岩石力学数值实验教学模式的改革与探索

潘超 左宇军 江泽标 孙文吉斌 李桐 李雪峰 严林

摘  要：正确处理科研与教学关系是高校教师的重要工作。对于工科专业，利用工程现场形成经典教学案例，可提高学生能动性和创造性，培养其解决现场问题的能力，加深其对工程问题和科学问题的思考。该文基于高校教学、科研一体化的模式，提出针对矿业类专业学生岩石力学数值实验课程的案例教学改革对策，指出经典工程现场案例教学和探讨式教学是岩石力学数值实验课程教学改革需要重点关注的。煤层水力压裂、开采扰动下工作面覆岩结构及矿压显现规律、露天矿高陡边坡稳定性等复杂工程问题可作为经典案例选取的对象。

关键词：岩石力学数值实验；教学改革；教学方法；数值模拟；探讨式教学

中图分类号：G642        文献标志码：A            文章编号：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

巖石力学数值实验是一门针对矿业类学生的专业选修课程[1-3]。其主要介绍了如何利用数字建模技术及数值方法来研究岩石的拉、压、剪及岩层移动等基本破坏过程及矿山工程方面相关力学问题，本课程可以达到更好地了解岩石破坏过程和岩石力学性质，加深岩石力学理论知识，增强岩石力学实验教学方法的目的。同时，通过数值模拟方法不仅能再现已知现象，而且对由于时间、成本和难度等原因，很难通过现场或物理试验反映未知现象。岩石力学数值试验可以很好地模拟未知的工程现象，研究结果可以深化对未知现象的探索。

一  目前课程实验教学内容

该课程的实验课为36个学时，学时分配情况见表1。由表1可知，目前该实验课分为演示型和研究型两种模式，课程主要侧重于两个方面：一是RFPA2D软件的原理及操作学习，如菜单、工具栏、功能及流程操作，掌握RFPA2D基本版的基本操作；二是岩石力学性能的测试实验学习，如标准加载、特殊载荷加载、边界载荷加载和任意载荷加载，进而进行力学参数及岩石抗拉强度测试。

岩石力学数值实验教学方法采用在2～3学时内由教师讲解后学生完成一个实验项目。学生主要通过围观老师操作进行学习，该过程的学习缺乏能动性更谈不上创新性。缺乏在如岩石力学、矿床开拓、矿床露天采矿、爆破工程及相似模拟等课程中引导学生进行数值模拟实验。目前岩石力学数值实验实验课未涉及煤层开采扰动下工作面覆岩结构及矿压显现规律、水力压裂、露天矿高陡边坡稳定性的教学。

二  实验教学改革必要性分析

岩石力学数值实验是矿业类专业的一门岩石力学应用课程[4-5]。随着开采向深部推进，岩层构造变得复杂，众多基本参数发生变化，如：地应力、弹性模量和抗压强度。此时，岩石力学面临以下紧迫问题：①深部高应力下页岩或煤层脆性与可压性评价；②动力扰动、不同地质状况及高地应力条件下的巷道围岩稳定性；③高应力水化条件下裂缝网络的长效支撑；④深部岩层多组分微观结构的力学作用机理，等等问题。适合浅部工程的力学系统已不再适用于深部工程围岩，同时大部分传统理论、方法与技术已经也不再适用。现有研究主要集中在深部环境中高温、高压对岩石物性结构的影响，而关于深部开采过程中岩体力学性质的研究甚少。深部开采过程中的岩石力学特性已成为安全高效开采煤炭资源必须考虑的重要方面[5-6]，为煤矿井下开采过程中的水力压裂、瓦斯抽采、井巷支护、煤与瓦斯突出防治等工程技术确定及复杂地质条件下煤矿开采方案的编制提供重要依据。对矿业工程专业学生来说，数值模拟试验是在学习岩石力学、矿床开拓、井巷工程、爆破工程及工程力学等专业课程前必须掌握的基本技能[7-9]。

岩石力学数值实验是一门专业基础应用课程，课程内容与岩石力学紧密结合。讲授内容与岩石力学数值模拟的概念、理论、方法和原理相关，依托矿井冲击地压防治技术、井巷支护技术及煤与瓦斯突出防治技术等典型应用，系统介绍岩石力学数值模拟试验的相关内容在矿业工程中的应用。通过岩石力学数值实验课程教学，学生可学会将理论分析与数值模拟相结合的方法，同时培养其应用数值试验方法解决实际工程问题的能力。该课程可达到以下目标：学生能系统掌握数值实验所涉及的基本概念、理论和方法，提高其专业理论知识和能力；掌握RFPA2D等数值模拟软件的基本原理，了解岩石破裂过程的基本规律；掌握RFPA2D、FLAC3D等数值模拟软件的基本操作，增强对岩石力学数值实验基本原理的了解；把矿业工程的现场问题与数值模拟分析联系起来，加深对实验原理的理解。

三  实验教学改革方案

岩石力学数值实验课程教学改革可从工程现场经典案例和探讨式教学着手。根据研究过程中面对的实际工程问题选取岩石力学数值模拟课程经典案例，选取依据可根据以下方面。

（一）  经典案例

1  水力压裂煤层或岩层

水力压裂技术虽在油气开发中得到了广泛使用，其效果也得到认可，但在复杂地质条件下的煤岩层中应用较少。煤岩体不连续面之间的贯通而形成的宏观裂隙面是裂隙场形成主要原因。水力压裂是一个典型的矿业工程岩石力学问题，煤层中高压水水压大于地应力时，煤层被压开形成大范围裂隙，透气性系数相应增大。

