積極性。

三、構(gòu)建研究型學習平臺

由于傳統(tǒng)的教學模式存在一定的漏洞，對于構(gòu)建新型學習平臺，教研室針對實驗課時過少，實驗教學方法單一，實驗教學內(nèi)容不豐富、實驗教學考核不合理，實驗教學效果不理想等因素，提出了巖石力學“二段制學習模式”。廣義上講就是將課程分為兩部分，這兩部分課程既是獨立的課程，又是相關(guān)聯(lián)的課程，狹義上講就是對教學大綱、教學實驗和考試設(shè)計進行了較大的調(diào)整、改革與變動。將彈性力學、巖石力學基礎(chǔ)（包括實驗）等以基礎(chǔ)知識為最主要的學習目標劃分為及時部分（理論部分），將應(yīng)用和研究型工程實踐鍛煉劃分為第二部分（實踐部分）。

1、專業(yè)課老師采用近期穎的教學內(nèi)容激發(fā)學生學習的興趣，通過對教材的修改和變動，對教材內(nèi)容進行豐富的擴充與填補，讓學生能夠從教材或者參考書中學到國內(nèi)外近期研究動態(tài)，同時還幫助老師減輕了一定的壓力，收到的教學效果比較不錯。

2、將計算機應(yīng)用在實驗教學中，讓實驗教學變得更加生動、真實，解決了學生的困惑，給予學生一定的鼓舞，讓學生能夠?qū)嶒灡３旨で椤，F(xiàn)版教材中我院巖石力學實驗課程主要有五個驗證性實驗項目，依次是巖石的單軸壓縮、三軸壓縮、巴西劈裂、點載荷和剛性實驗機演示[3]。因為學生人數(shù)比較多，實驗設(shè)備比較少，供不應(yīng)求，這樣就會導致一部分學生無法完成實驗，操作技術(shù)不過關(guān)。教研室本著教學改革新思路，把培養(yǎng)學生實驗技能放在首位的想法，將計算機應(yīng)用在教學當中，通過幻燈片與實際動手操作，一虛一實，讓學生勤于動腦，善于思考，提升操作技能和創(chuàng)新能力。在實驗教學中，利用近期的數(shù)值模擬軟件，對巖石的變形與破壞過程進行演示實驗和數(shù)值實驗，培養(yǎng)學生的變通能力，這種教學方法易于操作，既方便又靈活，讓學生學到在常規(guī)實驗室里學不到的知識與體驗。

四、搭建研究型實踐平臺

在巖石力學以及實驗課程教學中，學生一定要掌握巖石力學的知識體系，并且能夠利用這些理論知識解決工程實際問題。因此，在現(xiàn)版的巖石力學教材大綱中，就將巖石力學研究型實踐方式分為課堂實踐型和課外項目型兩大類型。在課堂實踐型實踐中，老師要充分利用好課堂時間，給學生講解更多的施工案例；課外項目型實踐，老師充分給予學生指導，讓學生參與到指導教師的縱向項目中，讓學生參與到科研項目研究中[4]。

（一）課堂實踐型研究平臺

1.工程情景教學法。老師在課堂教學中，講解理論知識的同時，聯(lián)系實際工程問題，講解一些學生所熟悉又不注意的工程現(xiàn)象，將理論與工程相結(jié)合，在工程背景下，講解巖石力學教學內(nèi)容，把教學內(nèi)容與工程設(shè)計和穩(wěn)定性分析等聯(lián)系起來，讓學生學會知識的遷移，在原有知識理論的基礎(chǔ)上，對知識進行融合和創(chuàng)新的應(yīng)用，對巖石工程的基本原理、基本概念和計算方法掌握得更加熟練。同時，還能夠活躍課堂氛圍，讓學生集中注意力，將整節(jié)課的時間都認認真真的參與到課堂當中。

2.問題模式教學法。巖石力學在數(shù)值模擬方法上，具有通用性強和可重復的特點，因此老師可以幫助學生，在課程開始的時候，就創(chuàng)設(shè)一個自己感興趣的數(shù)值模擬題目（可以利用FLAC、UDEC、3DEC、PFC等軟件），讓學生帶著問題去學習，能夠提高學習效率和教學效果。在課程環(huán)節(jié)設(shè)計中，要把握住知識點的深度和廣度，讓學生學習目標更為明確，積極性更加高漲[5]。

（二）課外項目型研究平臺

1.任務(wù)書型實驗。傳統(tǒng)的實驗教學中，都是老師結(jié)合自己的經(jīng)歷和經(jīng)驗，培養(yǎng)學生對工程實踐的能力。而任務(wù)書型實驗，是老師根據(jù)實際需要，聯(lián)系教材內(nèi)容，選擇與工程密切相關(guān)，并且具有一定難度的實驗項目，讓學生根據(jù)實驗的目的和實驗的要求，通過自主學習來完成實驗項目。這種教學方法，給學生樹立了工程實踐的意識，讓學生具有創(chuàng)新型的思想，將創(chuàng)新意識應(yīng)用在實驗中，培養(yǎng)了學生的實驗操作技能，讓學生能夠真正的解決巖石力學中的實際問題。

2.項目型研究。老師可以鼓勵學生以小組的形式進行項目研究，向?qū)W校申請資金補助，進行創(chuàng)新型的項目研究。學生在研究過程中能夠?qū)r石力學課程中的內(nèi)容應(yīng)用在實驗中，不僅培養(yǎng)了學生動手操作的能力，還培養(yǎng)了學生獨立自主的意識和團結(jié)合作的精神。

五、結(jié)束語

通過教學改革，巖石力學課程及實驗教學環(huán)節(jié)滿足了不同層次學生的學習需要，教學重點突出，教學內(nèi)容具有針對性。總而言之，通過創(chuàng)新的思路與改革，不斷地完善該門課程實驗教學與基礎(chǔ)課程教學，培養(yǎng)學生各方面的潛力，培養(yǎng)出社會所需要的工程復合型人才。

巖石力學論文:溫度對常見巖石力學特性的影響規(guī)律

摘 要：本文對砂泥巖和石灰?guī)r在常溫及經(jīng)歷100℃～800℃溫度作用后的力學特性進行試驗研究，考察了三種巖石在加溫后的峰值應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量隨溫度的變化特征，并對其高溫劣化機制制作了探討。研究結(jié)果表明：砂巖在常溫～200℃內(nèi)，峰值應(yīng)力、應(yīng)變呈下降趨勢，彈性模量變化不大，而在200℃～600℃內(nèi)，峰值應(yīng)力、應(yīng)變呈上升趨勢，彈性模量變化不大，在T>600℃后，峰值應(yīng)力與彈性模量都急劇下降，峰值應(yīng)變略微上升；泥巖峰值應(yīng)力、應(yīng)變和彈性模量在常溫～400℃內(nèi)都呈上升趨勢，在400℃～700℃內(nèi)下降，而在T>700℃后又回升；石灰?guī)r的峰值應(yīng)力、應(yīng)變和彈性模量在常溫～200℃內(nèi)，隨溫度的升高緩緩下降，在200℃～600℃內(nèi)變化不大，當T>600℃后，峰值應(yīng)力與彈性模量都急劇下降，峰值應(yīng)變急劇上升。溫度引起的熱應(yīng)力作用、礦物組分和微結(jié)構(gòu)變化導致砂巖力學性質(zhì)發(fā)生改變與高溫劣化。

關(guān)鍵詞：高溫作用；力學特征；砂泥巖；石灰?guī)r；彈性模量；礦物成分

1 引言

高溫環(huán)境下的巖石工程問題，已成為巖石力學發(fā)展的新方向。國內(nèi)外學者對此展開了大量的研究，并已取得相應(yīng)的研究成果。張連英等采用電液伺服材料力學試驗系統(tǒng)對常溫～800℃高溫作用下大理巖、石灰?guī)r、砂巖的力學性能進行了研究，考察了三種巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，給出了其峰值強度、峰值應(yīng)變、彈性模量E隨溫度的變化特征；李明等人利用MTS652.02高溫爐與φ50mm分離式霍普金森壓桿（SHPB）試驗系統(tǒng)，對800℃加熱后的砂巖試樣進行單軸沖擊壓縮試驗，分析了17.904～62.600s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)砂巖動力特性的變化規(guī)律；秦本東等利用自行研制的巖石加溫裝置和MT-150C巖石力學試驗機，對石灰?guī)r和砂巖試樣高溫后的力學特性進行了試驗研究；諶倫建等人采用偏光顯微鏡、掃描電鏡及巖石力學試驗系統(tǒng)等儀器設(shè)備研究了煤層頂板砂巖在常溫到1200℃范圍內(nèi)的力學特性和破壞機理；查文華等利用RMT-150B巖石力學試驗系統(tǒng)和GD-65/150高低溫環(huán)境箱，對經(jīng)歷不同溫度后煤系泥巖的力學特性進行試驗研究，分析不同溫度下煤系泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量、變形模量以及泊松比受溫度的影響；劉瑞雪等人利用MTS810電液伺服材料試驗系統(tǒng)以及高溫爐MTS652.02，在常溫（25℃）～800℃條件下對泥巖試件進行了單軸壓縮實驗，分析了溫度對泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、峰值應(yīng)力及峰值應(yīng)變的影響。但在已有的研究中，有關(guān)高溫下砂泥巖和石灰?guī)r巖石力學性質(zhì)的對比研究和作用機理研究鮮為少見。

本文研究了溫度分別為20℃、100℃、200℃、400℃、600℃、700℃、800℃七種溫度循環(huán)后，砂泥巖和石灰?guī)r試樣的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變與彈性模量的變化情況，并對溫度引起的熱應(yīng)力作用、礦物組分和微觀結(jié)構(gòu)變化導致砂泥巖和石灰?guī)r力學性質(zhì)發(fā)生改變與高溫劣化進行了具體探討。

2 實驗設(shè)備與實驗方法

2.1 實驗原料

實驗中制備所使用的巖樣見表1。所用的實驗儀器主要包括：JA1103型電子天平，其較大稱重1100g，最小稱重0.001g、S-2000N型掃描電鏡，掃描電壓20kV、MTS系統(tǒng)公司生產(chǎn)的MTS 810材料測試系統(tǒng)該機配有高溫環(huán)境爐MTS 653.04，其溫度控制范圍為100℃～1400℃，精度±1℃，升溫速度100℃/min，達到較高溫度時間小于15min。

2.2 實驗過程與方法

試驗過程如下：

（1）試驗前，對所有巖樣進行編號，量測各巖樣的質(zhì)量和幾何尺寸；

（2）對各類巖石按溫度段分組，每組4個巖樣，若某組試驗數(shù)據(jù)離散則增加測試巖樣數(shù)量；

（3）對高溫后破壞的巖樣，在加溫后自然冷卻至室溫下進行幾何尺寸和質(zhì)量量測；

（4）在室溫（20℃）及不同溫度下對所有巖樣進行單軸壓縮全過程破壞試驗；

（5）選擇不同溫度下的部分破壞巖樣進行掃描電鏡觀測；

（6）記錄測試過程并對試驗結(jié)果進行整理、分析。高溫下單軸壓縮試驗采用位移控制模式，變形速率均為0.003 mm/s。

3 實驗結(jié)果與分析

分析砂泥巖及石灰?guī)r單軸壓縮試驗中保存的軸向荷載、軸向位移數(shù)據(jù)，可以得到溫度作用下泥巖單軸壓縮試驗的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，利用應(yīng)力-應(yīng)變曲線上達到峰值應(yīng)力前的近似直線段，可以得出泥巖切線彈性模量E，同時獲得泥巖試樣的峰值強度。

