采礦與力學(xué)相融合的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)與實(shí)踐

邢明錄，尹延春，趙同彬

[摘 要] 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的開發(fā)與建設(shè)是新時(shí)代全面推進(jìn)創(chuàng)新教育的要求?；诓傻V工程背景及力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，以實(shí)踐創(chuàng)新技能培養(yǎng)為導(dǎo)向，以礦業(yè)類科研項(xiàng)目為依托，設(shè)計(jì)制作了頂板巖層移動(dòng)相似模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置及地表沉陷三維相似模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置，成功建設(shè)了“煤炭開采頂板運(yùn)動(dòng)相似模擬實(shí)驗(yàn)”及“煤炭開采地表變形相似模擬實(shí)驗(yàn)”兩項(xiàng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，初步形成了教研結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生對(duì)具有明顯工程背景及開放性、挑戰(zhàn)性更強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更感興趣，增強(qiáng)和培養(yǎng)了學(xué)生的科研興趣和力學(xué)應(yīng)用能力。

[關(guān)鍵詞] 教研結(jié)合;教學(xué)模式;力學(xué)實(shí)踐;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);采礦工程

[基金項(xiàng)目] 2020年度山東科技大學(xué)教育教學(xué)研究“群星計(jì)劃”項(xiàng)目“工科專業(yè)力學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)與教研結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索”（QX2020M03）;2019年度教育部產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人項(xiàng)目“礦山開采物理模擬教研一體化實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)”（201901031002）

[作者簡(jiǎn)介] 邢明錄（1986—），男，山東菏澤人，工學(xué)碩士，山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要從事巖體力學(xué)測(cè)試方法與技術(shù)、錨桿支護(hù)與圍巖穩(wěn)定性控制理論研究;尹延春（1988—），男，山東濟(jì)南人，工學(xué)博士，山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院副教授（通信作者），主要從事礦山巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)理論與方法、煤礦沖擊地壓理論與災(zāi)害防治技術(shù)研究;趙同彬（1975—），男，黑龍江齊齊哈爾人，工學(xué)博士，山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事沖擊地壓機(jī)理與工程災(zāi)害防治、巖石力學(xué)試驗(yàn)方法與實(shí)用測(cè)試技術(shù)研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）07-0085-04 [收稿日期] 2021-06-03

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是整個(gè)高等教育創(chuàng)新體系中創(chuàng)新人才培養(yǎng)過(guò)程不可或缺的重要組成部分，對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，對(duì)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、實(shí)踐能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以及在高等教育培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)換中起著重要的作用。隨著高等教育管理體制的不斷改革，高等學(xué)校辦學(xué)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，畢業(yè)生就業(yè)制度和觀念的變化，用人單位對(duì)畢業(yè)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的要求不斷提高等，都意味著高等教育培養(yǎng)理念正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這給高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。在此形勢(shì)下，應(yīng)調(diào)整、優(yōu)化組合原有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，大力度整合、淘汰一些陳舊、過(guò)時(shí)、脫離實(shí)際的教學(xué)內(nèi)容和手段落后的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加強(qiáng)綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，走教學(xué)—科研良性循環(huán)的道路，依托科研的優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化教學(xué)與科研的相互滲透，不斷提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平[1-4]。

山東科技大學(xué)是一所煤炭行業(yè)特色高校。采礦工程現(xiàn)為國(guó)家一流本科專業(yè)、國(guó)家級(jí)特色專業(yè)，礦業(yè)工程入選山東省高水平應(yīng)用型專業(yè)（群）建設(shè)計(jì)劃。采礦工程與工程力學(xué)專業(yè)同屬能源與礦業(yè)工程學(xué)院，兩學(xué)科之間的相互交叉和相互滲透，充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)，極大地優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)資源配置，促進(jìn)了學(xué)科育人及創(chuàng)新研究發(fā)展。

