岩石力学论文:岩石力学双语课程建设的必要性探究

摘要：岩石力学不仅是一门重视理论的学科，也是一门实践性很强的工程学科，是岩土工程等专业的重要基础课程。针对目前中国高校岩石力学的内容落后以及教学方式枯燥等问题，本文着重探究了建设岩石力学双语课程的必要性及可行性，以促进双语教学在高校的落实，发挥双语教学在高校素质教育中的作用，为高校培养岩石力学高层人才提供有效思路。

关键词：岩石力学；双语教学；必要性

目前，我国绝大多数高校都采用普通话作为教学语言。而香港和新加坡的大学主要使用英语教学。台湾也正在加强英语教学的力度。还有很多非英语国家的高校正在使用英语教学或开始设置英语课程了[1]。世界各地都广泛地使用英语授课或者从事各种学术活动，如今英语已经成为了一种科技语言。因此，采用英语传递信息已成为全球文化与科学的主要形式。双语教学，即在课堂上增加使用第二中语言来进行学科的教授，它已经是实施双语教育的重要手段之一[2]。为了推动双语教学的发展，教育部自2001年明确提出要在高校积极推动使用英语等外语进行教学，其中“本科教育要创造条件使用英语等外语进行公共课和专业课教学”，近年来我国内陆许多高校增开了一系列双语课，也就是在教学过程中既有英语授课部分，又有汉语授课部分。不少人认为，双语教学可以促进高等教育的国际化[3]。岩石力学是运用力学原理和方法来研究岩体的力学以及力学相关现象的一门新兴科学，也就是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学[4]。为了达到良好的教学效果，在调查分析国内外高校尤其是石油类高校教学过程中存在的问题，我们对岩石力学建设双语课程的必要性进行了探索。

一、目前岩石力学课程存在的问题

1.教材陈旧，内容落后。随着我国在基础设施建设方面的投资和发展，岩石力学的理论研究取得了长足进展，建造出了三峡工程、青藏铁路、南水北调等许多高难度、划时代的标志性工程，使得我国在岩石力学的理论研究、室内外试验、现场监测和经验积累方面获得了举世瞩目的成果[5]。然而，作为培养岩石力学高级人才的大学，普遍存在着所采教材陈旧，内容严重落后于目前岩石力学的实际发展水平的现象，在一定程度上出现理论与现实脱节的现象。

2.教学手段单调，教学模式枯燥。岩石力学的理论比较枯燥，容易导致学生的学习兴趣不高、主动性不强。仅仅以传统的传授书本知识为主的板书和ppt课堂教学模式已不能满足应用型本科人才培养的需求[6～9]。另外，该课设置的课时量相对于要讲授的内容来说偏少，按照传统的教学方式进行，容易出现让学生对知识只能宽泛了解而掌握不牢的现象，同时也容易让老师被迫放弃部分教学内容的现象。岩石力学包含的力学知识点较多，存在很多公式的推导过程，仅仅靠板书和ppt的形式，不能让学生高效地接受知识。

二、采用双语进行岩石力学的教学的必要性

21世纪是知识、信息和经济一体化的时代。随着我国对外开放的深入，特别是成功加入wto以后，各个行业积极引入国外的先进技术和实验设备，对外交流与合作日益密切，与岩石力学相关的行业也不例外，我国高校教育正面临着更加严酷的国际竞争环境，在一定程度上需求具有一定的专业外语知识的人才。

1.采用多种教学手段，增强教学效果。虽然也有单独开设了土木工程专业英语等专业外语课，但是仍存在一些内容交叉重复的问题，给教学带来了困难[4]。所以在岩石力学课程教学改革方案中，不应局限于教授专业外语知识，也可以在汉语授课过程中普及相应的专业外语词汇。所以，可以在师资条件具备的情况下，岩石力学采取专业教学与外语教学相结合的双语教学办法，教材可以采用外文教材或者添加外文辅助教材以跟进国内外进展，从而保障内容的先进性。教学过程中，可以在每一章增加相应的专业词汇的英文注解及相关解释。另外，还应提供外文资料供学生参考。这样多途径的教学方式，让学生在学习专业课程的同时，又学习了专业外语。既避免了专业课程专业词汇零散的缺点，也增加了学生们学习专业外语的兴趣。