3.1 溫度作用下巖石峰值應(yīng)力與應(yīng)變的變化特征

高溫作用下砂泥巖和石灰?guī)r的峰值應(yīng)力隨溫度的變化情況如圖1所示。從圖中可以看出，隨溫度的升高，砂巖的峰值應(yīng)力經(jīng)歷了先降低再升高再降低的過程，600℃時到達峰值應(yīng)力200MPa，且波動幅度較小，泥巖的峰值應(yīng)力經(jīng)歷了先增加后降低的過程，400℃時達到峰值應(yīng)力250MPa，漲幅波動大，石灰?guī)r的峰值應(yīng)力在20℃～700℃保持基本在100MPa，700℃后劇烈降低。

高溫作用下砂泥巖和石灰?guī)r的峰值應(yīng)變隨溫度的變化情況如圖2所示。從圖中可以看出，隨溫度的升高，砂巖的峰值應(yīng)力經(jīng)歷了先降低后增加的過程，200℃時達到最小應(yīng)變7.256×10^-3，泥巖的峰值應(yīng)力經(jīng)歷了先增加后降低再增加的^程，室溫時為最小應(yīng)變6.456×10^-3，石灰?guī)r的峰值應(yīng)力在600℃前基本在7×10^-3左右小幅度波動，隨后劇烈增加。

經(jīng)過分析，我們得到以下結(jié)論：

（1）溫度在20℃～200℃內(nèi)，由于砂巖內(nèi)的礦物顆粒變形的調(diào)整過程，會使巖石內(nèi)部產(chǎn)生少量裂縫，致使峰值應(yīng)力與應(yīng)變均有所下降，在此階段溫度對砂巖的力學性能具有削弱作用；在200℃～600℃時，由于砂巖部分礦物發(fā)生熱熔效應(yīng)，導致砂巖內(nèi)部一些裂縫愈合，裂縫數(shù)量開始呈下降趨勢，使得砂巖的峰值應(yīng)力與應(yīng)變有所回升，強度增加；但溫度高于600℃后，砂巖內(nèi)部礦物組成發(fā)生轉(zhuǎn)化，開始脫水、結(jié)晶，發(fā)生一系列復雜的化學反應(yīng)，使得原始內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，導致整體強度降低。

（2）溫度在20℃～400℃時，泥巖的峰值應(yīng)力呈明顯上升趨勢，可見此階段高溫對泥巖強度的提高起著顯著的作用，一般情況在泥巖中都存在著大量水和氣體，通過溫度的升高，氣體和水分揮發(fā)而降低了巖石顆粒之間的潤滑作用，從而使泥巖試樣的峰值應(yīng)力與應(yīng)變提高，增強了巖石強度；在400℃～700℃時，此階段由于高溫作用，大大破壞了泥巖試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使礦物部分熔化導致強度降低，失去承載能力；當溫度高于700℃后，泥巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)損壞，其強度變化基本保持不變。

（3）溫度在20℃～700℃時，石灰?guī)r的峰值應(yīng)力與應(yīng)變基本保持不變，此階段石灰?guī)r內(nèi)生物化石與礦物成分CaCO3雖然分解但對分解量相對較少，對石灰?guī)r強度的影響不大；但在溫度高于700℃后，礦物成分發(fā)生化學反應(yīng)，在加熱過程中分解生成了CaO等氧化物，導致礦物表面不斷被腐蝕破壞，導致整體強度急劇下降。

3.2 溫度作用下巖石彈性模量的變化特征

圖3所示為砂泥巖與石灰?guī)r的彈性模量隨溫度的變化關(guān)系曲線，圖中可以看出，砂巖與石灰?guī)r在600℃內(nèi)彈性模量緩慢下降，600℃后降低的幅度增加，泥巖在400℃內(nèi)彈性模量增大，400℃到達較大彈性模量23.94GPa，而后就會不斷降低。

經(jīng)過分析，我們得到如下結(jié)論：

（1）高溫時，砂巖與石灰?guī)r礦物顆粒熱膨脹系數(shù)不同導致顆粒之間產(chǎn)生拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力，當熱應(yīng)力超過顆粒之間接觸力時，就會產(chǎn)生裂紋，裂紋擴展加寬后，巖石變形增大，導致平均彈性模量逐漸降低。

（2）泥巖在400℃內(nèi)時，高溫會脫去礦物之間的結(jié)晶水分，減少礦物間的間距，從而增大彈性模量；而在溫度高于400℃后，水分已經(jīng)基本脫完，其作用機理與砂巖相似，導致其彈性模量迅速降低。

4 結(jié)語

（1）隨著溫度的升高，砂巖內(nèi)礦物成分會產(chǎn)生裂縫，隨后發(fā)生熱熔效應(yīng)，導致裂縫愈合，使裂縫數(shù)量減少，當溫度過高時，其內(nèi)部礦物結(jié)構(gòu)就會發(fā)生轉(zhuǎn)化，原有結(jié)構(gòu)被破壞，導致整體強度降低。

（2）溫度在較低情況下的變化對石灰?guī)r的影響較小，只能使堅固的CaCO3礦物少量分解，但當溫度高于某極限溫度700℃后，CaCO3礦物會分解成CaO礦物，導致巖石表面不斷被破壞腐蝕，導致整體強度急劇下降。

（3）泥r中含有大量的水分和氣體，當溫度上升時，其水分會揮發(fā)掉，使巖石強度略有增加，但隨著水分的揮發(fā)完畢，高溫就會熔化泥巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導致整體強度降低。

（4）吸附水的脫失、礦物晶體的轉(zhuǎn)變、結(jié)晶作用等都是影響砂巖力學性質(zhì)與高溫劣化的根本原因。

巖石力學論文:巖石力學虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)

[摘要]針對巖石力學中三大基礎(chǔ)實驗,利用Flash軟件及其編程技術(shù)開發(fā)的巖石虛擬實驗系統(tǒng),突破了時空的限制,把實驗設(shè)備、教學內(nèi)容、教師指導和學習者的思考及操作有機融合為一體,探索了巖石力學實驗教學的新模式。

[關(guān)鍵詞]巖石力學 虛擬系統(tǒng) Flash

近年來,隨著國內(nèi)各高等學校招生規(guī)模不斷擴大,給高校實驗教學造成了一定壓力,學生人均實驗次數(shù)明顯減少。為解決上述問題,支持我校巖石力學精品多媒體課程建設(shè),本著創(chuàng)新和探索精神開發(fā)了此實驗系統(tǒng)。從當前國內(nèi)外教學方式來看,多媒體教學勢必成為以后教學的主要方式。因此,精品多媒體課程處于大量緊缺之中,虛擬實驗系統(tǒng)有著很好的應(yīng)用前景。

本系統(tǒng)利用Flash軟件及其編程技術(shù)作為主要工具開發(fā)了此實驗系統(tǒng)。Flash軟件是美國Macromedia公司開發(fā)研制的一種矢量動畫制作軟件,矢量動畫的優(yōu)點是:文件體積小,圖像清晰,任意放大和縮小圖像不矢真,便于網(wǎng)絡(luò)傳輸,Flash集成的ActionScript(動作腳本語言)使動畫具有很強的交互性。同時,Flash軟件對圖形具有良好的控制能力,在動畫中圖形可根據(jù)鼠標的操作和程序設(shè)定作出相應(yīng)的變化,如移動、鼠標響應(yīng)、鼠標拖動等。

一、系統(tǒng)開發(fā)目標

巖石力學是一門實踐性和理論性很強的課程,由于受教學的課時限制,不可能讓每個學生都能進行實驗操作,造成教師和學生在講授、學習本課程實驗時都有一定的困難。加之目前實驗設(shè)備和資源的不足,因此開發(fā)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)事在必行,同時網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)資源共享,便于遠程學習與交流。更重要的是它打破了時間、地域的限制,使人們可以不受時間和地域的影響進行學習與交流。

開發(fā)該系統(tǒng)的目標是:盡可能采用近期的計算機多煤體技術(shù),將文字、圖像、動畫等相結(jié)合,使巖石力學的大部分章節(jié)的實驗原理、實驗過程等課堂上不易講授的內(nèi)容在計算機上顯示出來,使之成為巖石力學與工程課程教學的重要輔助手段,以縮短教學時間,提高教學質(zhì)量。

二、開發(fā)設(shè)計過程

該虛擬實驗系統(tǒng)包括四個部分:巖石單軸壓縮虛擬實驗、巖石單軸抗拉強度虛擬實驗、巖石點載荷虛擬實驗和巖石三軸壓縮虛擬實驗。其中每個實驗又分為六個部分:實驗原理、實驗?zāi)康摹嶒瀮x器及設(shè)備、實驗演示、實驗操作和數(shù)據(jù)分析。內(nèi)容詳細分明,嚴格按照實驗過程進行閱讀和操作。能夠真正使實驗者在網(wǎng)上學習到實驗的操作規(guī)程和步驟,并能親自在網(wǎng)上模擬實驗室中的各種現(xiàn)場操作。

實驗原理,實驗?zāi)康暮蛿?shù)據(jù)分析都屬于文字與圖表的說明性板塊。在制作中將相關(guān)文字與圖表逐楨添加,然后有控制地逐楨顯示。

實驗設(shè)備與儀器中要添加儀器圖片,并能使用戶有選擇性地查看相關(guān)儀器圖片說明。這里我們運用了Flash中的ActionScript編程語言,實現(xiàn)了鼠標響應(yīng)事件,使用戶通過鼠標操作就能夠有選擇行地查看圖片,正確的認識和使用實驗儀器。實驗演示的制作用到了Flash中的動畫編制功能。首先,依照真實儀器設(shè)備創(chuàng)建簡單的虛擬實驗?zāi)M設(shè)備模型;然后,按照實驗操作規(guī)程,一步一步地將實驗過程以動畫的方式完整地演示出來,并加入文字注解說明,將操作步驟和相關(guān)注意事項同步顯示出來。在動畫演示的時候留有足夠的時間間隔,使用戶能夠了解實驗的每一個操作步驟和注意事項。實驗操作用了鼠標響應(yīng)功能來控制實驗進程。同時,為了確保用戶在提示下能正確的操作,我們用影片剪輯和按鈕剪輯相互封套的方式實現(xiàn)模塊間的對話。這樣,系統(tǒng)就可以自己檢查用戶的操作,只有操作正確才能進行下一步,使用戶能夠真正掌握實驗步驟和注意事項。

三、關(guān)鍵技術(shù)與編程實現(xiàn)

