矿山压力学科中的美学思维探索

王 斌，赵伏军，彭文斌，陈 玲

(湖南科技大学a.能源与安全工程学院;b.煤矿安全开采技术湖南省重点实验室;c.湖南科技大学 教育学院，湖南 湘潭411201)

“19世纪修大桥，20世纪建高楼，21世纪开发地下交通资源。”采矿工程是一项巨大的地下岩石力学工程，作为采矿工程灵魂的矿山压力学科是以矿山岩石力学为基础、与矿山开采和采矿工艺等实践密切相关的采矿工程基础学科，其对于采矿工程专业的重要性毋庸质疑。21世纪的矿山压力研究与实践将拥有更广阔的舞台，为造福人类发挥更重要的作用。矿山压力的研究内容几乎涵盖采矿工程所遇到的所有技术领域［1］，因而被视为理论深奥、内容繁杂的学科，同时初学矿压的学生对实际矿山的生产环节、生产工艺等了解不深，使得初学者学习倍感吃力，严重影响学习兴趣，矿山压力教学往往陷入教者难教、学者难学的尴尬局面。如何提高矿压学科的学习兴趣以让学生真正掌握矿压学科的理论和实践应用技术是矿业高等学校的重要课题。

人的本性是追求真、善、美，这里的美，包含了艺术的美与科学的美。科学美就是在科学领域里呈现出的美，它包括科学研究的对象美、试验美和科学研究的结论美、表述美，并以后者为核心［2］。自然界五彩缤纷，看似纷繁复杂，但实质上和谐统一有章可寻，外在的复杂性和内在的单一性，构成了自然界的基本特征，科学美就是力图把握自然的统一与和谐。科学的最高境界便是“真”与“美”的统一。一门学科如果不美，则枯燥无味，将很难激起人们的学习兴趣。基于此，应转变对矿山压力学科认识的传统观念，挖掘矿山压力学科中“美”的存在，触发学生的学习热情，启迪学生思维，通过美学思维使学生能在理解、巩固、运用矿压知识的同时，在思维品质和思维能力方面得到培养和发展。本文拟就矿压学科中的美学思维作些探究。

一 人文美－矿压学者的人格魅力

人文美是将崇尚人性、提倡人文的理念与审美意识相结合的概念，形成了一种尊重人、理解人、歌颂人的审美文化，能给欣赏者心灵的满足感和精神上的愉悦感。科学技术中的人文美，反映的不仅仅是科学成果在形式和功能等方面给人感官上的美的体验，更重要的是该项科学成果被发现并应用实施等过程中体现的科学研究人员的美德和高尚人格素养［3］。矿山压力学科是技术科学，同时又具有独特的人文特色，对矿压发展史上的科学家进行讲解分析，可以培养学生良好的道德素质和求知欲。我国是世界上采矿最早的国家之一。明代科学家宋应星编写的《天工开物》(初刊于1639年)己具体记述了立井开采及在井下进行支护与充填的情况，“凡取煤经历久者，从土面能辨有无之色，然后掘挖，深至五丈许，方始得煤。初见煤端时，毒气灼人，有将巨竹凿去中节，尖锐其末，插入炭中，其毒烟从竹中透上，人从其下施攫拾取者。或一井而下，炭纵横广有，则随其左右阔取。其上枝板，以防压崩耳”。这证明我国在采矿事业发展初期，人们就己认识到矿压的危害和需要加以控制。宋应星以“天工开物”命名他的书，实际上也以此展示他的一种具有普遍意义的科学思想，强调天工(自然力)与人工互补、自然界的行为与人类活动相协调，通过技术从自然资源中开发物产，以满足人的物质与精神生活的需要，从而使人在自然界面前显示并发挥其主观能动性［4］。宋应星在叙述各生产过程的同时，还发展了“穷究试验”的研究方法，他对各种迷信神怪、荒诞旧说都有所批判，如对炼丹术的批判更为激烈，从而在科学技术领域内注入一种新的科学精神。这是《天工开物》一书的最大特色，使人们感到耳目一新。

