《矿山工程力学》案例教学探索

摘要： 大型工程为《矿山工程力学》教学提供了大量实践素材，实践-理论-再实践是工科专业最基本的研究方法，教学中需要重视学生工程实践能力的培养，本文以“卡兰尤卡尔”为例探讨大型工程中的力学问题。传统授课未充分认识实践对力学理论建立的重要性。在学习中，学生未注意理论问题与实际问题的差别和他们之间内在的联系，造成学生运用力学理论解决工程实际问题的实践能力差。本文阐述了引入大型工程实例的《矿山工程力学》教学方法，即教学内容体系系统化、强化工程概念、重视教学方法改革，上述教学改革探索具有可行性，取得了较好的教学效果。

Abstract： Large engineering provides a large number of practical materials for Mine Engineering Mechanics. Practice-theory-repractice is the basic research method for engineering specialties. It is important to cultivate students' engineering practice ability in teaching. This paper takes "Karan Jo Karl" as an example to explore the mechanical problems in large-scale projects. Traditional teaching doesnt fully realize the importance of practice for establishing mechanics theory. In the study， students dont pay attention to the differences between theoretical problems and practical problems and their internal relations， which makes the practical ability of students to solve practical engineering problems by using mechanics theory is poor. This paper expounds the teaching method of Mine Engineering Mechanics which is introduced into large engineering examples. The teaching methods include systematization of teaching content system， strengthen of engineering concept， importance of teaching method reform. The above teaching reform exploration is feasible， and achieves good teaching effect.

關键词： 教学改革；工科专业；教学方法；矿山工程力学

Key words： teaching reform；engineering specialty；teaching method；Mine Engineering Mechanics

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）04-0141-03

0 引言

中国矿业大学（北京）《矿山工程力学》课程依托“煤炭资源与安全开采”、“深部岩土力学与地下工程”两个国家重点实验室和“工程力学”国家重点学科良好的科研环境，让学生认识到矿山工程力学突出基础、兼顾矿业学科特色的特点。提高学生对矿山工程力学的学习兴趣与效率，使学生了解矿业背景的工程力学知识及工程科学发展史，激发学生的专业自豪感。通过介绍矿山工程力学在大型工程的应用，展现矿山工程力学专业教学内容在地下安全开采工程、结构支护工程、岩土边坡的稳定工程领域的应用前景，引导学生理解矿山工程力学的特点、研究方法，取得了较好的教学效果。

《矿山工程力学》课程分五个专题开展课程教学，内容涉及①矿山工程力学概论；②典型大坝、隧道工程案例；③深部开采面临的难题、巷道支护案例；④超级破碎机的力学机理及在选矿工程中的应用；⑤超级钻探平台的力学机理及在石油天然气钻探工程中的应用；⑥综放长臂法采煤涉及的力学问题，井巷工程，硐室工程及其支护。要求学生通过本课程的学习，树立正确的专业意识，激发强烈的求知欲和浓厚的学习兴趣，并对矿山工程力学有全面和系统的了解。本文以冰岛“卡兰尤卡尔”水力发电站工程为例，分析其大坝、引水隧道结构，阐述其涉及的典型矿山工程力学问题。

1 “卡兰尤卡尔”工程概述

利用冰岛巨大的冰源河开发水电的设想已经有50多年，并且早在30多年前，就首次提出了在冰岛引进高耗电型产业的建议。现在，卡兰尤卡尔工程即将使这些设想变为现实。“卡兰尤卡尔”水力发电站是欧洲一个大型水电工程，预计投资约14亿美元，位于冰岛东部的一个偏远地区。工程主要包括一座大坝和长约73km的隧洞，并修建被认为是世界上最深的钢板衬砌竖井和地下厂房，厂房内安装6台115MW混流式水轮机。

该工程最初的计划是两个独立的开发方案，分别利用弗廖茨达尔冰源河和达尔冰源河。这两条河皆发源于瓦特纳冰原，流经约屈尔和弗廖茨河谷，在海岸形成常见的河口湾。如果实施这些计划，则要建两座独立的电站，一座位于东部的埃亚巴卡尔湿地，另一座位于西部的豪尔斯地区。而目前在建的工程只需要建一座电站，同时将两条河流连接起来[1-2]。地底发电厂建在水坝东北方25英里处一座小山的内部，水坝蓄水后将水通过隧道引至山顶，然后顺着发电厂的设计，沿着压力管急转直下，到达山底发电厂机组时将机械能转为电能。

2 “卡兰尤卡尔”水力发电计划

2.1 大坝

为了发电，在弗雷姆里卡兰尤卡尔山附近建3座坝拦蓄达尔冰河的水。其中最大的一座是卡兰尤卡尔大坝，位于哈夫拉瓦马峡谷最南端，坝高193m，坝顶长约730m。大坝为混凝土面板堆石坝，建成后将是欧洲同类坝中最高的，也是世界高坝之一。建造所用堆石是从库区紧挨坝的上游开采的，石料用卡车运送到工地填筑。另外，还将安装皮带输送机为大坝输送经破碎和筛分的石料。