實驗操作板塊的開發(fā)是整個虛擬實驗系統(tǒng)重點和難點。在這個板塊里,需要用戶自己親自操作虛擬實驗設(shè)備,并且關(guān)鍵是要能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的自檢核對功能,保障用戶實現(xiàn)正確操作。這里用到了較多的ActionScript編程語言,鼠標響應(yīng),拖動,按鈕控制,模塊內(nèi)部和模塊之間對話等操作。例如,在虛擬巖石單軸壓縮實驗中,需要實驗者將巖石試件放入實驗用的液壓設(shè)備中,在此過程中用到的動作腳本語言為:

四、開發(fā)設(shè)計結(jié)果

按照預期的目標,將每個虛擬實驗系統(tǒng)分為六個模塊:實驗原理、實驗?zāi)康摹嶒瀮x器及設(shè)備、實驗演示、實驗操作和數(shù)據(jù)分析。其中的實驗原理、實驗?zāi)康暮蛯嶒灁?shù)據(jù)分析,經(jīng)過資料收集與整理,內(nèi)容詳盡分明。確保了使用者在網(wǎng)上能夠真正學習到實驗的操作規(guī)程和步驟,并能親自在網(wǎng)上模擬實驗室中的各種現(xiàn)場操作。在開發(fā)制作過程中,實現(xiàn)了文字和圖形的動態(tài)變化和顯示,圖形和文字的模塊化,模塊和模塊之間的對話控制,還實現(xiàn)了響應(yīng)鼠標,自動控制,判斷和傳遞信息等交互功能。

五、結(jié)語

此系統(tǒng)開創(chuàng)了巖石力學實驗教學的新模式,為巖石力學實驗改革提供了有力工具,實現(xiàn)了實驗教學內(nèi)容在時間和空間上得到延伸;達到了進行開放性教學模式的目的,實現(xiàn)了遠程教育的功能;解決了我校擴招后給巖石力學實驗教學帶來的壓力;培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維與思考能力。

巖石力學論文:利用沉積特征估算含煤地層巖石力學參數(shù)的一般性探討

摘要：本文提出利用沉積特征作為界定巖石力學參數(shù)標準本文提出利用沉積特征快速界定相關(guān)巖石力學參數(shù)的新方法，對礦區(qū)煤層頂板巖石力學參數(shù)的界定具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：含煤地層；沉積特征；巖石力學參數(shù)；抗拉強度；抗壓強度

含煤地層巖石力學性質(zhì)直接決定了礦井圍巖的穩(wěn)定性[1]，只有掌握巖石的力學性質(zhì)才能控制好井下巷道及工作面圍巖的穩(wěn)定，為煤礦開采提供安全保障。因以往的勘探資料沒有相關(guān)的力學參數(shù)，要搞清楚某地層巖石的力學參數(shù)，須重新勘探鉆孔，做力學實驗，時間長，費用大。

本文提出以影響巖石力學參數(shù)性質(zhì)的沉積特征作為主要研究對象，提取出以巖石的粒度、填充膠結(jié)物的比例、孔隙情況、節(jié)理發(fā)育等，作為判斷巖層力學參數(shù)的主線，以埋藏的地質(zhì)年代、埋藏深度作為修訂因子，在定性的基礎(chǔ)上建立一種簡單定量確定巖石力學參數(shù)的新方法。

一、巖層沉積特征的選擇

煤層頂板與底板成巖環(huán)境的不同，巖層的各類參數(shù)也有一定的差異。沉積巖中最重要的特征是其成分、顏色、結(jié)構(gòu)與沉積構(gòu)造[2]，本文把沉積成巖中的對巖層力學特性影響較大、較易獲取的四個參數(shù)提取出來作為判斷巖層力學性質(zhì)的沉積參數(shù)，參數(shù)如下：1、碎屑顆粒的粒度大小。在沉積成巖的過程中，在一定的范圍內(nèi)，粒度越小，巖層越密實，巖層的硬度等力學參數(shù)越大，為了簡化描述，用大、中、小來進行表述，分別用1、2、3的數(shù)值進行量化。2、填隙物中膠結(jié)物的比例多少。填隙物由膠結(jié)物與雜基組成，膠結(jié)物對巖石的硬度與強度有強化作用，雜基對巖石有反方向的作用，所以，膠結(jié)物的含量多少可以作為衡量巖石硬度與強度的參數(shù)之一，用多、中、少來描述，用3、2、1來量化。3、孔隙結(jié)構(gòu)。沉積巖層的孔隙間充填大量的氣體或液體，孔隙的大小、多少直接影響巖石的硬度與強度，孔隙越大、越多，巖石的硬度等特征越小。可以用多、中、少來進行描述，用1、2、3進行數(shù)值量化。4、節(jié)理發(fā)育情況。沉積巖節(jié)理的發(fā)育情況也直接影響巖石的硬度與強度，節(jié)理越發(fā)育，巖石的強度與硬度越低，所以可以用不發(fā)育、中、發(fā)育來描述，用3、2、1來量化。

巖層沉積的四個特征，12個標量共同組成一個沉積特征量化體系。

二、含煤地層關(guān)鍵地層與關(guān)鍵參數(shù)的選取

1、含煤地層關(guān)鍵地層的選取。根據(jù)對采煤工作面具有重要影響作用的頂板作為關(guān)鍵層理論[3]和對具有直接影響關(guān)鍵層的判定方法[4]，由于對采煤工作面具有影響的巖層是有限的、可知的，并不是工作面上方的全部巖層，所有的判別方法，要對提供工作面周圍的鉆孔柱狀圖進行關(guān)鍵層的劃分與力學參數(shù)的估算。

2、巖層關(guān)鍵力學參數(shù)的選取。對于一個巖層各類運動參數(shù)的計算主要來源于抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度[4]，所以本文選擇三個主要強度參數(shù)為主要估算對象。

3、巖石的五級分類法。在對巖層三大參數(shù)估算過程中，每個參數(shù)都進行估計是不可取的，本文選用巖石的抗壓強度為主要分類主線、以抗拉與抗剪強度為輔助分類的方法，把常用的巖石劃為五個區(qū)間[5]，每個區(qū)間代表巖石的一類軟弱強度（表1），這種分類方法，本文簡稱為巖石的五級分類。

依據(jù)巖石的五個級別，定性的對應(yīng)較軟、軟、中、硬、較硬五種類型，從定量的角度，分別提取各自范圍內(nèi)的中值作為定量的取值標準。依據(jù)該中值，對巖層運動步距公式進行靈敏度分析[4]，能夠滿足工程實踐的需求。

三、估算含煤地層巖石力學參數(shù)的算法

1、巖層沉積特征定量化取值。為了達到快速、定位巖層沉積特點，按照及時部分的論述，整理為表2。

2、沉積特征選取計算方法。根據(jù)表2提供的數(shù)據(jù)及巖層的巖性描述，確定各個特征的取值，然后依據(jù)公式S=A1×A2×A3×A4進行計算，式中A1―A4分別對巖層粒度、膠結(jié)物、孔隙、節(jié)理四個特征的取值，S為巖層的特征取值。

3、特征值S與五級分類的關(guān)聯(lián)。據(jù)對鶴崗、峰峰、兗州、盤江礦區(qū)38個鉆孔近200余層巖層的已知力學參數(shù)按照表2與公式1進行回歸，得到表3的對應(yīng)關(guān)系。

4、其他地質(zhì)因子對巖石力學參數(shù)的影響。

(1)地質(zhì)年代對巖石力學性質(zhì)的影響。一般，地質(zhì)年代越久遠，巖層形成時間越長，巖石越堅硬。由于五級分類的力學參數(shù)大都從二疊紀取得，即以二疊紀對應(yīng)第三級為基本標志點，按照地質(zhì)年代先后，每移一紀，各中值向相同的方向移動10%。

(2)埋藏深度對巖石力學性質(zhì)的影響。實踐表明，巖層的埋藏深度達到一定數(shù)值時，巖層會發(fā)生蠕變現(xiàn)象。為了清晰的描述這一現(xiàn)象，本文建議，當巖層的埋深大于800米后，每增加200米，巖石的力學分級降一級，直至一級。

5、估算巖石力學的步驟。

（1）確定與此工作面相關(guān)的鉆孔，提取鉆孔的整體地質(zhì)資料；（2）據(jù)確定支托層的方法[4]，確定主采煤層以上巖石的結(jié)構(gòu)特性，圈定估算巖石力學性質(zhì)所在的巖層；（3）對圈定巖層，仔細閱讀鉆孔柱狀圖的巖性描述部分，據(jù)表2，對四個沉積特征進行量化；（4）據(jù)表3的內(nèi)容，初步確定巖石的力學分級；根據(jù)巖層的埋藏深度，據(jù)3.4.3的方法移動巖石分級；（5）判斷該鉆孔所處的地質(zhì)構(gòu)造情況，按照3.4.2的方法移動巖石分級；根據(jù)巖層所處的地質(zhì)年代，按照3.4.1的方法修訂取值巖石分級后的中值取值；（6）確定該巖層各力學參數(shù)的取值。

四、實例驗證

1、峰峰礦區(qū)一巖層力學參數(shù)估算。石炭紀太原組一細粒砂巖，厚9.78米，埋藏深度620米，巖性描述為：灰綠色，中粒成分以石英為主，砂質(zhì)膠結(jié)，分選好，中央紫色，含赤鐵礦結(jié)構(gòu)的泥巖。

該巖層按照表2所描述，沉積特征取值如下：A1=2，A2=3，A3=2，A4=1；按照公式得S=12；劃分為第三級，即該細粒砂巖的抗壓強度取值為90Mpa，抗拉強度的取值為10Mpa，抗剪強度的取值為32Mpa，該巖層處于石炭紀，各參數(shù)移動為：抗壓強度取值為99Mpa，抗拉強度的取值為11Mpa，抗剪強度的取值為35Mpa，該巖石在實驗室做的力學參數(shù)為：抗壓強度取值為92.4Mpa，抗拉強度的取值為12.21Mpa，抗剪強度沒有測定。實例表明，估算的巖石力學參數(shù)誤差符合在工程實踐的需求。

五、結(jié)論：任何一種巖石的力學性質(zhì)都在很寬的范圍內(nèi)變化，這些變化對工程設(shè)計及圍巖穩(wěn)定性評價造成困難。因此，本文試圖通過利用對不同巖石的沉積特征進行定性的判斷，尋求一種以少量的簡單測量便可估算巖石強度和其它性質(zhì)的新方法，通過試驗證明該方法是可行、有效的，在粗略估算巖石力學參數(shù)方面有一定的進展。作

巖石力學論文:巖石力學課程的教學改革與實踐

巖石力學是研究巖石力學性能的理論和應(yīng)用的科學，是探討巖石對其周圍物理環(huán)境中力場的反應(yīng)的力學分支，”它是為采礦工程、巖土工程、地質(zhì)工程以及水文工程等專業(yè)開設(shè)的基礎(chǔ)課。學生對該課程的掌握和應(yīng)用具有一定難度。因此，在巖石力學教學中通過改革教學內(nèi)容和實踐環(huán)節(jié)，體現(xiàn)巖石力學作為基礎(chǔ)學科內(nèi)容的完整性和采礦專業(yè)基礎(chǔ)的實踐性，引導和推動學生積極地投身到巖石力學的研究型學習中去。