钱鸣高院士是我国矿山压力及其控制学科的主要奠基者和开拓者之一，提出的采场上覆岩层的“砌体梁平衡假说”以及老顶破断规律及其在破断时在岩体中引起的扰动理论在国内外产生很大影响，创立的“砌体梁”力学模型被收录于《中国大百科全书.矿冶卷》有关条目。江南鱼米之乡养育了钱鸣高院士，在以轻工业为主的无锡长大，却在1950年响应国家号召，远去东北选择最艰苦的地下开采作为自己的专业，从此便把一生奉献给了我国的煤炭事业。1958年到1964年这段的时间里，钱鸣高院士在阜新、开滦、阳泉、大同等矿区第一线搞技术革命，置身于工人、工程技术人员中间，学到了他们理论联系实际、踏踏实实的工作作风及解决实际问题的能力，同时也丰富了对矿山压力控制的很多感性认识。1982年，被称为"钱氏理论"、"鸣高模型"的砌体梁理论提出，标志中国的矿压研究推进到国际先进水平。年近花甲之年的钱院士，仍坚持长期下现场调查研究，一次，与他的学生在阳泉下井，由于过度的劳累，昏倒在铁轨上，至今他的脸部仍然留下当时受伤的疤痕，所有这些困难并没有使他气馁。20世纪90年代相继提出“关键层”理论和“绿色开采”的理念，2006年提出“科学采矿”，开创了系统的煤炭环保开采之路。钱鸣高院士在科学探索道路上执着追求，在人才培养道路上辛勤耕耘，创造了矿山压力与控制领域的数个第一，书写了我国煤炭采矿科技的辉煌篇章。钱院士曾语重心长地说:“我们的科研人员搞科研，一定要勤奋，有严谨的学风，胸怀大志，耐得住寂寞，兢兢业业做事，切忌浮躁”。［5］

宋振骐院士是我国煤矿采场传递岩梁矿压理论的创立者，实用矿压理论的开拓者和奠基人，是我国采矿工程界第一位院士，也是至今为止采矿界唯一一位科学院院士。宋振骐院士针对煤矿采场不断推进的工程特点，通过广泛实践，例如曾对开滦范各庄矿长达4年的观测取得的10 万个岩层运动数据进行分析，提出了“两个应力场”的理论，该理论为在生产现场通过观测支承压力显现发展变化规律、预测预报采场顶板运动提供了依据。为了获得第一手数据，他常常深入到井下总结探索各种教训，分析研究了数百起重大顶板垮塌事故，整理分析了数以百万计的观察数据，有些数据就是冒着生命危险取得的。70年代末，我国矿压仪器可以说是一片空白，有钱却无处买仪器;“没有就自己造!”宋振骐怀着“动员工农千百万，同心干!”的壮志豪情，动员了一大批物理、机电、计算机专业的老师和研究生，组成联合课题组，日夜奋战，先后研制了KY －82型岩层动态仪、DCC －1 型遥测仪等矿压监测设备。80年代中期，宋振骐领导的仪器工厂生产了全国近75%的矿压仪器。宋振骐院士50 多年来坚持教学、科研和生产实践相结合，把中国采场矿山压力研究从定性推向定量，即从主要依靠统计经验决策推进到针对具体煤层条件定量控制，创造性提出的井下岩层动态观测研究方法、顶板动态仪等监测手段以及顶板预测预报和顶板控制设计等计算机系统软件。回首已是千山路，宋振骐献身光和热的事业痴心不改、终生不悔，他说:“干煤矿苦是苦，但我是以苦为乐，以苦为甜。苦在其中，甜也在其中。煤炭是乌金，是中国的主要能源。煤炭工业是有前途的”。［6］

二 哲理美－矿压理论的思辨性

哲学被认为是科学研究之母，在科学各个领域都发挥着世界观和方法论的作用。综观矿山压力学科的发展历程和研究内容，无不闪烁着科学哲理之美，科学的哲理性体现在矿山压力理论的方方面面。