2.增强英语的阅读和表达能力。（1）实施双语教学可以为学生打好坚实的专业词汇基础，补充公共外语教学的不足，促进国际学习交流的效果。随着国际化交流的日益频繁，除

了查阅国际期刊，学生们有越来越多的机会出席各类国际会议，直接聆听外国专家的演讲报告，并且参与到国际学术交流中去；而更有相当一部分的同学将可能去国外留学或者工作。因此课堂上采取双语教学可以使学生们提前熟悉掌握该专业的名词术语，达到与国际同行顺利进行学术交流的目的；而一般的公共外语考试并无法涉及这些专业内容，经验表明只接受公共外语教育不能满足专业交流的需要，这就更加体现出双语教学的必要性。

（2）实施双语教学可以通过中英文对照，采取优势互补，以加深对内容的理解和辨析。专业词汇或者定义、表述等由于英语语言习惯与汉语的不同，有时在翻译成汉语的过程中会出现生硬、不，甚至有歧义的地方，而直接在英语的环境下学习反而更加有利于内容的理解和知识点的掌握。另一方面，有些专业词汇是由学生并不熟悉的词根组合而成的，这时通过与汉语书本内容进行比较可以在学习专业知识的同时加深对于英语的构词方式的理解，对类似的生词触类旁通，从而达到举一反三的效果。（3）实施双语教学学生不但可以掌握岩石力学的专业词汇，也可以对其他一些基本的科技用语有所了解。比如基本的数学物理符号的读法、缩写的含义，石油生产过程中的常见设备的英文说法等，同样这些也是公共外语所没有包含的内容。

三、采用双语进行岩石力学的教学的可行性

1.高校教师的英文水平可以胜任双语教学的要求。目前高校中有许多在国外学习访问并且用英文发表文章和进行讲座经历的老师，他们的外语能力可以充分保障双语教学的实施效果。

2.岩石力学的教学资源有许多国内外经典的原版教材。这些教材既包括侧重原理、概念讲授的基础教材，也有充分反映近期研究成果的专著。在授课过程中可以选择其中的一部分作为指定的教材及参考书，以满足不同的教学需要。

总之，以强调理论联系实际、重点培养学生的英语能力为该课程的主要建设目标，进一步提高教师教学水平，加强教材等教学资源的建设，不断优化教学内容及教学方法，最终让学生掌握本门课程教学内容，实现英语水平的提高。实现让学生掌握绝大部分专业词汇，胜任该专业领域的国际交流，学习跟踪近期国内外反应重要学术和生产动态的文献，了解学科前沿发展情况及近期成果的最终目标。

岩石力学论文:土木工程岩石力学课程教学改革研究

摘要：

岩石力学是一门应用基础学科，是中职升本土木工程专业的专业基础课。文章通过教学方法的改革，学习模式的改变以及考核方法的改革，将岩石力学课程由“课堂讲授型”转变为“应用分析型”，充分调动了学生的学习积极性，提高了岩石力学课程的教学质量和教学效果。

关键词：

教学方法；学习模式；考核方法；岩石力学

一、概述

岩石力学是研究岩石的基本力学性质和岩石在各种环境和力场作用下的变形和破坏规律的理论及实际应用的科学，是一门应用基础学科。对于具体的岩土工程也包括岩体的强度及稳定性问题。岩石力学是土木工程专业的专业基础课，是后续专业课程所必须具备的基础理论知识。中职升本学生是指从中专学校通过参加高职统考考试，达到本科分数线被录取。这些学生相对于国家统招学生，基础薄弱，数学、力学功底差，学生的自我约束力差，缺乏学习的主动性。已有很多国内学者为了提高岩石力学课程的课堂教学质量，培养学生的专业素质以及工程实践和创新能力，针对统招学生对岩石力学的教学方法、教学手段、教学模式及实验教学等[1-3]方面进行了深入研究。但是，还鲜见针对中职升本学生进行的岩石力学教学改革。文章针对此情况进行了教学改革和教学探索，提高课堂教学质量，为后续课程的学习打下良好的基础。

二、岩石力学课程存在的问题

（一）教学课件陈旧，缺乏生动性

岩石力学课程使用的多媒体课件主要使用文字介绍和理论公式推导等形式编排，内容枯燥，未能充分发挥多媒体教学的优势，学生理解起来也比较困难，学习积极性不高，教学效果不佳。因此，教师需要搜集典型工程案例和工程灾害事故资料，如现场图片及录像等，丰富课堂内容，使学生对所学内容有更为直观的认识，激发学生对岩石力学课程的学习兴趣。