采礦工程需要有強(qiáng)大的力學(xué)基礎(chǔ)作為支撐。采礦工程專業(yè)目前涉及的力學(xué)課程主要有“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”“彈性力學(xué)”“流體力學(xué)”及“巖石力學(xué)”等相關(guān)的理論課程。工程力學(xué)專業(yè)教學(xué)及科研中同樣充滿了采礦元素。近年來(lái)，一些學(xué)者將采礦工程與力學(xué)結(jié)合在一起，進(jìn)行了較多的聯(lián)合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐[5-7]。事實(shí)證明，這正是傳授知識(shí)、提高學(xué)生動(dòng)手與綜合分析解決問(wèn)題能力的有效教學(xué)方式，在一定程度上改善了“充斥著說(shuō)教，引不起興趣”的客觀現(xiàn)實(shí)。因此，基于我校力學(xué)服務(wù)于采礦工程的學(xué)科背景，依托優(yōu)勢(shì)科研項(xiàng)目及工程經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了教研結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索，并成功完成了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)及教學(xué)實(shí)踐。

一、采礦工程研究與力學(xué)教學(xué)的結(jié)合

（一）采礦工程與力學(xué)應(yīng)用概述

采礦是建立起一個(gè)相對(duì)較新的力學(xué)平衡空間，打破原有的力學(xué)平衡。通常情況下，一般的固體力學(xué)背景是通過(guò)對(duì)材料的使用，來(lái)設(shè)計(jì)出一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。但是，采礦工程必須打破億萬(wàn)年來(lái)穩(wěn)定的地層，構(gòu)建一個(gè)新的平衡空間，進(jìn)行新資源的開采[5]。采礦工程開采工作必須在工程開始之前就做好準(zhǔn)備，進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查研究工作，并且認(rèn)真做好力學(xué)計(jì)算，再根據(jù)圖紙進(jìn)行采礦工程開采工作。在開采工作整個(gè)過(guò)程中的信息收集和獲取工作，可以通過(guò)使用力學(xué)理論來(lái)進(jìn)行一定的指導(dǎo)，并且力學(xué)的理論可以在開采工作的具體步驟中發(fā)揮指導(dǎo)作用。例如，在采空區(qū)頂板巖層控制機(jī)理及地表深陷預(yù)計(jì)模型研究方面，通常會(huì)借助力學(xué)理論，建立力學(xué)分析模型及判據(jù)。

（二）頂板斷裂與力學(xué)問(wèn)題

在煤炭開采中，因頂板管理不善而造成的事故占有相當(dāng)大的比例。預(yù)測(cè)頂板初次及周期來(lái)壓、巖層斷裂步距，通常將頂板斷裂力學(xué)模型簡(jiǎn)化為彈性梁（簡(jiǎn)支梁、懸臂梁、固支梁）模型或彈性薄板模型，結(jié)合相應(yīng)的力學(xué)判據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與頂板巖層厚度、極限彎矩及抗拉強(qiáng)度等參數(shù)密切相關(guān)。在頂板力學(xué)機(jī)理研究中，通常會(huì)用到材料力學(xué)、彈性力學(xué)及斷裂力學(xué)理論及分析方法，實(shí)驗(yàn)研究多采用室內(nèi)二維相似材料模擬臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試。

（三）地表沉陷與力學(xué)問(wèn)題

因資源開采及其他巖土工程施工導(dǎo)致的地表沉陷，對(duì)地面建構(gòu)筑物及周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了較大的影響。地表沉降空間分布規(guī)律及沉降量估算需借助有效的力學(xué)理論分析。例如，膏體充填開采可有效降低地表沉陷，但膏體充填體的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度、單軸壓縮強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等）是膏體充填技術(shù)的核心，是有效控制地表變形、防治地表沉陷的關(guān)鍵。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)一方面測(cè)試膏體充填體的強(qiáng)度和變形性能，另一方面借助模型試驗(yàn)研究不同開采方法、不同充填材料、不同充填率、不同近地表松散層等因素對(duì)地表變形的影響。另外，常用的地表沉陷預(yù)計(jì)模型也是在彈性力學(xué)、土力學(xué)、流體力學(xué)等力學(xué)理論基礎(chǔ)之上形成的。