最近幾年，我們積極承擔了河南省教育廳“巖體工程力學課程教學內(nèi)容和實踐環(huán)節(jié)的整體優(yōu)化研究”、“巖石力學CAI及網(wǎng)絡(luò)教學系統(tǒng)研究”以及河南理工大學SRTP4“巖石力學虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)”、SRTP6“巖石力學考試系統(tǒng)開發(fā)”等多項巖石力學課程的教學改革項目，課題研究取得了一些成果。

一、改革的指導思想和內(nèi)容

結(jié)合上述教學改革項目，我們首先對國內(nèi)外同類學科高校進行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國外高校開設(shè)的巖石力學課程教材更新速度快，十分注重實驗和工程應(yīng)用，專門增設(shè)有計算巖石力學課程方面的內(nèi)容，將FLAC、UDEC和PFC等數(shù)值計算軟件應(yīng)用到教學實踐環(huán)節(jié)中。而國內(nèi)高校的原煤炭院校巖石力學教材更新十分緩慢，教學和教材在不同程度上存在重理論、輕應(yīng)用、實驗內(nèi)容陳舊等問題。學生很難從課程的大量數(shù)學推導中掙脫出來，做到學為所用。因此，我們圍繞以下原則進行改革：

1　突出“三基”。巖石力學依賴于彈性力學和數(shù)學的基礎(chǔ)知識是不能改變和動搖的，教師要通過改變教學方式來增加學生對基礎(chǔ)知識的學習興趣，使學生扎荬掌握基礎(chǔ)知識才可能更好地學習好巖百力學課程相關(guān)內(nèi)容。

2　編好講義。一本好教材和講義是取得出色教學效果的基本保障，因此，把編苷具有采礦工程特點的、體現(xiàn)巖石力學原理和近期技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的成熟講義是教學改革的重點。

3　創(chuàng)新教法。改革教學方法，對教學內(nèi)容和實驗環(huán)節(jié)進行整體優(yōu)化，課堂教學使用多媒體教學方法和CAI課件，適當結(jié)合工程實踐案例，增加課堂教學信息量，提高學生的學習興趣。

4　體現(xiàn)特色。構(gòu)建適用采礦工程專業(yè)的相對穩(wěn)定的教學內(nèi)容體系，滿足不同層次學生的學習需求。

從力學研究和對力學規(guī)律認識的整體情況來說，工程實踐是檢驗理論正確與否的標準，力學的教學也應(yīng)該基于工程背景而展開，使理論教學與工程應(yīng)用訓練同步進行，才能培養(yǎng)出國家需要的力學與工程型人才。通過巖石力學的教學內(nèi)容和實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容的創(chuàng)新，構(gòu)建了“一主體兩平臺”的研究型學習模式。“一主體”是指以課堂教學和實驗為主體，“兩平臺”是指研究型學習和研究型實踐兩個平臺。在課程內(nèi)容、教學方法、實驗環(huán)節(jié)等方面大膽創(chuàng)新，讓學生在學習過程中感受工程環(huán)境、參與工程實踐，得到有效的工程訓練。

二、構(gòu)建研究型學習平臺

我們提出的巖石力學“二段制學習模式”，將課程分為既有關(guān)聯(lián)、又相互獨立的兩部分，對教學大綱、實驗大綱和考試大綱都做了相應(yīng)的調(diào)整。及時部分是彈性力學、巖石力學基礎(chǔ)(包括實驗)，60學時，以基礎(chǔ)知識的研究型學習為主，強化彈性力學和巖石力學的“三基”(基礎(chǔ)理論、基本知識、基本技能)，第二部分以應(yīng)用和研究型工程實踐鍛煉為主，4學時。總學時數(shù)由56調(diào)整為64學時。

1　用近期的教學內(nèi)容啟發(fā)學生的思維。學生的學習在很大程度上依賴于教材或參考書的幫助。教學內(nèi)容的調(diào)整，注重將工程素質(zhì)的要素轉(zhuǎn)化為具體的教學內(nèi)容和教學活動，強調(diào)科研促進教學，形成貼近工程實際的教學內(nèi)容。

2　用計算機仿真實驗來優(yōu)化實驗教學環(huán)節(jié)。目前巖石力學課程實驗大綱為學生開設(shè)了巖石的單軸壓縮、三軸壓縮、巴西劈裂、點載荷和剛性實驗機演示5個實驗項目，都是驗證性實驗。由于學生人數(shù)的逐年增加，實驗場地、儀器設(shè)備嚴重不足的矛盾更加突出。實踐教學改革的思路是：把培養(yǎng)學生實驗技能放在首位，虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合，動手與動腦相結(jié)合。

(1)增加實驗?zāi)K調(diào)整實驗教學大綱。我們把實驗教學由6到調(diào)整學時10學時，分為兩個模塊。模塊I為巖石力學參數(shù)實驗，保持原有6學時的教學內(nèi)容，其中驗證勝實驗為4個學時，綜合實驗為2個學時，同時實驗室對學生實行開放，鼓勵有余力的同學課后自己設(shè)計實驗；模塊Ⅱ，增加數(shù)值模擬演示實驗4學時。改革后的實驗課把引導學生學會科學的思維方法放在首位，實驗教學安排上注意保持了實驗的科學性、先進性和基礎(chǔ)性，同時也注意培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。

(2)用Flash建立的巖石力學的虛擬實驗系統(tǒng)。這樣使學生可以隨時將網(wǎng)絡(luò)上虛擬的巖石力學實驗需要的各種儀器設(shè)備，按每個實驗要求、過程組裝成一個完整的實驗系統(tǒng)，在虛擬實驗系統(tǒng)上完成整個實驗，包括巖石試件的添加、實驗條件的改變、數(shù)據(jù)采集以及實驗結(jié)果的模擬、分析等。虛擬實驗系統(tǒng)真正實現(xiàn)了文字和圖形的動態(tài)變化和顯示，圖形和文字的模塊化，模塊和模塊之間的對話控制，還實現(xiàn)了響應(yīng)鼠標，自動控制，判斷和傳遞信息等交互功能。由于有了巖石力學虛擬實驗系統(tǒng)，課前學生在網(wǎng)上就可以學習巖石力學實驗的操作規(guī)程和步驟，并親自在網(wǎng)上模擬實驗室中的各種實際操作。通過仿真實驗預習，減少了實驗教師的課上重復性講解，增加了學生實驗室操作動手時間，實驗效果明顯提高。

(3)應(yīng)用RFPA軟件進行巖石力學數(shù)值模擬實驗教學。由于巖石破裂過程現(xiàn)象的復雜性和巖石介質(zhì)的復雜性，在模塊I的巖石力學教學實驗過程中，學生很難通過大量重復性實驗看到巖石破壞的各種類型的復雜現(xiàn)象。我們利用東北大學開發(fā)的巖石破裂過程分析系統(tǒng)RF-PA(Rock Failure Process Analysis)教學版，增加了模塊Ⅱ的實驗教學環(huán)節(jié)，對巖石力學實驗進行輔助教學，使學生參與教學活動的主動性、創(chuàng)造性大為增強。

隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展，利用計算機對巖石的變形與破裂過程進行數(shù)值試驗，不僅具有通用性強、方便靈活、具有可重復性等特點，而且可以通過數(shù)值試驗得到許多在常規(guī)實驗室試驗中難以觀測的重要信息，作為巖石力學實驗教學的重要補充，達到巖石力學實驗輔助教學的目的。但是，模塊Ⅱ數(shù)值試驗的應(yīng)用并不能取代模塊I實驗室實驗。這是因為數(shù)值試驗時我們?nèi)匀恍枰峁r石的細觀力學參數(shù)等信息，而且只有在證明數(shù)值試驗方法正確的基礎(chǔ)上才能使用它進行巖石力學的數(shù)值試驗。

3　搭建研究型學習的巖石力學CAI課件和網(wǎng)絡(luò)教學系統(tǒng)。計算機輔助教學CAI在巖石力學教學中的大規(guī)模使用是一項既先進有效又充滿挑戰(zhàn)的活動。巖石力學CAI網(wǎng)絡(luò)課件涵蓋所有課程的講授內(nèi)容、習題、數(shù)值模擬測試以及相關(guān)實驗等，增加了考試系統(tǒng)模塊，同時開通了網(wǎng)絡(luò)答疑，加強了教師與學生的互動與

溝通，既可以解決學畢存課堂以外對巖石力學課程的學習，又可以使學有余力的學生更進一步地學習本門課程。

三、搭建研究型實踐平臺

一般的學生掌握的巖石力學知識體系是十分必要的，對于學有余力的學生，他們最關(guān)心的是如何利用所學知識去解決工程實際問題。因此，在巖石力學新教學大綱的修訂時，把巖石力學研究型實踐方式分為：課堂實踐型和課外項目型。在課堂實踐型實踐中，教師要利用好課堂時間，用不同的教學方法增加工程案例；課外項目型實踐，則指在教師的指導下，學生充分利用課后時間參與科研項目研究。

1　課堂實踐型研究平臺。(1)工程情景教學法。在課堂中列舉學生熟悉的一些工程中常見問題或現(xiàn)象，把巖石力學教學內(nèi)容的講解融于工程背景之中，與工程設(shè)計、穩(wěn)定性分析等聯(lián)系起來，學生在學習巖石力學時就會發(fā)生學習遷移，更容易加深對基本原理、基本概念和計算方法的掌握。這一教學法不僅可以使抽象的力學知識通俗化、形象化，還可以活躍課堂氣氛，提高學生學習積極性。

(2)問題模式教學法。考慮到巖石力學數(shù)值模擬方法在解決巖石力學問題時具有通用性強、可重復性等特點，感興趣的學生在老師的幫助下，在課程初期就確定一個自己感興趣的數(shù)值模擬題目，然后帶著問題進行課程學習。課程的每個環(huán)節(jié)都使學生對問題的認識深入一步。這種教學方式，雖然加大了教師的工作量，但學生的學習目標明確、積極性高、理解和接受快，得到了意想不到的教學效果。

2　課外項目型研究平臺。(1)任務(wù)書型實驗。綜合型實驗注重對學生工程實踐能力的培養(yǎng)，結(jié)合教師從事的部分研究項目，由教師設(shè)計選擇一些與工程實踐緊密聯(lián)系并具有一定難度的實驗項目，將實驗?zāi)康摹嶒炓笠怨こ倘蝿?wù)書的形式下達給學生，學生通過一段時間的預習，查閱資料，并進行分組討論，明確實驗原理、方法和步驟，組織實驗方案的實施，經(jīng)過動手操作，完成實驗任務(wù)。任務(wù)書型實驗與工程實踐應(yīng)用緊密聯(lián)系，使學生們樹立了工程意識，通過親自設(shè)計和實驗，使學生掌握針對具體實驗的設(shè)計思想和操作技能，提高了學生分析和解決問題的能力。

