基于数值试验的地矿类专业岩石力学实验教学改革

杨永康, 张百胜, 段 东, 康天合, 季春旭, 郭俊庆

(1. 太原理工大学 采矿工艺研究所, 山西 太原 030024；2. 中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 北京 100083)

岩土体是天然材料,具有非均质、非连续、非线性的特征。岩土工程类似于“中医”,需要在岩层的物理力学性质、围岩的承载结构都难以确定的情况下,确定施工方案[1]。岩石力学是地矿类专业的一门基础课程,如果能学以致用,将利于提高理解、分析、解决工程问题的能力。当前岩石力学和矿山压力相关学科教学中,由于试验与现场条件的限制,教师只能对其理论进行系统讲解。而岩石力学类课程涉及知识面广,一般苦涩难懂且需要良好的数学功底[2],只能采取“填鸭式”的经典模式。如果从地矿类专业本身的实践性出发,将引起失稳、变形、破坏的工程地质灾害与矿压规律的过程尽可能直观、动态展现出来[3],无疑有助于学生对问题的深层次理解,并提高实践操作能力,但目前这方面的教学档案资料非常少。

岩石的宏观破裂是由微细裂隙不断发展演化的[4]。唐春安教授研发的RFPA系统已经在很多岩石材料破坏中得到应用,表现出明显的优越性[5]。该数值试验方法可以模拟出岩石在变形过程中从“微破裂”到“宏观破裂”的进程,不仅可以实现“形似”，而且可以做到“神似”,可用来补充实验教学[6-7]。

我校在地矿类专业岩石力学、矿山压力与岩层控制、矿压测试技术的实际教学中,采用RFPA系统,将工程计算中的数值仿真技术融于地矿类专业实验课程的教学活动中。

1 岩石力学实验教学存在的问题

岩石力学实验教学分为现场试验和室内试验。现场试验存在成本高、周期长的问题,联系试验较困难,也很难完整观测到灾害的演化过程,而室内试验由于仪器设备少,很难保证所有学生参与,往往达不到应该完成的实验教学目标。

(1) 实验室管理体制不健全,实践教学投入不足。岩石力学实验教学体系、实验室建设、实验人员分属于不同管理部门,制约了科研与教学实验的发展。提高实验设备利用率方面没有有效措施,导致实验设备闲置,并出现实验室重复建设，但依然难满足要求,实验教学质量难取得突破。岩石力学实验课程尚未引起足够重视，实验人员普遍缺乏扎实的理论功底和岩石力学实验教学经验；岩石力学试验机价格昂贵,本科实验教学投入偏少。

(2) 学生基数大、实验教学靠讲解和演示。岩石力学实验一般每个小组人数多,且实验过程及其控制均在半封闭环境中进行,学生不可能操作试验机；岩石试件加工困难,测试实验成本高，且测试精度低,学生只能通过教师的讲解与演示来观察试验过程,难以发现并深入理解和掌握试验中的特殊点,也不能完全观察煤岩变形—破裂—失稳过程。这种教学条件不利于培养学生发现问题、分析问题和解决问题能力的培养。

(3) 验证性实验为主,启发性实验偏少。由于成岩环境与机制不同,非均质岩石力学实验结果表现出很大的离散型,而实验内容基本只限于教材中的经典实验曲线,实验项目内容设计创新性不足。验证性实验过程基本不需要独立思考,实验报告基本雷同。这种教学模式导致学生主动学习的积极性受挫,不少学生敷衍了事、蒙混过关,很难达到实验教学目的。

(4) 试验过程显示程度不够。物理试验虽然直观,但岩石变形—破裂—失稳过程中的应力、能量、破坏等重要信息无法显现,更不可能重复,导致学生难以理解,甚至觉得深不可测。

随着现代计算机性能的提高,以及RFPA软件的成熟与发展[7],已经可以将数值试验技术用于地矿类专业岩石力学实验教学中。

2 教学方法的改进与实践

2.1 总体思路

RFPA可以模拟煤岩体在加载或者卸载过程中其内部产生的微细破裂(实现“神似”),真实再现微破裂发展演化并导致最终宏观破裂的过程(表现“形似”),加强对实验中观测到的已知信息与岩石力学理论的深入理解[5]。RFPA已经有大量的“可视化”研究成果,可以直接用于岩石力学实验的辅助教学。

由于RFPA输入的岩层参数服从韦伯分布或者正态分布,因此每个学生的实验结果会有明显差异,激发了学生的学习兴趣并杜绝了学生抄袭的问题。

地矿类专业是实践性很强的专业,“教”与“学”的真正目标是提高对工程问题的认知程度,并提出可靠的工程治理思路。在岩石力学数值试验的基础上,给定实际工程条件,让学生自主分析工程问题,引导学生学以致用,加深对未知现象的探索。