(一)“不识庐山真面目”的矿压假说

由于采矿工程涉及到岩层内的原岩应力场以及岩体性质的复杂性，因而从一开始人们就对采场的矿山压力现象提出了各种不同的科学概括(假说)，德国学者哈克(W.Hack)和吉里策尔(G.Gillitzer)提出压力拱假说，德国学者施托克(K.Stoke)提出悬臂梁假说，前苏联学者库兹涅佐夫提出铰接岩块假说，比利时学者久拉巴斯提出预成裂隙假说，我国学者钱鸣高提出砌体梁假说及在此基础上发展的关键层理论。这些有关采场上覆岩层活动规律的假说，在不同时期由不同国籍的学者以不同的理论依据相继提出，从中可以得出的哲理是，“横看成岭侧成峰，远近高低各不同”，人们对客观事物的认识，总要受主观条件和客观条件制约。?因此，在认识自然规律的过程中，对于同一研究对象，常有多种解释或假说共存，都有其优势和局限性，不可避免地形成相互竞争或对峙的局面，但对同一问题的认识深化过程，又会出现也就是多种解释逐个更替融合的过程。一个现象的说明和解释有时是需要多个学科的定律拼凑在一起来共同说明的［7］，目前岩层控制的核心理论“关键层理论”是在总结铰接岩块假说、预成裂隙假说和砌体梁理论的成果，并建立在大量现场观测的基础上提出的。

(二)“过犹不及”的支架工作阻力

为限制采场顶板下沉量过大、防止有害松动，支架要对顶板提供支撑力，受顶板压力作用而支架上产生的载荷(反抗力)称为支架工作阻力，支架所能承受的最大载荷称为支架额定工作阻力。工作阻力是支架设计的一个重要参数，是否工作阻力越大越好，也就是采场支架的能承受的载荷越大，采场顶板下沉量越小呢?现场观测结果表明，支架工作阻力与顶板下沉量总体成反比关系，在某一支架工作阻力以上，工作阻力增加，顶板下沉量减小甚微，在某一工作阻力以下，工作阻力降低，顶板下沉量则急剧增加。从中可以看出哲学上所讲的“度”在其中的体现，质量互变规律认为，度是质和量的统一，一方面要坚持适度原则，不随便破坏“度”，另一方面又不要把“度”凝固化，从而阻碍事物向前发展。中国古代的孔子讲究“过犹不及”的“中庸之道”，认为事情做得过头，就跟做得不够一样，都是不合适的。支架工作阻力不足，不可避免的会造成采场顶板垮塌事故，而支架工作阻力过大，并不能更好地改善采场顶板状况，相反地造成支护成本过大，反而得不偿失。

(三)“坚车能载重渡河不如舟”与液压支架选型

液压支架是用来控制采场矿山压力的结构物，由支柱、底座与顶梁联合为一个整体结构，能可靠而有效地支撑和控制工作面的顶板，隔离采空区，防止矸石进入回采工作面和推进输送机。液压支架的形式与种类很多，按架型结构与围岩关系可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式3类。这3 类支架各有各的适用条件，支撑式液压支架支撑力大，反复支撑次数多，不能承受水平推力，故适宜坚硬有来压顶板，不适宜破碎顶板;而掩护式式液压支架通风断面小、支架空间小结构、可承受一定水平推力，故适宜破碎顶板或再生顶板情况。从中可以得出的哲理是，“坚车能载重，渡河不如舟”，要善于认识自己，客观、公正、正确的认识和评价自己，既要看到自己的长处，又要看到自身的缺点和不足;要善于发现自己的长处和优势，做到扬长避短，用人之道也是一样的，用人之长，避人之短。支撑式液压支架如果用在破碎顶板，由于支架反复支撑，导致直接顶更易破碎，采空区矸石常窜入工作面，支护效果还不如单体支架。