(2)項目型研究。積極鼓勵學生以小。組的方式申請學校提供的基金資助項目，由學生自己設(shè)計的巖石力學科研工程項目；或者學生參與以老師名義立項的有巖石工程背景的SRTP項目。學生在研究過程中以項目為主線貫穿始終，將巖石力學課程中的知識點融入到項目中，完成項目，教師以學生完成項目的質(zhì)量來評定學生的設(shè)計效果，有效地鍛煉了學生運用科學知識與方法解決實際問題的能力、團結(jié)協(xié)作的能力以及獨立工作的能力等。

四、課程改革的效果

1　滿足了不同層次學生的學習需要。研究型學習平臺既照顧到采礦工程專業(yè)一般學生系統(tǒng)學習巖石力學基本知識的需要，又可使學有余力的學生在較短時間內(nèi)通過CAI網(wǎng)絡(luò)課程、研究型的實踐平臺，了解巖石力學工程問題的研究方法，掌握數(shù)值模擬的方法，實用性強。

2　近期研究成果應(yīng)用于教學實踐廣受歡迎。本課程在引入了目前巖石力學研究近期研究成果，將近年才使用成熟起來的FLAC、RFPA和UDEC等數(shù)值模擬軟件應(yīng)用于教學實踐中，這是學生認為最有收獲之處。

3　突出重點教學針對性強。本著有所為、有所不為的原則，分工清晰，重點明確，課程只介紹巖石力學發(fā)展成熟且應(yīng)用廣泛的理論和方法。

巖石力學論文:數(shù)值模擬結(jié)果演示推進巖石力學課堂教學

摘 要：巖石力學課程的理論性比較強，單靠書面的講解，學生難以深刻領(lǐng)會，需要豐富授課資料。通過對課程中的相關(guān)問題進行數(shù)值模擬并將結(jié)果演示于教學中，有助于課程教學效果的提升，使學生了解到更多巖石力學領(lǐng)域的知識和信息，進一步加深了對巖石力學概念和相關(guān)知識點的認識和理解；通過數(shù)值模擬結(jié)果演示資料的補充，極大改善了課程內(nèi)容難懂、難以深入和授課資料不豐富、不直觀、不等問題，極大地激發(fā)了學生學習和投身科研的興趣，使學生理論水平和創(chuàng)新思維大幅提高，并開闊學生的視野；數(shù)值模擬也是巖石力學實驗教學的有益補充，為實驗教學打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；演示；巖體力學；課堂教學；圍巖

巖石力學是采礦工程、水利水電工程、鐵道工程、公路工程、巖土工程、地下工程等眾多學科的專業(yè)基礎(chǔ)課，是促進這些學科和相應(yīng)工程不斷發(fā)展的原動力[1]。因此巖石力學課程的重要性不言而喻。由于巖石力學課程的理論性比較強，單靠書面的講解，學生難以深刻領(lǐng)會，要更好地加深學生對理論和現(xiàn)象的理解以及拓展學生的視野和增強其創(chuàng)新力，需要豐富的授課資料(樣本、圖片、視頻影像等)。

資料的獲取可以由實驗室實驗的相關(guān)成果獲得，但物理模擬實驗費用高、周期長，巖石或圍巖內(nèi)部的監(jiān)測也相對復雜，要根據(jù)實驗室的條件進行，很多情況目前還難以實施，因此資料相對有限。資料也可以通過現(xiàn)場獲取，這樣就使學生有了比較直觀的認識，但學生對理論和現(xiàn)象的理解畢竟有限，隨著數(shù)值方法以及計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)可以進行巖石試樣、圍巖等變形及破裂過程的數(shù)值試驗并將其應(yīng)用于課堂教學中。通過數(shù)值模擬不僅克服了實驗室實驗和現(xiàn)場資料獲取的缺點，而且還能得到許多在實驗室和現(xiàn)場難以觀測到的與授課理論講解、分析有關(guān)的重要資料。

通過演示數(shù)值模擬結(jié)果的方式展開教學，激發(fā)了學生的學習興趣，加深了對巖石力學理論的正確理解，拓寬其思維空間，使學生的理論水平和創(chuàng)新思路得到明顯提高。

黃明奎[2]基于巖石力學理論教學與實驗教學的基本情況，分析研究了實驗教學現(xiàn)狀及存在的問題，提出了實驗教學體系改革的初步方案及思路。張義平等[3]針對巖體力學課程的教學，重點對基于巖石破壞過程分析數(shù)值模擬系統(tǒng)RFPA教學版的數(shù)值實驗教學相關(guān)內(nèi)容進行介紹。課堂教學數(shù)值模擬實驗多媒體課件的制作是最關(guān)鍵的問題[4]，我們通過課堂教學中引入數(shù)值模擬并實現(xiàn)巖石力學領(lǐng)域重點、難點知識的全過程模擬演示，達到了激發(fā)學生的興趣和創(chuàng)新思維的目的，加深了學生對巖體力學相關(guān)知識的正確理解和解釋，使學生的水平大幅度提高。

1 數(shù)值模擬及演示資料制作

應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域的數(shù)值模擬軟件有很多，如FLAC3D，ANSYS，UDEC，RFPA等，可根據(jù)適用范圍和學校自身條件來選擇。RFPA由東北大學巖石破裂與失穩(wěn)研究中心開發(fā)，能模擬巖石在受載過程中其內(nèi)部微細破裂產(chǎn)生到不斷發(fā)展并導致最終宏觀破裂的過程，是一種運用連續(xù)介質(zhì)力學方法解決非連續(xù)介質(zhì)力學問題的新型數(shù)值分析方法，具有應(yīng)力分析和破壞分析兩大功能[5]，該軟件可模擬巖石試件加載、巷(隧)道破壞、頂板冒落、地表沉陷、巖層移動、開挖與支護和巖石的聲發(fā)射等。綜上所述，就巖石力學課程而言，用RFPA軟件進行數(shù)值模擬并將其結(jié)果演示與分析運用于課堂教學是非常適宜的。

數(shù)值模擬及演示資料制作過程：

(1)根據(jù)授課內(nèi)容并結(jié)合軟件適用范圍，分項進行數(shù)值模擬(包括建立數(shù)值模型、確定邊界條件和控制條件、計算及結(jié)果分析等)。

(2)根據(jù)分項進行數(shù)值模擬的結(jié)果，編制相應(yīng)的破裂演化過程圖集(應(yīng)力圖、聲發(fā)射圖等，或者該部分直接通過軟件本身所具備的幻燈演示功能進行)、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖、單元應(yīng)力變化規(guī)律曲線等，制作演示多媒體課件。

(3)應(yīng)用于課堂教學講授與分析。

2 應(yīng)用實例

2.1 單軸壓縮試樣破壞過程演示

巖石的力學性質(zhì)部分在巖石力學課程中占有重要的地位。圖1為數(shù)值模擬巖石試樣的單軸壓縮破壞過程的部分剪應(yīng)力圖。從圖形中可以清晰地看出巖石破裂演化的全過程，通過對巖石試樣單軸壓縮破裂演化過程的演示，使學生對巖石破壞形態(tài)的認知、理解由懵懂到豁然，同時也增強了學生對巖石破壞演化機理探索的興趣，極大地提高了學生的學習積極性和教學效果。圖2為相應(yīng)的數(shù)值模擬巖石試樣的單軸壓縮應(yīng)力隨加載步的變化關(guān)系，通過相應(yīng)的曲線加深學生對破裂演化過程與應(yīng)力應(yīng)變之間關(guān)系的認識和理解，也使學生在很多問題的認知上變得容易，一定程度上升華了學生對巖石力學理論的認識，提高了授課效果。

圖1 數(shù)值模擬巖石試樣的單軸壓縮破壞過程

圖2 數(shù)值模擬巖石試樣單軸壓縮應(yīng)力隨加載步的變化關(guān)系

2.2 圓形隧(巷)道圍巖 破裂演化過程及應(yīng)力場變化演示

圖3為數(shù)值模擬圓形隧(巷)道開挖后的圍巖破裂演化過程部分聲發(fā)射和剪應(yīng)力圖，聲發(fā)射表明單元破裂，從圖形中可以清晰地看出開挖后的圍巖聲發(fā)射情況及其發(fā)生發(fā)展的全過程，根據(jù)剪應(yīng)力圖可以得出應(yīng)力集中的變化規(guī)律和破裂演化的情況，通過軟件可以選取某單元進行單獨分析，根據(jù)單元的應(yīng)力和位移可做出整個過程的變化曲線，通過對整個演化過程的演示，使學生對圍巖破壞及應(yīng)力場的變化有了新的認知和理解，并能使學生了解到更多的與圍巖破裂有關(guān)的信息。

圖3 數(shù)值模擬圓形隧(巷)道圍巖破裂演化過程

數(shù)值模擬技術(shù)已趨于成熟并在工程和科研中廣為應(yīng)用，通過對巖石力學課程中的相關(guān)問題進行數(shù)值模擬并將結(jié)果演示于課堂教學中，有助于課程教學效果的提升，能夠使學生了解到更多巖石力學領(lǐng)域的知識和信息，進一步加深其對巖石力學概念和相關(guān)知識點的認識和理解；通過數(shù)值模擬結(jié)果演示資料的補充，極大改善了授課內(nèi)容的難懂、難以深入和授課資料的不豐富、不直觀、不等問題，極大地激發(fā)了學生學習和投身科研的興趣，使學生理論水平和創(chuàng)新思維大幅度提高，使學生知識結(jié)構(gòu)的高度和寬度不斷延伸，開闊了學生的視野，提升了其解決和處理問題的把握能力；數(shù)值模擬也是巖石力學實驗教學的有益補充，將為實驗教學打下良好的基礎(chǔ)。

巖石力學論文:淺析巖石力學試驗新技術(shù)和新設(shè)備

【摘要】本文結(jié)合近期的巖石力學測試技術(shù)，介紹了巖石力學測試技術(shù)的試驗方法和設(shè)備，包括巖石分類回彈試驗、巖石耐崩解試驗、巖石剪切試驗、巖石三軸試驗、巖石滲透性試驗和巖石三軸流變試驗，為巖石力學試驗提供了新的方法和依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】巖石力學試驗；三軸流變；力學

1 引言

隨著人類社會的發(fā)展，礦業(yè)開采的深度越來越深，建筑物、水壩、地下硐室、露天開采等的規(guī)模越來越大，遇到的惡劣地質(zhì)環(huán)境如不良巖體、斷層破碎帶、軟弱夾層等也越來越多。巖石力學就是在這種背景下于近幾十年內(nèi)發(fā)展起來的一門學科。其研究目的，就是要了解巖石的物理-力學性能，查明工程巖體中的應(yīng)力和變形狀態(tài)，以解決國民經(jīng)濟建設(shè)中各工程部門所遇到的硐室、隧道、邊坡、壩基等的安全和穩(wěn)定問題。因此，巖石力學在地學領(lǐng)域中也占有重要的地位。巖石中存在著大量不同尺度的不連續(xù)面，如裂隙、節(jié)理、斷層等。巖石的這些特點決定了巖石力學研究對象的復雜性。