通过岩石力学数值试验模拟水力压裂工程案例（图1），可以加强学生对水力压裂、抗压强度、破坏准则和开采扰动等基本概念的掌握程度，同时加深对典型工程概念的理解。

2  煤矿采场覆岩结构及矿压显现规律

采场覆岩结构形态及其稳定性受矿压影响，特厚煤层每采一次就可释放出较大的采出空间，导致覆岩垮落范围较广，容易出现结构破断及采场矿压显现问题。确定上覆岩层破断失稳与矿压显现之间的关系，对揭示诱发矿压产生机制具有实际意义。数值模拟试验可对采动过程中的塑性区、能量释放规律及覆岩应力场进行研究，能够揭示岩层破断运动与强矿压显现的对应关系，同时研究结果可描述煤层开采后围岩的损伤、破裂全过程及特厚煤层综放开采大空间采场覆岩物理场时空演化规律；利用数值模拟对不同主控岩层抗压强度、层位、厚度及采高下覆岩位移场、垂直应力场、工作面超前支承应力及岩层能量释放演化规律作了分析，以研究主控岩层赋存状态与大空间采场矿压显现时空关系，具体如图2所示。

通过学习特厚煤层坚硬顶板覆岩结构及矿压显现规律工程案例，可提高学生对特厚煤层、矿压显现、坚硬顶板和覆岩结构等概念的掌握程度，增强其对初次来压步距、周期来压步距、支护应力等工程概念的理解。

3  露天矿高陡边坡稳定性

露天矿进入深部开采时，解决边坡安全问题其是实现矿山安全开采的当务之急。深入研究矿山高大岩质边坡失稳机制，对发展边坡治理技术、防范边坡地质灾害发生，保障矿山安全生产具有重要的理论与实际意义。利用RFPA边坡岩体应力场、损伤场数值分析方法，依托露天矿典型硬岩高陡边坡实例，揭示岩体内部应力集聚，诱发岩石破裂的演化规律与微震活动前兆之间的内在关系；探寻岩体“空间”损伤劣化过程中微震活动、强度减弱与边坡动态失稳过程之间的关系，具体如图3所示。

通过上述分析可知，通过数值模拟实验的方式再现水力压裂煤层或岩层过程、特厚煤层坚硬顶板覆岩结构及矿压显现规律、露天矿高陡边坡失稳破坏规律能够加深学生对岩石力学知识点的掌握，而目前该课程没有相关的实验课。本文通过设计相关数值实验方案，使学生深入地掌握了相应的岩石力学知识点。

4  动力扰动下断层活化诱发煤与瓦斯突出

采用大型数值模拟试验，研究工作面分别由断层上盘和断层下盘向断层推进时，工作面开采对断层面三维应力分布状态、断层活化量、瓦斯压力、断层和煤体破裂演化过程中声发射及工作面瓦斯涌出量的影响，模拟不同的载荷、瓦斯压力和断层及不同诱导方式条件下的煤与瓦斯突出，从而反映出动力扰动对断层稳定性、瓦斯运移及突出的作用机制。研究工作面经过断层时断层影响带内瓦斯运移及煤与瓦斯突出渗流-应力-损伤规律，揭示动力扰动下断层活化诱导煤与瓦斯突出的细观损伤机理。揭示煤与瓦斯突出影响因素（断层和煤体、动静应力和瓦斯压力）的耦合关系，确定突出发生的条件，并基于突变理论建立动力扰动下断层活化煤与瓦斯突出危险性的判据，进一步为动力扰动下含断层地质体的煤与瓦斯突出研究提供理论基础，为有效预测和防治煤与瓦斯突出提供依据。

（二）  采用探讨式教学模式

通过与学生交流和讨论工程案例的过程，探索式教学模式增强了师生之间的互动，提高了学生对课程的兴趣。通过学习相应的理论知识、解决手段可为今后工作解决实际问题提供支持。目前岩石力学数值实验课程虽然覆盖面广，涉及的理论知识丰富，但同时面临课时少与教学内容多的矛盾；课堂中使用的教学课件不够新颖、教学模式较为单调，使学生缺乏生动学习的兴趣等问题。

通过分析典型工程案例可以让学生更加直观地掌握专业知识，使用岩石力学数值試验对未知现象及已知现象进行再现，反映了岩石力学的基本原理，增强了学生对专业知识的了解，为就业提供基础。通过探讨式教学方式，在课程实践中对工程案例进行剖析，最终完善案例的设计和实施方案。具体如下。

一是优化完善实践教学实施方案，综合考虑结合岩石力学工程设计到的工程现场实践，编写新的教学大纲和实验指导书，实验类型对增加可锻炼学生创造力和积极性的设计性及创新实验。完善技能考核体系，达到培养出高综合素质和高专业技能素养学生的目的。

二是通过工程现场为背景的岩石力学数值模拟实验，设置不同实验条件，增加学生的动手机会，在加强学生对基本实验方法和技能的认识的同时可以培养其对专业的兴趣，最终达到提高综合分析问题、解决问题和推陈出新的能力的目的。

四  结束语

本文对目前岩石力学数值实验课程教学过程中存在的问题，提出了实验教学改革方案。从经典案例和探讨式教学两方面着手，提出了案例教学改革的具体实施步骤及优点。该方案可提高矿业类学生学习的能动性和创新性，培养其提高综合分析问题、解决实际问题和推陈出新的能力。教改结果可为其他课程教学提供借鉴。

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