在我校必修课程“岩石力学”“矿山压力与岩层控制”“露天采场边坡稳定”和“矿压测试技术”的教学过程中,尝试将该技术应用到实验辅助教学中,实现岩石力学实践教学的模式化、系统化。通过理论分析、数值试验教学,开展岩石力学与矿压显现规律开放性实验,使学生有随身携带的数值试验机,遇到工程问题能够快速分析,加强学生的研究性学习,启发学生的创新意识。

教师在岩石力学类课程中完成基本理论模型的讲解以后,布置实验任务。其他教学过程均以学生为主体。在该教学实验平台取得较好实践效果,具体思路与教学流程如图1所示。以此为平台,突出知识交叉和复合型能力结构的培养,将兴趣小组、科技创新、科学研究、学生社团、各类竞赛、学生的自主科研项目等课外实践活动,作为培养创新人才、提高学生综合素质的重要环节。

2.2 通过实验观察加深未知现象的探索式学习

前人在岩石单轴压缩、三轴压缩、拉伸、剪切、多点弯曲等基本力学试验的基础上,采用理想化的模式建立了经典的理论模型与判断准则,但面对复杂的工程问题,岩石力学依然显得无能为力,岩石力学还需要进一步完善。

在实验视频教学的基础上,详细阐述经典理论力学模型,留30 min时间介绍RFPA的计算过程,并开展数值试验,通过实验观察纠正认识偏差。将微破裂—宏观破裂的渐进破坏模型以及将与变形、破裂等有关的应力、应变、能量等信息全部动态显现出来,加深对岩石破裂过程机理的理解,如图2所示。

给学生布置数值试验作业,要求改变岩石几何尺寸、边界条件、岩性参数、分布特征等条件,开展不规则岩石破坏试验,通过试验观察未知现象,正确理解地矿类工程中的岩石力学机理,并真实反演岩石基础试验参数,如图3所示。

图1 实验教学的整体思路与教学流程

图2 岩石试样加载破坏中应力应变、声发射及渗透率变化曲线

图3 非标准试件压缩破裂过程模拟

2.3 以工程问题激发学习兴趣

岩石力学来源于工程实践,经过不断完善以后又指导工程生产,因而在岩石力学的教学中,需要注重理论与实际相结合,尤其是要建立“岩体”的概念。

针对地矿类专业特点,数值试验了采场、巷道、边坡等复杂条件下的围岩应力与破坏过程。学生可清晰观测到煤矿开采诱发巷道破坏与岩层移动过程中的弹性模型、应力场、位移场和能量场演化(如图4所示),这些都是现场和物理模拟试验过程中难以观测到的。学生甚至自己设计了更加复杂的工程问题模型,进行了更为广泛、深入的相关数值试验。

图4 煤矿开采诱发巷道破坏和岩层移动过程模拟

常规的物理模型实验很难让学生认清支护与围岩关系的本质。学生通过模拟“锚杆、锚索”等不同支护形式下支护与围岩的关系,提出锚杆组合加固顶板岩层形成类似于“梁”的结构,预应力锚索尖端易形成裂隙拱,部分结果如图5所示。受此数值试验结果启发,建立了拱—梁耦合支护结构模型[8-9]。

图5 锚杆锚索支护巷道围岩变形与破坏演化过程

以工程问题为背景的数值试验方法,激发了学生的学习兴趣,真正提高了学生对工程问题的理解与认识程度,并开始了一些探索性研究。

2.4 以科研成果提升课堂效果

教学与科研互相促进、协调发展是高校发展永恒的主题。充分利用多媒体设备,把新的科研成果或者现场工程、物理试验与数值试验结果融入传统的教学实践中,可以给岩石力学实验课程注入新的活力,有利于增强课堂活力、提高学生学习热情、扩展学生视野、激发学生创造性思维、增强学生专业信心,加强学生对工程问题的理解程度,培养学生实践动手与工程思维能力。

根据大厚度泥岩顶板支护中遇到的工程难题,开展了现场调研、室内试验与物理模拟试验,研究不同支护方式与条件下巷道围岩破坏演化过程[10]。部分物理试验结果如图6所示。由于试验中很难捕捉到裂隙的起裂、扩展、演化及锚固材料的失效过程,只能得到最终的破坏性态。采用RFPA反演以后,指导学生学习并模拟了对应的数值试验(如图7所示),提高了学生对实际问题的分析能力。

图6 不同支护方式下巷道围岩破坏演化过程的物理试验

图7 不同支护方式下巷道围岩破坏演化过程的数值试验

3 结语

将数值试验融入到地矿类专业岩石力学实验课程中。实践表明,RFPA数值试验在地矿类专业岩石力学教学中,能够提高学生的实验兴趣,提高教学质量。便携式数值试验机有利于开展探索性实验,有利于缓解实验室资源有限的矛盾,增强学生对工程问题的理解与分析能力。但是数值试验不能完全代替真实的试验,更不能取代传统的板书教学。物理试验、数值试验与理论模型需要互相补充、互相促进。

致谢:本文数值试验部分得到李连崇、梁正召、唐世斌、马天辉等教授的指导和帮助,在此表示诚挚的感谢。

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