人類對巖石的力學性狀的認識是從試驗開始的，巖石力學理論的形成、發(fā)展與試驗方法息息相關(guān)。巖石的力學性態(tài)包括巖石在所處物理、化學環(huán)境下的強度、變形及其動力學特性和滲透性等。巖石力學性態(tài)的研究方法主要是現(xiàn)場和室內(nèi)試驗。現(xiàn)場試驗有測量巖體原位變形性能和強度性能的承壓板試驗和剪切試驗、現(xiàn)場三軸壓縮試驗和巖體滲透性試驗等；室內(nèi)試驗有單軸壓縮、三軸壓縮、單軸拉伸、直接剪切、滲透試驗等。現(xiàn)場試驗在工程現(xiàn)場對巖體進行，室內(nèi)試驗在實驗室內(nèi)用規(guī)定尺寸的巖塊試件在模擬的溫、壓條件下進行，在試件受力變形過程中測量其各種力學量之間的關(guān)系。通過試驗可以測出巖體和巖塊的彈性常數(shù)E、v和各種強度值，以及滲透系數(shù)k等。對實驗數(shù)據(jù)進行處理和分析，可以得出巖石的破壞準則、屈服條件和表示應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、時間等之間關(guān)系的本構(gòu)方程。目前對巖石較常用的破壞準則有庫侖準則、莫爾準則和格里菲斯準則，屈服條件有特雷斯卡屈服條件、德魯克-普拉格屈服條件、莫爾-庫侖屈服條件等。至于巖石的本構(gòu)方程，除了熟知的胡克定律之外，還有反映巖石彈塑性、黏彈性、粘塑性和粘彈塑性性能的諸多本構(gòu)方程。

本文主要介紹了巖石力學測試的近期方法和相關(guān)儀器設(shè)備。

2 試驗方法及設(shè)備

2.1 巖石分類回彈試驗：巖石分類回彈試驗用于巖石分類。通常將圓柱形的巖芯放在水平位置，錘擊巖芯以獲得回彈數(shù)據(jù)。可沿著芯的長度獲取一系列數(shù)據(jù)以得到平均回彈值。

2.2 巖石耐崩解試驗：目前國內(nèi)外關(guān)于巖石崩解性的試驗有兩種：耐崩解性試驗和普通崩解試驗。耐崩解試驗方法的規(guī)范主要有國際巖石力學學會（ISRM）1979年建議的方法和1999年的中國工程巖體試驗方法標準（GB/T50266-99）中的耐崩解性試驗方法，這兩種試驗規(guī)程大致相同，均是將試驗樣品在105℃-110℃下烘干2-6小時冷卻，放入孔徑為2mm的金屬網(wǎng)圓筒中，置入水中以20r/min的速度轉(zhuǎn)動10分鐘，取出樣品烘干稱量，之后循環(huán)做一次，用原樣品的烘干質(zhì)量和殘留樣品烘干質(zhì)量求出巖石耐崩解指數(shù)。

巖石耐崩解儀可以測量巖石由于干濕交替后，抵抗崩解的耐久性能。該設(shè)備包括一個裝在基座上的驅(qū)動裝置，該驅(qū)動裝置以每分鐘20轉(zhuǎn)的速度帶動2-4個鼓形試驗箱。箱內(nèi)注水，水位低于軸線20mm。試驗箱體由2mm絲網(wǎng)制成，直徑140mm，長度100mm。

2.3 巖石剪切試驗：巖石的抗剪強度是巖石對剪切破壞的極限抵抗能力。通常采用快速直剪試驗測定巖石的抗剪強度。此試驗一般可測定：a.混凝土與巖石膠結(jié)面的抗剪強度；b.巖石軟弱結(jié)構(gòu)面（包括夾泥和不夾泥的層面，節(jié)理裂縫面和斷層帶等）的抗剪強度；c.巖石本身的抗剪強度。試驗時巖石的含水狀態(tài)可根據(jù)需要采用天然含水狀態(tài)、飽和狀態(tài)或其他含水狀態(tài)。

巖石剪切系統(tǒng)（RSI）是通用的系統(tǒng)可以完成天然或人工巖石節(jié)理的固結(jié)和剪切過程，巖樣直徑較大達83mm。

該系統(tǒng)包括計算機控制的單元，該單元利用微步進馬達來控制和施加垂直荷載和水平位移。內(nèi)置的電子元件控制試驗并實時顯示數(shù)據(jù)。在近期的Windows平臺下運行電腦控制的程序。程序可以顯示近期的當前的狀態(tài)并實時繪制試驗過程的圖形。系統(tǒng)也允許操作者在試驗過程中的任意階段改變試驗過程和狀態(tài)。

2.4 巖石三軸試驗：巖石三軸壓縮試驗（簡稱三軸試驗），實質(zhì)是對處于三向受壓環(huán)境中的地殼巖體的力學性狀的一種模擬。相對于其它一些所謂的常規(guī)實驗，三軸實驗屬較復雜的高級實驗，它可以獲取相應(yīng)于巖體不同圍壓（或深度）的抗壓強度、抗剪強度、彈性模量、泊松比，以及的凝聚力C和內(nèi)摩擦角等數(shù)據(jù)。若使用三軸侍服壓力機，還能得到應(yīng)力-應(yīng)變（σ-ε）的全程曲線，進而獲得巖石的殘余應(yīng)力、長期變形數(shù)據(jù)等。這些都是一些重大工程建設(shè)、巖石力學和某些地學項目研究及應(yīng)用中必不可少的重要參數(shù)。

W＋B提供的高剛度測試系統(tǒng)可以研究巖石的無側(cè)向剛度壓縮測試、三軸測試、彎曲測試、直接拉伸、壓碎測試，研究巖石的無側(cè)向剛度壓縮測試、三軸測試、彎曲測試、直接拉伸、壓碎測試、蠕變測試等。

在巖石力學測試領(lǐng)域，W＋B提供的高剛度測試系統(tǒng)的較大測試范圍可以達到10000kN。W＋B還可以提供不同的穩(wěn)壓加強系統(tǒng)，數(shù)字式控制器提供附加的通道用于數(shù)據(jù)采集，以及多通道控制功能，此外還可以提供其他的巖石測試系統(tǒng)，以及各種制樣工具。

使用W+B巖石三軸試驗儀進行了巖石三軸試驗。巖樣采自石太鐵路客運專線太行山隧道工程施工現(xiàn)場，為膏溶角礫巖。其外觀多呈灰白至黃褐色，由角礫和粘土礦物膠結(jié)而成。經(jīng)X射線粉晶衍射分析，主要礦物成分和含量為石英35%，方解石20%，伊利石15%，綠泥石15%，白云石10%，長石5%。巖樣從施工現(xiàn)場封裝運回后，采用干法加工成50mm×100mm的標準試件。

3 結(jié)語

本文介紹了巖石力學試驗的近期進展和試驗方法，以及相應(yīng)的試驗設(shè)備，為巖石力學試驗提供了依據(jù)和參考。

巖石力學論文:淺析數(shù)值仿真技術(shù)對《巖石力學》教學的促進

摘 要:通過數(shù)值仿真技術(shù),對巖石力學課程中相關(guān)章節(jié)中的具體問題進行分析,將計算分析結(jié)論與教材中的內(nèi)容相比較,分析二者之間的相同之處或產(chǎn)生差異的原因。通過近兩個學期的實踐證明,采用該技術(shù)能夠豐富課堂教學內(nèi)容,提高學生學習巖石力學課程的興趣與積極性。

關(guān)鍵詞:巖石力學 教學 數(shù)值仿真技術(shù)

巖石力學是高等學校土木工程、水利工程、工程力學、采礦工程等諸多專業(yè)的必修課,是一門與生產(chǎn)實際緊密結(jié)合的課程。地下洞室是巖體工程中建造最多的地下構(gòu)筑物,如公路和鐵路隧道、地下廠房等。如何解決在建造地下洞室時所遇到的各種巖體力學問題,包括巖體的二次應(yīng)力分布、圍巖壓力的計算等問題,將直接影響地下洞室的設(shè)計與施工工作[1]。

地下開挖之前,巖體中每個質(zhì)點均受到天然應(yīng)力作用而處于相對平衡狀態(tài)。洞室開挖后,洞壁巖體因失去了原有巖體的支撐,破壞了原來的受力平衡狀態(tài),而向洞內(nèi)空間脹松變形,其結(jié)果又改變了相鄰質(zhì)點的相對平衡關(guān)系,引起應(yīng)力、應(yīng)變和能量的調(diào)整,以達到新的平衡,形成新的應(yīng)力狀態(tài)。我們把地下開挖后圍巖中應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整而引起圍巖中原有應(yīng)力大小、方向和性質(zhì)改變的作用,稱為圍巖應(yīng)力重分布作用或稱為圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)。圍巖的二次應(yīng)力分布呈彈性與彈塑性兩種分布形式,《巖石力學》按照由易到難的順序?qū)υ搯栴}進行了講解。通過近幾學期的教學情況看,此部分內(nèi)容涉及大量的彈塑性力學知識及公式推導,大多學生感覺枯燥乏味,導致該部分內(nèi)容教學效果欠佳。下面以“深埋圓形洞室彈性分布的二次應(yīng)力狀態(tài)”為例,分析數(shù)值仿真技術(shù)在《巖石力學》教學當中的應(yīng)用。

1 數(shù)值仿真的實現(xiàn)

1.1 數(shù)值方法的選用[2]

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。軟件主要包括三個部分:前處理模塊,分析計算模塊和后處理模塊。軟件提供了100種以上的單元類型,用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。尤其在分析小變形等彈性力學問題時具有其他軟件無法具有的優(yōu)勢,針對“深埋圓形洞室彈性分布的二次應(yīng)力狀態(tài)”分析,采用ANSYS軟件是合適的。

1.2 深埋圓形洞室彈性分布的二次應(yīng)力狀態(tài)分析,當側(cè)壓力系數(shù)為λ=1時

計算模型的尺寸為14m×14m,中間開挖一半徑為1m的洞室。邊界條件:固定左側(cè)水平方向的位移、固定下端垂直方向的位移,同時在模型右側(cè)與上端施加1MPa的壓力。采用平面應(yīng)變問題進行分析。

(圖1、圖2)分別給出了計算后洞壁周圍圍巖的二次應(yīng)力分布情況,與《巖石力學》教材中圓形洞室的二次應(yīng)力分布狀態(tài)比較后發(fā)現(xiàn),二者圖形分布一致。切向應(yīng)力隨著r的增大而減小,徑向應(yīng)力卻隨之而增大。當距離洞壁四倍的半徑左右位置時,徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力都趨向于圍巖的初始應(yīng)力1MPa,也就是說,洞室的開挖在此種工況下對圍巖的影響范圍在四倍的半徑范圍之內(nèi)。這一些結(jié)論與《巖石力學》教材中的內(nèi)容是一致的。由于劃分網(wǎng)格等問題的影響使得洞壁周邊的徑向應(yīng)力沒有為零,同時洞壁邊緣的切向應(yīng)力也不像理論分析的那樣為2MPa。但是比較數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果會發(fā)現(xiàn),二者的差別不大,能夠滿足工程計算的精度要求。