二、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置設(shè)計(jì)

（一）采礦與力學(xué)相融合的教研性實(shí)驗(yàn)裝置開發(fā)及教學(xué)設(shè)計(jì)遵循的原則

1.合理模擬工程實(shí)際問(wèn)題。如研究煤炭開采對(duì)地表沉陷及地面建構(gòu)筑物的影響，要求實(shí)驗(yàn)裝置能夠合理形成采空區(qū)，并能模擬采煤工作面位置、形狀、采留比、推進(jìn)速度、采高等因素對(duì)地表沉陷的影響。

2.科研實(shí)驗(yàn)裝置的小型化，易于操作。用于科研的物理模擬試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)龐大，價(jià)格昂貴，操作起來(lái)復(fù)雜費(fèi)事，不利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，須往“小而精”的方向改造，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)套設(shè)備教學(xué)。

3.踐行“科研反哺教學(xué)，教學(xué)促進(jìn)科研”及“學(xué)科交叉”理念，能夠綜合應(yīng)用多種力學(xué)測(cè)試手段及方法，實(shí)現(xiàn)采礦與力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合。

4.實(shí)驗(yàn)裝置及項(xiàng)目具有一定的科技含量及科研價(jià)值，可面向同類高校推廣，用于教學(xué)可提高學(xué)生的工程實(shí)踐及綜合創(chuàng)新能力。

（二）頂板巖層移動(dòng)相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置

教學(xué)呈現(xiàn)“煤炭開采頂板斷裂特征及上覆巖層移動(dòng)規(guī)律”，設(shè)計(jì)頂板巖層移動(dòng)相似模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)為鋼制框架結(jié)構(gòu)，主要包括模型加載反力框架及加壓機(jī)構(gòu)，能夠進(jìn)行平面應(yīng)力狀態(tài)下巖土結(jié)構(gòu)相似模擬實(shí)驗(yàn)。填料空間尺寸為1200mm×200mm×1000mm（長(zhǎng)×寬×高）。用于對(duì)相似材料進(jìn)行豎向加載的千斤頂?shù)葯C(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)加載范圍：應(yīng)力0.1～1MPa。可實(shí)現(xiàn)“邊采邊充”功能?？捎^測(cè)煤層開采或充填開采過(guò)程中上覆巖層的變形、破壞、冒落、移動(dòng)規(guī)律。

（三）地表沉陷三維相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置

教學(xué)呈現(xiàn)“資源開采對(duì)地表沉陷及地面建構(gòu)筑物的影響”，設(shè)計(jì)地表沉陷三維相似模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。如圖2所示，實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)為三維箱體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，前后兩面透明，采用有機(jī)玻璃護(hù)板。左右兩面為可拆卸鋼側(cè)板，方便逐層鋪設(shè)巖層相似材料。實(shí)驗(yàn)裝置箱體底部設(shè)置有通過(guò)位移控制的陣列式煤層模擬組件，單個(gè)煤層組件可通過(guò)位移控制單元方法或借助拉拔工具（控制成本）拉下，合理形成采空區(qū)。地表測(cè)量部位應(yīng)方便布置測(cè)線或安裝相機(jī)、三維掃描儀等測(cè)量設(shè)備。

三、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐

（一）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)情況

根據(jù)自主研制的教研性實(shí)驗(yàn)裝置，規(guī)劃了煤炭開采頂板運(yùn)動(dòng)相似模擬實(shí)驗(yàn)及煤炭開采地表變形特征觀測(cè)實(shí)驗(yàn)兩項(xiàng)本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，均為綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，目前面向采礦工程、工程力學(xué)專業(yè)本科生及研究生開設(shè)，后期逐漸將面向同類工科專業(yè)開放預(yù)約。