（二）课堂教学模式单一

课堂教学中主要以注入式教学为主，即以教师讲授为中心、以传授书本知识为主，教学方法和教学手段单一。师生互动环节少，课堂气氛不活跃，不能有效调动学生的学习积极性。对于中职升本学生有些内容在课堂上无法理解，而课下限于时间少和基础薄弱等原因，不能进行有效复习，无法巩固所学知识，从而产生“破罐子破摔，索性放弃”的心理，久而久之形成恶性循环。学生上课睡觉和作业应付的现象日趋严重，这必然影响学生对专业知识的系统掌握，背离了该课程的教学目标。

（三）考核手段单一

考试是反馈学生学习效果的重要途径，也是检测教育目标达成度的重要工具。目前，岩石力学考核成绩是由期末考试成绩和平时成绩简单组成，期末考试成绩占总成绩的80%，考查内容主要是书本知识的记忆掌握程度，很难反映学生独立思考、分析解决问题能力，同时也阻碍了学生学习的积极性。

三、岩石力学课程改革探讨

（一）教学方法的改革

岩石力学课程内容庞杂，涉及很多的工程领域，不同的岩体工程有不同的特点，对于土木工程专业来说，首先要掌握基本的理论知识，其次就是将基础理论知识与具体的工程问题想结合，加以应用。因此，岩石力学课程教学目标是强化基本理论知识的的理解和综合应用，提高学生的学习主动性和参与度，注重课程改革的成效，培养学生分析、解决实际问题的能力。针对此目标及课程存在的问题，在教学过程中采用模块教学法、问题教学法、案例教学法及项目教学法相结合的综合教学方法。根据教学内容划分为基础理论知识和工程应用两个部分，根据各个知识点之间的逻辑关系划分知识模块，确定讲授顺序。在基础理论知识部分采用问题式教学法和工程案例教学法相结合的综合教学方法，通过工程案例创设教学情境，提高学生的学习兴趣；通过问题引导学生多思考，采用多种方式分析、解决问题，提高学习的主动性。，在工程应用部分，采用项目教学法，学生以小组为单位完成各个岩体工程的稳定性分析项目，将基础理论知识结合具体工程问题加以运用。

1.模块教学法

岩石力学的课程内容主要划分为两大部分：基本理论知识和工程应用。根据具体内容划分为七个知识模块，即基本理论知识部分的岩石的物理力学性质、结构面的特征及力学性质、岩体的力学性质及质量评价、地应力测量及计算四个知识模块；工程应用部分的岩石地下工程、岩石边坡工程、岩石地基工程三个知识模块。各个知识模块之间的逻辑关系如图1，各个知识模块的讲授顺序见图中的数字。

2.案例式教学法

岩石力学的基本理论知识公式比较多，由于中职升本学生基础薄弱，知识点变得枯燥、乏味、难于理解，因此学生的学习兴趣不高。在教学过程中根据各个模块的教学内容，选择学生能够所见所闻或本地区影响较大的案例，或近几年发生的影响较大的、工程特点突出、能够吸引学生并激发兴趣的案例，通过视频、图片的形式将工程案例引入教学，创设教学情境，激发学生的学习兴趣和学习的积极性。

3.问题式教学法

在基础理论知识部分，采用PBL（ProblemBasedLearn－ing）以问题为导向的教学方法，在各个知识单元设置具体问题，在课程过程中进行讲解，使学生有恍然大悟的感觉，同时在课后留设具有一定难度的拓展性问题，调动学生课后查阅资料、分析并解决问题的主动性，对于课上内容也是很好的复习和整理过程。

4.项目式教学法

在工程应用模块，岩石地下工程、岩石边坡工程和岩石地基工程分别设置综合训练项目，要求学生根据基本理论知识结合具体工程问题分析各个岩体工程的稳定性，提交报告，并进行答辩。

（二）学生学习模式及考核方法的改革

1.小组学习，团队合作

根据教学方法的改变，相应的学生的学习模式也将发生变化。主要采用小组学习的形式，发挥团队合作精神，共同学习和进步。学生以小组为单位完成拓展性问题和综合训练项目。将学生4~5人划分为一个学习小组，小组成员搭配要合理，兼顾性别结构、学习成绩和活跃程度。每个小组每次任务设组长一名，实行轮换制，由组长负责该次任务的分配、协调和管理工作，并负责记录小组活动，包括小组讨论活动时间、地点、照片；提交报告或者电子文档等材料。