1.3 深埋圓形洞室彈性分布的二次應(yīng)力狀態(tài)分析,當側(cè)壓力系數(shù)不等于1時

通過1.2節(jié)的分析可以發(fā)現(xiàn),采用ANSYS軟件對以上問題的分析是的。所以,應(yīng)用ANSYS可以分析當側(cè)壓力系數(shù)不等于1的情況。模型同1.2節(jié),水平方向的荷載改為0.5MPa即側(cè)壓力系數(shù)為λ=0.5,計算結(jié)果如。從洞壁徑向與切向應(yīng)力分布圖可以看出,此情況下的應(yīng)力分布比側(cè)壓力系數(shù)為1的情況要復雜的多。即便如此,教師可以比較清晰的對圖中應(yīng)力分布的特點進行分析與講解。學生也可以從繁瑣的計算公式中解放出來,對洞壁周邊圍巖的二次應(yīng)力情況有比較深刻的感性認識。

2 結(jié)語

大多的《巖石力學》教材中還對橢圓孔以及其他不規(guī)則空洞問題的二次應(yīng)力分布問題進行了講解,與以上分析的兩種情況相比更加復雜,計算公式更加的冗長。有了數(shù)值模擬方法,我們可以很容易的獲得在不同工況下不同形狀洞室的二次應(yīng)力分布情況。在授課的過程中,還可以給學生講解有關(guān)有限元分析的原理,以及ANSYS軟件的具體操作,使得學生在學好《巖石力學》大綱規(guī)定相關(guān)內(nèi)容的同時,開闊了他們的視野,提高了學習《巖石力學》課程的興趣與積極性。同時,為以后學生進入更高層次階段的學習打下良好的基礎(chǔ)。

巖石力學論文:巖石力學在采礦工程中的研究

【摘 要】巖體力學不是一門系統(tǒng)的學科，它屬于地質(zhì)學與力學之間的一門邊緣學科，現(xiàn)如今在采礦工程中的應(yīng)用也比較廣泛。本文首先介紹了巖體力學的時代背景，其次又從三方面探討了巖石力學在采礦工程中的應(yīng)用，分別是：對于深部開采所帶來的災(zāi)害預測、礦山地應(yīng)力場測量、大型深凹露天礦邊坡設(shè)計優(yōu)化。

【關(guān)鍵詞】巖石力學；采礦工程；應(yīng)用

1.簡述采礦工程中巖體力學的特點

①采礦工程多處于地下較深處，而其它地下工程多在距地表較近（幾十米）的范圍內(nèi)；②對礦山工程，只要求在開采期間不破壞，在采后能維持平衡狀態(tài)不影響地表安全即可，故其計算精度、安全系數(shù)及加固等方面均低于國防、水利工程的標準；③礦山地質(zhì)條件復雜，又受礦床賦存條件限制，故采礦工程的位置選擇性不大，同時采掘工作面不斷變化，因而采礦工程巖石力學具有復雜性的特點。

在巖體表面或其內(nèi)部進行任何工程活動，都必須符合安全、經(jīng)濟和正常運營的原則。以露天采礦邊坡坡角選擇為例，坡角選擇過陡，會使邊坡不穩(wěn)定，無法正常采礦作業(yè)，坡角選擇過緩，又會加大其剝采量，增加其采礦成本。然而，要使巖體工程既安全穩(wěn)定又經(jīng)濟合理，必須通過地預測工程巖體的變形與穩(wěn)定性、正確的工程設(shè)計和良好的施工質(zhì)量等來保障。其中，地預測巖體在各種應(yīng)力場作用下的變形與穩(wěn)定性，進而從巖體力學觀點出發(fā)，選擇相對優(yōu)良的工程場址，防止重大事故，為合理的工程設(shè)計提供巖體力學依據(jù)，是工程巖體力學研究的根本目的和任務(wù)。

2.巖石力學在采礦工程中的應(yīng)用

巖石力學理論服務(wù)于采礦活動，其目的有四個方面。

（1）充分利用地殼內(nèi)部各種應(yīng)力來進行落礦、運礦以減少崩礦費用。

（2）盡可能地減少工程量，降低采礦成本。

（3）控制崩落礦石塊度，減少二次破碎

（4）較大限度地提高生產(chǎn)規(guī)模，創(chuàng)造礦山經(jīng)濟效益。

2.1礦山地應(yīng)力場測量

地應(yīng)力是存在于底層中的天然應(yīng)力，它是引起采礦水利水電、土木建筑、鐵道、公路和其他各種地下或露天沿途開挖工程變形和破壞的根本作用力，是實現(xiàn)采礦和巖土開挖設(shè)計和決策科學化的必要前提。對于礦山設(shè)計來講，只有掌握了具體工程區(qū)域的地應(yīng)力條件，才能合理確定礦山的總體布置，選取適當?shù)牟傻V方法，確定巷道和采場的斷面形狀、斷面尺寸、開挖步驟、直呼形式、支護結(jié)構(gòu)參數(shù)、直呼時間等，從而在保障圍巖穩(wěn)定性的前提下，較大限度地增加礦石產(chǎn)量，提高礦山經(jīng)濟效益，實現(xiàn)采礦工程的優(yōu)化。

目前普遍采用的地應(yīng)力測量方法有應(yīng)力解除法和水壓致裂法兩大類。其中，套孔應(yīng)力解除法是發(fā)展時間最長，技術(shù)比較成熟的映眾地應(yīng)力測量方法。在測定原始應(yīng)力的適用性和性方面，目前還沒有那種方法可以與之相比。據(jù)統(tǒng)計，在全世界已經(jīng)獲得的地應(yīng)力測量資料中，有80%是有應(yīng)力解除法測得的。對于礦山來講，采用應(yīng)力接觸法更有得天獨厚的條件。因為礦山有系列的航道、硐室可接近地下測點，而不需要向水壓致裂法那樣必須打?qū)ｉT的鉆孔才能到達測點。因而對礦山地應(yīng)力測量而言，采用應(yīng)力解除法是最經(jīng)濟和的。

2.2地下礦山采礦設(shè)計優(yōu)化

礦床的形成過程、賦存狀態(tài)和開采穩(wěn)定性均受地應(yīng)力場的控制。為此，必須以地應(yīng)力為切入點進行采礦設(shè)計優(yōu)化。即：根據(jù)實測地應(yīng)力和扎實的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及礦巖物理力學性質(zhì)等基礎(chǔ)資料，以及實際的礦體賦存和開采條件，通過定量計算和分析，選擇合理的采礦方法，確定的開采總體布置、采場結(jié)構(gòu)管參數(shù)、開采順序、直呼加固和地壓控制措施，實現(xiàn)安全高效的開采目標。

2.3大型深凹露天礦邊坡設(shè)計優(yōu)化

我國一大批大中型露天礦山已經(jīng)或即將由山坡露天開采轉(zhuǎn)為深凹開采。隨著邊坡的價高架豆，邊坡穩(wěn)定性維護的難度越來越大，邊坡滑移和傾倒破壞事故的發(fā)生日益頻繁，嚴重威脅礦山的安全生產(chǎn)，制約礦山生產(chǎn)能力的提高。但是另一方面，對于大型露天礦山，提高邊坡角有事減少剝離和生產(chǎn)成本的重要手段。

國內(nèi)外邊坡穩(wěn)定性分析和設(shè)計的傳統(tǒng)方法是極限平衡法，這是一種靜態(tài)的確定性分析方法，而實際的邊坡狀況是歲開采過程不斷變化的，是動態(tài)的不確定性的；該方法是基于土力學理論提出來的，不能考慮實際的巖體條件，如斷層、節(jié)理的存在，同時也不考慮地應(yīng)力。而實際上這些對邊坡的穩(wěn)定性和破壞起控制作用。因而該方法度山坡露天礦設(shè)計可能是適用的，但對深凹露天礦設(shè)計并不適用。

為了克服傳統(tǒng)的極限平衡分析方法的不足，必須采用現(xiàn)代的科學技術(shù)，充分考慮地應(yīng)力的作用和實際的工程巖體條件，通過定量的計算分析，實現(xiàn)邊坡設(shè)計的優(yōu)化。具體的試試路線為：采用數(shù)值模擬和極限平衡分析相結(jié)合的方法，對不同邊坡角和邊坡設(shè)計方案進行定量的計算和分析，在保障安全的前提下，盡可能低提高邊坡角，減少剝離量，盡可能地減少生產(chǎn)成本，增加礦石產(chǎn)量和礦山效益。

2.4深部開采動力災(zāi)害預測與防治

深部開采動力災(zāi)害，包括巖爆、礦震、沖擊地壓，是深部開采中可能遇到的突出問題。

目前的研究技術(shù)路線為：從扎實的現(xiàn)場地應(yīng)力測量、工程地質(zhì)調(diào)查、巖石力學實驗和現(xiàn)場檢測資料的采集入手，以能量聚集和演化為主線，揭示巖爆發(fā)生的機理及其與采礦過程、地質(zhì)構(gòu)造和巖體特性的關(guān)系，對巖爆發(fā)生的時間、空間和強度進行定量的預測；將預測和防治、地下河地面、生產(chǎn)安全和環(huán)境安全融為一體進行評價和研究。

3.巖石力學在采礦工程中的發(fā)展趨勢

巖石力學已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了采礦工程中的各個領(lǐng)域，而且其研究理論正在不斷創(chuàng)新，研究手段也日新月異。隨著我國礦產(chǎn)資源的續(xù)開發(fā)，在采礦工程終將會遇到條件更復雜、拿督更大的巖石力學問題，因此，巖石力學與工程學科的理論水平和工程能力都有待進一步提高。

巖體力學的發(fā)展是和人類工程實踐分不開的。起初，由于巖體工程數(shù)量少，規(guī)模也小，人們多憑經(jīng)驗來解決工程中遇到的巖體力學問題。因此，巖體力學的形成和發(fā)展要比土力學晚得多。隨著生產(chǎn)力水平及工程建筑事業(yè)的迅速發(fā)展，提出了大量的巖體力學問題。由于巖體中具有天然應(yīng)力、地下水等，并發(fā)育有各種結(jié)構(gòu)面，所以它不僅具有彈性、脆性、塑性和流變性，而且還具有非線彈性、非連續(xù)性，以及非均質(zhì)和各向異性等特征。對于這樣一種復雜的介質(zhì)，不僅研究內(nèi)容非常復雜，而且其研究方法和手段也應(yīng)與連續(xù)介質(zhì)力學有所不同。

今天，由于礦產(chǎn)資源勘探開采、能源開發(fā)及地球動力學研究等的需要，工程規(guī)模越來越大，所涉及的巖體力學問題也越來越復雜。這對巖體力學提出了更高的要求。 

