岩石力学及矿压测试实验课程项目开发及教学应用

张晓君 李晓程 张 军

山东理工大学资源与环境工程学院 山东淄博 255049

岩石力学及矿压测试课程是根据四年制本科采矿工程专业教学计划要求、为了配合岩体力学专业基础理论课程及井巷工程、采矿学等专业核心课程而开设的为期2周的实践性教学实验，此环节以实验为主，通过实验加深学生对专业理论知识的理解，掌握具体的实验方法和实验技能，提高学生自学能力、动手能力、观察能力、数据分析能力，达到综合运用所学知识分析、解决岩体工程实际问题的目的。

本校实验室现有电脑程控的电液伺服岩石刚性试验机(YAW-2000)、电阻应变仪、点载荷仪、直剪仪、非金属声波检测仪、地压模拟试验台等，可进行单轴压缩、巴西劈裂、变角剪切、点载荷、直剪、声波测试、矿压模拟等实验，实验项目中验证性的较多，综合性实验项目相对缺乏。关于岩石力学及矿压测试方面的实验教学，很多学者开展了教学内容改革和探讨[1-5]，要更好地让学生掌握课程知识的关联性和系统性，培养学生综合分析问题和处理问题的能力，需多开展综合性实验项目。

因此本文就上述问题，开展了综合性实验项目开发研究，研制了岩石应力松弛实验系统并进行了教学应用，这对于采矿工程及相关专业的岩石力学及矿压测试实验教学是非常有意义的。

1 岩石力学及矿压测试实验课程项目开发

为了实现综合性，让学生将所学专业知识尤其是岩石力学及矿压测试方面的知识关联起来并形成系统性，借助非金属声波检测仪等，开发了声波穿透岩石实验，具体内容包括实验目的、所需设备、试件、测试原理、实验步骤和记录与计算等，其中具体实验步骤为：(1)测出岩石的试件密度；(2)利用非金属声波检测仪等测定试件纵波速度；(3)确定或测定试件横波速度，可以测定也可以通过理论公式换算。记录与计算部分需要学生根据测试结果和所学知识算出动泊松比和动弹性模量。

流变特性是岩石的重要力学特性之一，也是岩石力学及矿压测试的重要内容，其与岩石工程的长期稳定和安全密切相关。岩石流变力学理论将时间作为独立参数，着重研究岩石应力—应变随时间的变化规律。蠕变与应力松弛是岩石流变力学研究的2个重要方面。

应力松弛是指岩石在恒定形变下应力随时间衰减的现象，在地下洞室、巷道、边坡等岩体工程中普遍存在，为此开发了综合性的岩石应力松弛实验项目，研制了岩石应力松弛实验系统如图1所示，具体包括实验台支撑架、测试记录系统、加载系统和复位系统等，其中位移监测采用光栅尺进行，学生可以自行设定加载载荷大小，观察不同最大载荷下的应力松弛现象。

通过该实验让学生了解岩石应力松弛实验的意义，掌握岩石应力松弛试验系统的操作方法，得到岩石在恒定形变下应力随时间衰减的现象和数据，会分析数据做表并作应力—时间曲线图，具体学生实验用表样式见表1，曲线图样式如图2所示。

图1 岩石应力松弛实验系统

表1 作图用数据表

图2 应力随时间的关系(参考样式)

2 实验项目教学应用

根据实验项目制定了相应的实验教学标准和指导书并开展了教学应用，声波穿透岩石实验如图3所示，通过应用情况表明，开发的声波穿透岩石实验项目将声波知识与岩石完整性及岩石密度、泊松比、动泊松比和动弹性模量等联系起来，不仅强化了学生动手和分析问题的能力，还进一步深化了学生对岩石力学及矿业测试理论知识的运用，让学生将所学知识串联起来，实现了综合性和系统性。

图3 声波穿透岩石实验

实践表明，研制的岩石应力松弛实验系统用于学生实验是非常适合的，开发的岩石应力松弛实验项目使学生了解了开展流变尤其应力松弛研究的意义，掌握了应力松弛与蠕变的区别，开阔了学生视野。学生不仅得到了岩石在恒定形变下应力随时间衰减的现象，还需要记录数据并根据数据做应力—时间曲线，最终得到应力松弛规律，使学生加深了对课本所学知识的理解，达到了知识、能力和素质的综合培养与提高。

3 结语

针对岩石力学及矿压测试课程综合性实验项目缺乏的问题，开发了声波穿透岩石实验项目和岩石应力松弛实验项目并进行了教学应用。结果表明，开发的实验项目可使学生掌握声波测试的基本方法和原理，会测定岩石中弹性波的传播速度，能得出岩石的动弹性模量和泊松比；使学生了解岩石应力松弛实验的意义，掌握岩石应力松弛试验系统的操作方法，能得到岩石在恒定形变下应力随时间衰减的现象和数据并能作图；使学生牢固掌握本课程及相关课程知识的关联性和系统性，培养学生综合分析问题和处理问题的能力，达到知识、能力和素质的综合培养与提高。