2.过程考核

考核方式主要采用过程考核的形式，各个考核项目、评价方法和分值见表1。

四、结束语

岩石力学作为中职升本土木工程专业的专业基础课必须改革传统的教学模式，为后续专业课的学习打下良好的基础。文章通过模块教学法、案例教学法、问题教学法和项目教学法相结合的综合教学方法的改革，小组学习、团队合作的学习模式改变以及过程考核的考核方法的改革，将岩石力学课程由“课堂讲授型”转变为重视工程应用的“应用分析型”，充分调动了学生的学习积极性，提高了学生主动思考、分析、解决问题的能力。同时，提高了岩石力学课程的教学质量和教学效果。

岩石力学论文:岩石力学专业中采矿工程论文

1岩石力学的基本特点

随着时代科学技术的迅猛发展，人们对岩石的认识具有更深层次的理解:及时，岩石并不是固体力学中的一种材料，世界上的所有岩石工程中的岩石是一种天然地质体，具有复杂的地质结构和赋存条件，是一种天然的典型的不连续介质;第二，在岩体中存在地应力，这种作用力是由于地质构造和重力作用等因素形成的一种内应力。在开采岩石的过程中，开挖岩石引起的地应力的释放，才会引起岩石工程变形和破坏。因此，岩石力学的研究思路、研究方法和材料力学的研究存在着本质的区别。在对岩石力学的研究时，研究者的思想不要根深蒂固于用传统的研究方法来得到答案，要站在科学的高度来思考问题，学会灵活运用相关知识来研究。通过不断地分析，得知自然环境赋予了岩石，在人类活动中，采矿工程是人类和大自然相结合的结果，因此，采矿工程的行为和功能与施工因素密切相关。根据以上的综合分析，我们对岩石力学有了新的思考和认识，岩石力学是研究和控制采矿工程的科学。

2采矿工程中的岩石力学的重要性

在采矿过程中，地下采矿工程和露天采矿工程无论哪一种，都是以具有地质构造的岩石为对象。因此，岩石力学问题始终贯穿在采矿工程中的每一方面。其一:在采矿工程中的岩体都是地质体，它们在反复的地质作用下变形、破坏，形成具有一定岩石成分和结构的地质体，并且赋存于特定的地质环境中;其二:采矿工程是经过不停地劳动进行开挖的过程，是动态的非静态的。开挖过程中岩体的力学性质也会随着工程的尺寸和开挖的延伸方向的不同而发生变化，并且环境因素(例如地应力、水、温度)也是影响岩体性质的一个重要方面，冲击矿压和煤与瓦斯突出主要是由地应力中的高地应力引起。岩体的力学性质特征包括了岩体的稳定性、强度性和变形性，它会随着岩体内结构面形状的不同而变化。因此，这些特征决定了采矿工程中的岩石力学问题具有极其复杂性。

3采矿工程中的岩石力学的应用

3．1预测采矿工程中的灾害

在采矿工程的开展过程中任何人为和自然因素都会造成极大的危害，其中自然因素有地震、岩爆等危害，岩石力学在采矿工程中的应用，可以通过对采矿地点的土层地质分析来提前预测在采矿工程中会出现的灾害，然后可以在工程设计中规避这些灾害。

3．2测量采矿工程中的地应力

所谓的地应力就是指地底地质底层中自然产生的力量，在采矿过程中，由于开挖导致的周边土层地质发生变化的根本原因就是地应力。要想制定完整且安全的采矿工程开采方案就必须首先运用岩石力学对采矿工程所在地的地应力进行测量，只有的了解采矿工程周边的地应力情况，才能设置最正确、最合理的采矿方案，确保采矿工程的安全有效开展。

3．3优化深凹开采的边坡设计

随着深凹开采的普遍出现开采难度不断增加，对于采矿工程的安全性和稳定性的要求也越来越高，这就要求岩石力学在开采过程中起到积极作用。通过岩石力学的测量，定量，充分的把岩石力学应用到采矿工作中来，在保障安全的基础上，保障工程安全快速进行。