巖石力學論文:試述巖石力學在金屬礦山采礦工程中的應(yīng)用

摘 要：由于我國經(jīng)濟的發(fā)展對資源的需求旺盛，對金屬礦的需求也越來越多，本文介紹了現(xiàn)代巖石力學的核心內(nèi)容和本質(zhì)特征及其在金屬礦山采礦工程中的應(yīng)用，包括礦山地應(yīng)力場測量，地下礦山采礦設(shè)計優(yōu)化，大型深凹露天礦邊坡設(shè)計優(yōu)化和深部開采動力災(zāi)害預測與防治，介紹了金屬礦山地應(yīng)力的規(guī)律性及地下礦山采礦設(shè)計優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：巖石力學；金屬礦山；采礦工程；應(yīng)用

1 巖石力學的特點

隨著人類文明的不斷進步，以及科學技術(shù)的不斷發(fā)展，許多新的學科應(yīng)運而生。巖石力學是近展起來的一門應(yīng)用性和實踐性很強的新興學科和邊緣學科，它的應(yīng)用范圍涉及采礦、土木建筑、水利水電、鐵道、公路、地質(zhì)、地震、石油、地下工程、海洋工程等眾多的與巖石工程相關(guān)的工程領(lǐng)域。一方面，巖石力學是上述工程領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)；另一方面，正是上述工程領(lǐng)域的實踐促使了巖石力學的誕生和發(fā)展。

1966年，美國科學院巖石力學委員會對巖石力學給予以下定義：“巖石力學是研究巖石的力學性狀的一門理論和應(yīng)用科學，它是力學的一個分支，是探討巖石對其周圍物理環(huán)境中力場的反應(yīng)。”這一定義是從“材料”的概念出發(fā)的，帶有材料力學或固體力學的深深烙印。隨著巖石力學理論研究和工程實踐的不斷深入和發(fā)展，人們對“巖石”的認識有了突破。首先，不能把“巖石”看成固體力學中的一種材料，所有巖石工程中的“巖石”是一種天然地質(zhì)體，或者叫做巖體，它具有復雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和賦存條件，是一種典型的“不連續(xù)介質(zhì)”。其次，巖體中存在地應(yīng)力，它是由于地質(zhì)構(gòu)造和重力作用等形成的內(nèi)應(yīng)力。由于巖石工程的開挖引起地應(yīng)力的釋放，正是這種“釋放荷載”才是引起巖石工程變形和破壞的根本作用力。因此巖石力學的研究思路和研究方法與以研究“外荷載作用”為特征的材料力學、結(jié)構(gòu)力學等有本質(zhì)的不同。最近的研究表明，無論是巖體結(jié)構(gòu)，還是其賦存狀況、賦存條件均存在大量的不確定性。因此，必須改變傳統(tǒng)的固體力學的確定性研究方法，而從“系統(tǒng)”的概念出發(fā)，采用不確定性方法來進行巖石力學的研究。“巖體”是自然系統(tǒng)，“工程巖體”是人地系統(tǒng)，其行為和功能與施工因素密切相關(guān)。

根據(jù)上述分析，現(xiàn)在可以重新定義：巖石力學是一門認識和控制巖石系統(tǒng)的力學行為和工程功能的科學。采礦工程涉及的巖石力學問題主要有如下幾個方面。

(1)礦山地應(yīng)力場測量

(2)露天采礦邊坡設(shè)計及穩(wěn)定加固技術(shù)

(3)井下開采中巷道和采場圍巖穩(wěn)定性問題，特別是軟巖巷道和深部開采地壓控制問題

(4)采礦設(shè)計優(yōu)化，包括采礦方法選擇、開采總體布置、采場結(jié)構(gòu)、開采順序、開挖步驟、地壓控制、支護加固的優(yōu)化等

(5)巖爆、煤與瓦斯突出、礦井突水預測、預報及預處理理論和技術(shù)

(6)采空區(qū)處理及地面沉降問題。

2 礦山地應(yīng)力場測量

2. 1 地應(yīng)力測量的重要性

地應(yīng)力是存在于地層中的天然應(yīng)力，它是引起采礦、水利水電、土木建筑、鐵道、公路和其他各種地下或露天巖土開挖工程變形和破壞的根本作用力，是實現(xiàn)采礦和巖土工程開挖設(shè)計和決策科學化的必要前提。因為對礦山設(shè)計來講，只有掌握了具體工程區(qū)域的地應(yīng)力條件，才能合理確定礦山總體布置，選取適當?shù)牟傻V方法，確定巷道和采場的斷面形狀、斷面尺寸、開挖步驟、支護形式、支護結(jié)構(gòu)參數(shù)、支護時間等，從而在保障圍巖穩(wěn)定性的前提下，較大限度地增加礦石產(chǎn)量，提高礦山經(jīng)濟效益，實現(xiàn)采礦工程的優(yōu)化。

根據(jù)彈性力學理論，巷道和采場的形狀主要由其斷面內(nèi)的2個主應(yīng)力的比值來決定，為了減少巷道和采場周邊的應(yīng)力集中現(xiàn)象，它們最理想的斷面形狀應(yīng)是一個橢圓，而這個橢圓在水平和垂直方向的兩個半軸的長度之比應(yīng)與該斷面內(nèi)水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力之比相等。在此情況下，巷道和采場周邊將處于均勻等壓應(yīng)力狀態(tài)。這是一種最穩(wěn)定的受力狀態(tài)。在確定巷道和采場走向時，也應(yīng)考慮地應(yīng)力的狀態(tài)，最理想的走向是與較大主應(yīng)力方向相平行。

由于采礦工程的復雜性和形狀多樣性，利用理論解析的方法進行工程穩(wěn)定性的分析和計算幾乎是不可能的。但是，近20年來大型電子計算機的應(yīng)用和各種數(shù)值分析方法的不斷發(fā)展，使采礦工程成為一門可以進行定量設(shè)計計算和分析的工程科學。所有的計算和分析都必須在已知地應(yīng)力的前提下進行。如果對工程區(qū)域的實際原始應(yīng)力狀態(tài)一無所知，那么任何計算和分析都將失去其應(yīng)有的真實性和實用價值。

2. 2 地應(yīng)力測量的主要方法

測量原始地應(yīng)力就是確定存在于擬開挖巖體及其周圍區(qū)域的未受擾動的三維應(yīng)力狀態(tài)，這種測量通常是通過一點一點的量測來完成的。巖體中一點的三維應(yīng)力狀態(tài)可由選定坐標系中的6個分量(Rx，Ry，Rz，Sxy，Syz，Sxz)來表示，這種坐標系是可以根據(jù)需要和方便任意選擇的，但一般取地球坐標系作為測量坐標系。由6個應(yīng)力分量可求得該點的3個主應(yīng)力(R1，R2，R3)的大小和方向，這是的。在實際測量中，每一測點所涉及的巖石可能從幾立方厘米到幾千立方米，這取決于采用何種測量方法。但不管是幾立方厘米還是幾千立方米，對于整個巖體而言，仍可視為一點。由于地應(yīng)力狀態(tài)的復雜性和多變性，要比較地測定某一礦區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)，就必須進行充足數(shù)量的“點”測量。在此基礎(chǔ)上，才能借助數(shù)值分析和數(shù)理統(tǒng)計、灰色建模、人工智能等方法，建立礦區(qū)的地應(yīng)力場模型。

目前，應(yīng)力解除法已形成一套標準的測量程序，具體步驟如下：

及時步：從巖體表面，一般是從地下巷道、隧道、峒室表面向巖體內(nèi)部打大孔，直至位于巖體內(nèi)的測點部位。大孔直徑為130~ 150 mm，深度為巷道、隧道或峒室跨度的2. 5倍以上，從而保障測點是在未受巖體開挖擾動的原巖應(yīng)力區(qū)。

第二步：從大孔底打同心小孔，供安裝探頭用。小孔直徑一般為36~ 38 mm，深度一般為孔徑的10倍左右，從而保障小孔中央部位處于平面應(yīng)變狀態(tài)。

第三步：用一套專用裝置將測量探頭安裝(固定或膠結(jié))到小孔中央部位；空心包體應(yīng)變計是目前國內(nèi)外采用最廣泛的應(yīng)力解除法測量儀器(探頭)。

第四步：用及時步打大孔用的薄壁鉆頭繼續(xù)延深大孔，從而使小孔周圍巖芯實現(xiàn)應(yīng)力解除。由于應(yīng)力解除引起的小孔變形或應(yīng)變由測量探頭測定并通過儀器記錄下來。根據(jù)測得的小孔變形或應(yīng)變通過有關(guān)公式即可求出小孔周圍巖體的原巖應(yīng)力狀態(tài)。

3 地下礦山采礦設(shè)計優(yōu)化

金屬礦床的形成過程、賦存狀況和開采穩(wěn)定性均受地應(yīng)力場的控制。為此，必須以地應(yīng)力為切入點進行金屬礦采礦設(shè)計優(yōu)化。

(1)采用盤區(qū)上向高分層連續(xù)回采充填采礦工藝，顯著提高了采場生產(chǎn)能力和采礦強度，減少了采準工作量，降低了生產(chǎn)成本；實現(xiàn)了各采場連續(xù)回采，大大增加了盤區(qū)內(nèi)同時回采的采場數(shù)目，大幅度提高了盤區(qū)生產(chǎn)能力，充分發(fā)揮了機械化無軌作業(yè)的優(yōu)越性；大大增加了采場安全性，顯著降低了采礦損失率和貧化率。

(2)采用數(shù)值模擬等多種方法進行了采礦設(shè)計的定量計算、分析，實現(xiàn)了采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采順序的優(yōu)化；盤區(qū)呈“品”字型布置采場進路的免壓拱開采技術(shù)獲得成功，使采場圍巖的應(yīng)力分布趨于合理，采場地壓得到有效控制。在應(yīng)力降低區(qū)的下方進行開采，肯定是有利于安全的。

(3)實現(xiàn)了采場鑿巖爆破參數(shù)的優(yōu)化，提高了爆破效率和質(zhì)量，增大了采場生產(chǎn)能力，節(jié)省了鑿巖爆破成本，同時使采場作業(yè)環(huán)境大大改善。

(4)實現(xiàn)了無軌采掘設(shè)備的優(yōu)化配置和全盤機械化，提高了無軌采掘設(shè)備的作業(yè)效率和機械化作業(yè)水平。提高了礦山生產(chǎn)能力，降低了生產(chǎn)成本。

(5)采用多種手段進行現(xiàn)場地壓實時監(jiān)測，為地壓控制和生產(chǎn)安全提供了保障。通過研究，使盤區(qū)生產(chǎn)能力增加了88%，采場勞動生產(chǎn)率提高了61. 6%，采礦總損失率下降了51%，礦石總貧化率下降了25%，黃金產(chǎn)量增加了75. 5%，采礦技術(shù)經(jīng)濟指標達到世界先進水平。

結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，以及科學技術(shù)的不斷進步，巖石力學在金屬礦山采礦工程中的應(yīng)用會更加廣泛。