（二）煤炭開采頂板運(yùn)動(dòng)相似模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

1.介紹煤炭開采歷史發(fā)展、采煤方法、采煤設(shè)備、回采工藝、充填開采等知識(shí)。

2.講解頂板安全事故案例，分析其中的力學(xué)原因。

3.對(duì)比分析不同煤礦的開采方法，根據(jù)某礦工程實(shí)際，建立頂板斷裂力學(xué)模型。

4.選定某工作面地質(zhì)條件為研究背景，進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)。模型中不同巖性的巖層由水、石膏粉、細(xì)沙及云母片等經(jīng)不同配比、制作、鋪設(shè)而成。鋪設(shè)材料達(dá)到強(qiáng)度后，確定測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行煤層開挖，觀測(cè)采空區(qū)頂板斷裂及覆巖移動(dòng)特征，利用全站儀或數(shù)字散斑測(cè)量系統(tǒng)記錄測(cè)點(diǎn)位移。如圖3所示為某工作面采空區(qū)頂板巖層斷裂特征實(shí)驗(yàn)圖。

5.結(jié)合理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出頂板斷裂步距，描述巖層垮落及變形特征，獲得采空區(qū)上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

（三）煤炭開采地表變形相似模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

1.闡述地表變形發(fā)生的原因及危害。資源采出后，對(duì)采空區(qū)及時(shí)進(jìn)行回填或永久性支護(hù)，可降低或避免地表沉降。

2.講解地表沉陷工程實(shí)例，分析沉陷影響因素（開采方法、重力作用和地應(yīng)力不均衡等）。

3.對(duì)比分析不同的地表沉陷預(yù)計(jì)模型，探索其中的力學(xué)原理。

4.選擇某工程實(shí)際，鋪設(shè)巖層相似材料，進(jìn)行煤層開挖，架設(shè)觀測(cè)線或用三維掃描儀記錄地表變形移動(dòng)特征。多次實(shí)驗(yàn)可獲得采煤工作面位置、形狀、采留比、推進(jìn)速度、采高等因素對(duì)地表沉陷的影響。如圖4所示為某工作面開采后地表沉陷特征實(shí)驗(yàn)圖。

5.根據(jù)觀測(cè)的地表移動(dòng)及沉陷數(shù)據(jù)，采用MATLAB或三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件繪制地表變形云圖，獲得地表移動(dòng)規(guī)律、沉陷特征。

結(jié)語(yǔ)

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)是構(gòu)建科學(xué)合理實(shí)踐教學(xué)體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要保障。將最新的工程技術(shù)及科研前沿引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去，才能使學(xué)生能夠盡早地對(duì)科學(xué)研究的最新成果有前瞻性的了解。通過(guò)教研性實(shí)驗(yàn)裝置的研發(fā)，將采礦工程相關(guān)的科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為教學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有完整性、實(shí)用性易于操作等特點(diǎn)。在采礦及力學(xué)專業(yè)范圍內(nèi)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，取得了良好效果，達(dá)到了增強(qiáng)觀察能力、動(dòng)手能力、提升科研能力、創(chuàng)新能力的目的。

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Construction and Practice of Innovative Experimental Projects Based on the Integration

of Mining and Mechanics

XING Ming-lua，b， YIN Yan-chuna，b， ZHAO Tong-bina，b

（a. College of Energy and Mining Engineering， b. National Demonstration Center for Experimental Mining Engineering Education， Shandong University of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590， China）

Abstract： The construction and innovation of experimental education are the requirements of the new era. Based on the background of mining engineering and mechanical experiment technology， guided by the cultivation of practical and innovative skills and relying on mining scientific research projects， we have designed and manufactured the teaching device of roof rock movement similarity simulation experiment and the teaching device of three-dimensional surface subsidence similarity simulation experiment， and successfully established two innovative experimental projects of “coal mining roof movement similarity simulation experiment” and “coal mining surface deformation similarity simulation experiment”， and the experimental teaching mode of combining teaching and research has been preliminarily formed. Teaching practice shows that students are more interested in experimental projects with obvious engineering background， openness and challenge， and students’ interest in scientific research and mechanical application ability has been enhanced and cultivated.

Key words： combination of teaching and research; teaching mode; mechanical practice; innovation experiment; mining engineering