4结语

总之，随着岩石力学在采矿工程中应用的不断发展，如今我国的岩石力学已具备了世界先进水平。相关从业人员还应不断结合实际，研究岩石力学在采矿工程中的新应用。

作者：杨仕俊 单位：贵州浙商矿业集团有限公司

岩石力学论文:不同深度岩石力学细观破坏实验

实验过程

1.采样和试件制备：试件采自北京门头沟区大台煤矿大台井田，为南大岭组变玄武岩，基性火成喷出岩，斑状或基质粗玄结构，灰绿或灰黑色，形成于中生代早侏罗系，距今180～200Ma。该层岩石赋存于急倾斜煤层底板，自地表以下近70°～80°倾角分布。分别从410，510，610，810和1010m这5个层位取试件进行了实验(见图1，略)。将以上岩样加工成3组适合扫描电镜下观测的三点弯曲试件：a组(不同埋深组，15个)，即中心预制一缺口，但试件埋深不同；b组(偏心单裂纹组，15个)，即玄武岩取自同一埋深410m，偏离中心距离1，2，3，4和6mm处分别预制一缺口；c组(偏心双裂纹组，15个)，与b组相似，但预制了2个缺口。采用中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室的带加载SEM实验系统的试件，尺寸为25mm×10mm×5mm(长×宽×高)的长方体。为了符合断裂力学测试标准[15]，预置了长5mm的缺口，采用最薄的刀片切割，切割后的缺口宽约0.4mm，缺口前端为半圆形。图2给出了试件及加载示意图。3组试件的编号原则如下：a组A–B中，A代表埋深，B代表试件号；b组410–pC–B中，C代表预置缺口偏离中心的距离，B代表试件号，p代表偏置(下同)，410代表410m埋深(下同)；c组410–spC–B，其中，C代表2条对称缺口偏离中心的距离，B代表试件号，s代表双缺口。试件加工情况表如表1所示（略）。

2.实验设备和加载模式：实验在中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室SEM全数字高温疲劳实验系统完成[11-14]。该套实验系统能进行静态扫描及实时在线观测荷载作用下材料的力学行为和表面微结构的变化，实现外部应力状态与材料力学行为和表面微结构变化的一一对应，从而进行材料微细观力学性能的综合性实验研究。本实验为常温下的三点弯曲实验，为了捕捉到脆性岩石的破坏过程，采用位移加载方式，加载速率定为本实验系统最小的10－4mm/s。实验过程中可实时观测荷载–位移曲线，设置系统采样周期为1s，SEM图像的采集速率约为20s/张。

3.岩石鉴定和电镜能谱分析：借助SEM全数字液压高温疲劳实验系统可实时观测三点弯曲荷载作用下试件表面的形貌变化以及裂纹的扩展过程，若能在SEM图片中确定裂纹两侧所关注颗粒的矿物成分将有助于岩石破坏机制的分析。在北京科技大学扫描电镜实验室，通过带能谱仪的扫描电镜(SEM/EDX)完成了本实验。图3为410m深处的岩样的SEM/EDX实验结果，图中共有4种具有明显特征的颗粒：颗粒①为深灰色，表面光滑呈大块状分布，为石英；颗粒②为白色，一般较小、表面光滑且聚合分布，为绿帘石；颗粒③为星布的亮白色，颗粒小但显眼，为镧铈矿；颗粒④为浅灰色，表面凹凸不平呈胶合状分布，为斜长石。