该工程将修建2座副坝，分别位于东面和西面，2座坝均为粘土心墙堆石坝。水库蓄水面积57km2，满库容时，水位将达到海拔625m，水库库岸将延伸至布鲁阿冰川的边缘。

2.2 水库

这3座坝将形成豪尔斯隆水库。正常蓄水位为625m。据估计，在大多数年份，水库都将在夏末蓄满。当水量过剩时，多余的水将通过卡兰尤卡尔坝的溢洪道陡槽泄放至哈夫拉瓦马峡谷的边缘，再经90m高的瀑布泄至谷底。

弗廖茨达尔冰源河在埃亚巴卡尔湿地北侧的埃亚巴卡福斯瀑布下游2km处被筑坝拦断，在该冰河东侧的3条支流上也建了坝，形成名为乌萨尔隆的水库。

2.3 隧洞

引水隧洞全长53km，埋深100～200m。豪尔斯隆水库的水经隧洞穿过弗廖茨达尔沼泽后，与经隧洞来自乌萨尔隆水库的水汇合，再经一条东北走向的混合引水隧洞流入进水口。2个钢衬压力竖井从进水口处引水至地下电站。每个竖井深420m，此处工程总水头599m。水流通过电站后，由一条尾水隧洞和尾水渠将水输送至海拔26m的弗廖茨达尔冰河。

3 “卡兰尤卡尔”工程涉及的问题

如何在极度倾斜的坡面上铺设大量混凝土成为第一个工程难题。如图1所示，利用反重力混凝土机器，又称为“大巨人”，机器宽度近50英尺，由坝顶固定的绞车以时速六英尺的稳定速度将其拉上墙面，工人可在混凝土机上进行混凝土修平作业。机器一旦启动就不能停止，以免混凝土铺设不均匀导致坝体出现裂缝。

在修建引水隧道时，需要挖掘的岩石是玄武岩，硬度极高。需要使用外号“啃食者”的大型盾构机（如图2），盾构机重达620吨，全长122m，前端切削转盘直径约8m，覆盖硬化钢制成的削刀，转盘后方是推动列车，液压支柱和侧面握爪能避免机器整体旋转。

如图3所示，三部钻掘机的小组从不同的起点在同一条隧道中工作，但因为在地底，无法卫星定位，所以很难保证三部机器能完美打通一条隧道。测量员利用高端装备以及复杂的计算，全程跟踪和修正掘进的方向。方法是确认至少一点的位置，利用激光判定角度和距离，测定任一新点的确切位置，让钻掘机在水平面和垂直面都正确前进。

最后在地下发电站部分，采用外号“大个”的钻探机（如图4）在山腹中挖出12000万立方英尺的岩石，在地下600英尺进行爆破作业，必须保证爆破的精准。

4 由工程问题到力学问题

在反重力混凝土机器中，主要涉及的力学问题包括：绞车对反重力混凝土机器的“牵引力”，反重力混凝土机器在大坝坡面上的摩擦力等等。坝顶固定的绞车以时速六英尺的稳定速度将反重力混凝土机器拉上墙面，可以得出反重力混凝土机器在坡面上是处于受力平衡的状态，绞车对反重力混凝土机器的“牵引力”也就可以利用力学知识求出数值；在大型盾构机中，主要包括削刀与玄武岩之间的摩擦力，后方的推动列车对切削转盘向前的力保证了削刀与岩石之间一直存在摩擦力只有削刀硬度足够，才可以依靠它们之间的摩擦力来切割岩石，进而开挖隧道；在进行爆破作业时，必须考虑地应力的因素，地下结构极其复杂，要想安全有效地在山腹中挖出12000万立方英尺的岩石，必须在力学的基础上通过计算机模拟地下场景。由此可见，任何大型工程的实施，都离不开力学的理论支持。

5 “卡兰尤卡尔”工程小结

每一项伟大的工程都离不开人们的奇思妙想，都离不开克服重重的困难。工程施工的整个过程中，需要多个专业的知识融合，比如这个工程中，地质学家进行地质勘测工作；测量员的记录水位与掘进机钻掘过程中引水隧道的方位，以便成功实现对接；岩土工程师确定大坝混凝土的合理浇筑工序以及确定隧道爆破孔眼布设；同时，在水坝修建之后，那一个区域的生态改变对生物的影响，这就需要生态学家的工作。因此，一个伟大的工程需要多个学科的科技人员共同努力，各司所长，才能克服遇到的重重困难，创造工程的奇迹。

6 认识小结

随着经济建设和科学技术的飞速发展，培养适合我国社会发展所需要的高质量的科技人才已成为高等教育研究的一项重要课题。在高等学校各学科的教学过程中，除了要教给学生必要的基础理论和基本知识外，还应更加重视对学生能力的培养[3-4]。《矿山工程力学》教学过程中注重理论和工程实际紧密结合，课堂上笔者尽可能地介绍理论在实际工程中的应用情况，丰富理论的内涵，突出力学理论的应用价值。当今社会，知识发展日新月异，新知识、新技术层出不穷，大型工程实例为课程教学提供了素材，同时综合案例分析为锻炼和培养青年学生的综合技能是非常重要和必要的[5-8]。在课堂教学中采用实例教学，利用视频、挂图、力学模型等多种媒体增加学生的感知能力，加深对基本理论的理解和掌握[9-10]。在课堂讲授通常以工程实例引入，容易激发学生的学习兴趣。对具体定理、推论的数学推导过程注重讲思路、讲方法、讲要点。采用课题提问，读书报告，大作业等方法，加强学生理解知识，应用知识，特别是综合性、创造性地应用知识能力的培养。

参考文献：

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