三 矛盾美－矿压理论的发展动力源

生话中有许多矛盾现象，但也是美的。茫茫林海，万木参差差，杂草丛生，藤蔓错综，可谓矛盾重重，但正是这芜蔓杂乱的矛盾，造成了大森林幽深雄浑的气势，给人以震撼人心的美感。和谐的美，能使人赏心悦目，但在特定的条件下，矛盾冲突的美，则更能勾心摄魂。同时，矛盾冲突也能构成统一和谐，而且是本质上的和谐。古希腊哲人赫拉克得特说:“相排斥的东西结合在一起，不同的音调造成最美的和谐。”［8］矿山压力学科的矛盾美体现在哪里呢?砌体梁理论，跨上采回采，沿空巷道，开槽卸压护巷技术，细究这些矿压理论与矿压控制技术，无不富有矛盾美的绚丽色彩。下面以钻孔卸压进行巷道维护为例来说明矿山压力学科的矛盾美。

长期以来，煤矿中进行巷道维护的主要手段是对巷道进行支护和对围岩进行加固，如采用打锚杆、架金属棚、喷射混凝土等，但在某些困难条件下，即使对巷道进行加强支护和加固围岩，巷道维护仍然很困难，变形依然严重。矿压学者提出在巷道围岩体的适当部位主动开凿一定尺寸的深槽，这相当于破坏了原有围岩的完好性，这不是雪上加霜吗?开槽使巷道原有部分围岩进一步破坏，但巷道更易于维护，这不是自相矛盾吗?事物矛盾的法则，即对立统一的法则，正如事物的矛盾法则中“动”和“静”、“好”和“坏”等总是相对的，它们常借助各自的矛盾的一面来显示和肯定自己的存在，相反相成。

图1 切槽对圆形巷道切向应力的影响

巷道周边围岩开槽卸压的力学原理，是使原来作用于周边围岩的高应力向卸压区以外的岩体深部转移，是以巷道周边岩体的完整结构被破坏为代价的，图1表明有切槽巷道周边围岩切向应力比无切槽时显著降低。开槽卸压的实践把“坏”和“好”这2 种相矛盾、相对立的现象统一起来，使开槽的“坏”和“好”从矛盾走向和谐美。

四 结 语

科学美客观地存在于人类创造的科学发现和发明之中，它是人类在探索、发现自然规律过程中所创造的成果显现。任意打开一页现代科学的发展史，我们都能感受到科学美的存在，爱因斯坦的相对论，普朗克的量子论和欧几里德的几何学都被人们称为“科学的艺术品”。［2］如同艺术，科学也用美改善生活的基调与品质，都用美增强人的心智，陶冶人的情操，提升人的道德与精神，使人得到全面的改善。应该看到，面对“科学的艺术品”，有的人会产生一种强烈的美感，而有的人却浑然不知。美是一种感受，是我们对这个世界的所有美好感受，美就在我们身边，不是在于缺少而在于缺少感受。只要用心，有热情，我们会发现原似枯燥无味的矿山压力学科充满着无限的美与魅力，它的美将赋予教者以活力，赋予学者以动力。马克思曾指出:“人类是按美的规律去改造世界的。”在教学中向学生宣扬传播矿山压力学科中的“美”，培养学生的美学思维，让学生带着快乐的体验和美的情感去学习矿压，让学生对矿山压力学科的理解在科学审美思维中得到飞跃和升华。

［1］钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M］.北京:中国矿业大学出版社，2010.

［2］王韵韵.论科学中的美及美感［J］.中州大学学报，2004，21(4):33 －35.

［3］张 哲.论技术的人文美追求［D］.武汉:武汉理工大学，2006.

［4］石丽华，罗见今.论《天工开物》中的生态技术思想及其现实意义［J］.内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版)，2004，36(4):514 －518.

［5］钱鸣高.矢志煤海六十载 呕心科教心不歇［EB/OL］.http://news.bjx.com.cn/html/20121121/403058.shtml＇2012 －11 －21.

［6］宋振骐.实用矿压理论学派带头人［EB/OL］.http://www.qingdaonews.com/content/2006 － 08/24/content_7512074.htm’2006 －08 －24.

［7］卡特赖特.斑杂的世界:科学的边界研究［M］.王 巍，王 娜译.上海:上海科技教育出版社，2006.

［8］陈世明.矛盾美－道永远的诗学景观(一)［J］.湖北第二师范学院学报，2008，25(4):1 －4.