实验结果

1.破坏过程和破坏机制：不同埋深组玄武岩试件的破坏过程如下。12个试件中有10个试件的过程和试件410–3类似(试件1010–2和1010–5除外)。以试件410–3为例，当荷载加到80.1N(对应SEM图片开始扫描时的荷载)时并未观察到试件表面有明显的变化；当荷载加至111.6N时，在预置缺口前方观测到了微裂纹萌生(通过比对实时采集的荷载数据，当图像扫描到裂纹萌生处时，当时的实际荷载约为122.8N，相当于峰值荷载的95%)，如图4(b)所示；当荷载加至129.5N(拍摄到裂纹时实际已稍微越过峰值荷载130.6N，开始下降)，裂纹迅速扩展并且贯通，试件破坏；图4(d)为试件破坏后的形貌。从其他9个试件的破坏过程可以发现，从微裂纹的萌生(为峰值荷载的90%～95%)到突然发生断裂实际发生在非常小的荷载范围内，图5给出了埋深410m玄武岩的荷载–扰度曲线，可以看出玄武岩主要表现出脆性破坏。观察试件破坏后的裂纹形貌可以发现，以这种形式破坏的试件裂纹数量少、无分支、且路径较平滑(见图6，略)。试件1010–2和1010–5的破坏过程与其他10个试件略有不同。对于试件1010–2，荷载加至169.6N时(试件峰值荷载174.4N)，在预置缺口前方出现一段细短裂纹，同时加载端出现一条粗长裂纹，但两裂纹并未连通(见图7(a))，这说明裂纹并不总是从缺口处萌生并向加载端扩展，而可能从多处起裂，并随各自扩展而贯通。对于试件1010–5，当荷载加至167.3N时观测到试件内部多处出现裂纹(见图7(b))，这些裂纹是同时萌生的；当荷载加至183.3N时这些裂纹相互贯通并逐渐连接成一条主裂纹，随着荷载增加主裂纹不断扩展并导致试件破坏。对于含偏心预制缺口的试件，大多也是脆性破坏机制，但相比中心预制缺口的试件，偏心预制缺口由于受到弯曲应力和剪应力的共同作用，这导致了断口更为曲折和粗糙，典型的破坏后裂纹路径如图8所示（略）。

2.破坏荷载：将3组实验结果的破坏强度进行了统计分析分析。对于中心预制缺口的a组试件，实验表明，对于包含同样尺寸预制缺口的试件，玄武岩的破坏荷载随着其埋深的增加近似线性增加，如图9(a)所示。这个趋势与宏观实验结果趋势是一致的。提取了不同深度玄武岩的表面SEM，针对图像采用了同一个像素阈值对SEM图像进行了二值化处理，由此计算出孔隙率(见图10)。可以看出，宏细观实验都出现相似的趋势，主要原因还主要是埋深增加后，导致组成玄武岩矿物颗粒更细，并且孔隙率有逐渐减少的趋势。对于单预制缺口和双预制缺口2组试件，随着预制缺口逐渐偏离中心，2组试件的破坏荷载都有增加的趋势。对于三点弯曲荷载，随着偏置距离的增加，剪切力是保持不变的，但弯矩在逐渐变小，也即横截面的弯曲应力会减少。由材料力学理论[16]，对于矩形截面，横截面上的弯曲应力影响远远大于截面切应力的影响，因此最终破坏荷载会随着偏置距离的增加而近似线性增加(见图9，略(b)，9(c))。

3.强度和能量特征：对于尺寸固定的试件，岩石断裂能的多少能反映岩石抵抗破坏的能力，这一特征量对于分析岩石破坏的稳定性具有重要意义[17]。岩石三点弯曲试件的断裂能可由实验获得的荷载–挠度曲线积分获得，具体的计算公式为：（略），式中：W为试件的断裂能，P为作用在试件上的荷载，为试件的挠度。式(1)中，积分上、下限分别为0和试样的断裂位移。图11给出了不同埋深玄武岩断裂能，由图可知，低埋深(410，510m)下3个试样断裂能的离散性很小；埋深较大(810，1010m)下不同试样间断裂能的离散性稍大。但通过计算平均断裂能可以发现，门头沟玄武岩的断裂能是随着埋深增大的，这说明相同环境下，深部岩石抵抗破坏的能力要比浅部强。表2为偏心单、双裂纹组岩样较大荷载和断裂能的实验结果。从图12中可以看出，岩样的平均峰值荷载和平均断裂能都随偏心距近似线性增加，并且在相同偏心距下，单、双裂纹试件无论是峰值荷载还是断裂能都几乎一致，这说明在三点弯曲的荷载作用形式下，对于这种小尺度试件，在对称位置增加一条预置缺陷基本不影响试件的承载能力。#p#分页标题#e#

结论

本文借助SEM高温疲劳实验系统实时在线观察了岩石三点弯曲实验细观尺度上的变形破坏行为，获得了如下主要结论：(1)在三点弯曲荷载作用下，门头沟玄武岩表现为明显的脆性破坏特征，一般到峰值荷载的90%～95%才观察到初始裂纹萌生。对于多数玄武岩试样，裂纹从预置缺口处萌生，进而向加载端扩展，最终形成一条连续主裂纹；少数情况下，裂纹在试件内多个位置同时萌生，这些裂纹各自扩展并贯通形成一条主裂纹。(2)中心预制缺口不同深度的玄武岩的破坏荷载随着深度增加近似线性增加，主要原因是深部玄武岩更致密，且孔隙率小，这与宏观实验结果[8]吻合；而随着偏置距离增加，破坏荷载也近似线性增加。(3)门头沟玄武岩的断裂能随着埋深呈增大趋势，这说明相同环境下深部岩石抵抗破坏的能力要比浅部强。偏心单、双裂纹组试样平均峰值荷载和平均断裂能都随预置缺口偏心距呈线性增加的趋势。在相同偏心距下，单、双裂纹试件无论是峰值荷载还是断裂能都相差不大，这说明在三点弯曲的荷载形式下，对于这种小尺寸试件在对称位置增加一条预置缺陷将几乎不会影响试件的承载能力。

本文作者：左建平 柴能斌 周宏伟 单位：中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 中国矿业大学 力学与建筑工程学院

岩石力学论文:岩石力学中金属矿山采矿工程的应用

摘要：随着近年来我国社会经济的快速发展，对于金属材料的需求量也不断增加，由此，也便对金属矿山采矿工程提出了更加严格的标准要求，基于这一现状下岩石力学得到了越来越广泛的应用。本文主要探讨了岩石力学在金属矿山采矿工程当中对于地应力的测量，以及矿山采矿设计优化等方面的内容，希望能够为相关的研究人员提供一些有价值的参考。

关键词：岩石力学；金属矿山；采矿工程；应用

岩石力学起源于较大规模的工程实践，在发展初期岩石力学工程基本都会与采矿工程一同开展。在采矿工程的实践作业过程中岩石工程经常会有着较大规模的应用，且所面临的工作环境也会十分复杂。岩石力学问题始终存在于采矿工程的各个环节之中，一方面，采矿工程的岩体是经过漫长的地质演变所形成的地质体，在特定的地质环境当中岩体的力学特性往往会较为稳定。另一方面，因采矿工程有着动态性的特征，岩体的力学性质也会受到工程大小与开挖方向而产生相应的改变，并且环境因素也是一项主要影响因素。基于上述特征也便决定了采矿工程中的岩石力学有着高度的复杂性，因此就必须采用多种手段方式来对其展开研究。

1岩石力学概述

岩石力学是探究岩石力学性状的一门理论与应用科学，是力学研究最重要的一项分支内容。作为近代才逐渐兴起的一门学科，岩石力学的应用范围主要包括了公路、铁路、地质、土木、石油、采矿等众多与岩石工程有关的工程领域。对于岩石力学所作出的定义是基于材料概念所提出的，主要受到材料力学或是固体力学的深刻影响。伴随着相关岩石力学理论研究以及工程实践的持续深入开展，人们关于岩石的了解也取得了重大突破。首先，要尽量避免将岩石仅仅看作是固体力学中的一种材料类型，作为一种天然型的地质体，因此更应当将其称之为岩体，引起具备有相对较为复杂的地质构造与赋存条件，因此也是一种重要的“不连续介质”。

2矿山地应力测量

针对原始地应力开展测量工作即为明确出存在于拟开挖岩体，和其附近位置未遭受惊扰的立体化应力状态，在实施具体的测量作业时一般是采取连续不间断的小幅度测量来实现的。岩体内的单点立体应力状态可通过确定出坐标系内的不同分量来代表，相应的坐标系确立可依据实际需求亦或是遵循便捷化原则来进行选择，多数情况下会采取地球坐标系来充当测量坐标系。基于多个应力分量来进一步获得位于该点上三维主应力程度与位置，这是可以得到精定的。在开展实地测量作业时，各点所牵涉到的岩石其规模大小很有可能会是立方厘米级别到数千立方米级别中的任意一种，其真实的数值同时还可能会受到所选用的测量方法影响。然而无论其规模是立方厘米级别的还是数千立方米级别的，从整体岩石结构的层面来看，基本可将其视作为单点。因地应力状态存在着较为明显的复杂性与变化性特征，因此要想能够较为精准的测出某矿区内的地应力大小，便要同时选取多点来进行测量。只有基于这一基础之上，方可凭借数值分析及数理统计、人工智能与模型建构等方式，来确定出该矿区的地应力场模型。目前已经形成了一整套标准化的测量程序，其步骤流程如下：⑴由岩体表层，通常是地下巷道、隧道向岩体中打孔，指导孔穿透岩体中的测量位置。直径通常为140mm左右，深度不小于巷道或隧道的2.5倍；⑵由孔底打同心小孔，提供安装探头使用，小孔直径通常为37mm左右，孔深不小于孔径的10倍；⑶采用专项设备把二两探讨固定到小孔中部位置；⑷采用薄壁钻头加深打孔，确保小孔附近岩芯能够消除应力。

3矿山采矿设计优化

金属矿床的形成、赋存以及开采稳定程度都会直接受制于地应力场控制。因此，就必须将地应力作为切入点来实施金属采矿设计优化。按照实际测量所获得的地应力以及工程地质实况、水文地质、矿岩物理力学特性等资料信息，并再进一步结合以具体的赋存与开采条件，实施定量测算分析，选取出适当的开采作业方式，明确出合理化的开采布设方式、结构参数、开采次序、支护加固、地压控制等相关措施手段，来实现对金属矿山开采的安全保障。具体的优化过程为：采集基础资料确定初步方案多方案测算分析多目标决策优化技术实施现场测取与分析改进并完善方案。这一理论考虑到了采矿岩体本身的非线性特点与采矿多端行及开挖特征，合理化的运用数值分析、大数据统计分析等现代化的技术手段，来为保障采矿设计提供了科学化的手段方式。

4结语

总而言之，伴随着岩石力学在金属矿山采矿工程中应用范围的日渐广泛，也直接促使我国在岩石力学方面的研究达到了世界经验丰富地位。在本次研究中简要阐述了岩石力学的基本特点，并进一步就针对岩石力学在矿山地应力测量作业中的实际应用情况展开了深入探究，最终对矿山采矿提出了几点设计优化建议。相关的工作人员还应当充分结合采矿工程的具体情况，来更加深入的探究岩石力学在采矿工程当中新的应用内容。

岩石力学论文:岩石力学实验教学改革探析

摘要：针对我校采矿工程专业“岩石力学”课程的实验教学现状，分析了采矿工程专业课实验教学存在的问题，提出了采矿工程岩石力学实验教学改革的思路与途径，并对岩石力学实验室在专业课实验教学改革中的探索进行了介绍。

关键词：采矿工程；岩石力学；实验教学；教学改革

1概述

专业课实验教学是工科专业教学体系中一个重要的教学环节，是提高学生动手能力、理论联系实际等能力的重要途径，它不仅可以直观培养学生的知识结构，加深其对理论知识的理解与掌握，更重要的是提高学生的实践操作技能、独立解决工程实际问题的能力及创新能力。近年来，我校对专业实验室建设与实验教学改革日益重视，学校投入大量的经费和人员加强实验室建设，增加了大批先进的实验教学仪器设备，改善了我校专业实验室条件，同时鼓励和支持教师积极参与到专业实验教学改革中去，在提高专业课实验教学质量方面取得了一定的成绩。但与基础课实验教学改革相比，我校专业实验教学改革仍处于滞后状态。然而专业实验教学对加强大学生对专业知识的掌握以及提高其在今后工作中独立解决工程技术问题的能力起着至关重要的作用。如何充分发挥专业实验室在大学生综合素质培养过程中的作用，提高实验教学成效，是我校教学体系完善过程中一个亟需解决的问题。

2“岩石力学”实验教学中存在的问题

目前，我校“岩石力学”实验教学环节中普遍存在如下问题：

2.1实验教学课时少。

“岩石力学”课程共设48个学时，实验课仅为4个学时，占总学时数的8.3%，导致很多课程中涉及到的实验不能去做，不能满足实验的需求。

2.2实验教学方法不完善。

采矿工程专业每个班约35人，一般分为两个组进行实验，由于实验课学时少，学生人数多，实验设备数目少等问题，以至于大部分学生没有完整进行实验的机会，甚至有的实验只是教师进行演示，而非学生亲自动手做。

2.3实验教学内容太单一。

在实验教学大纲中，“岩石力学”课相关的实验仅包括岩石抗压强度试验、岩石抗拉强度试验两部分内容。这两个实验均属验证性实验，综合性和设计性实验太少，不利于学生创新意识和能力的培养。

2.4实验教学考核方式不合理。

长期以来，采矿专业实验教学从属于专业课（包括专业基础课），实验结束后，一般不单独计成绩或不计成绩，学生实验能力的高低、实验完成质量的好坏，在课程考核中几乎得不到体现，使得学生对实验课不够重视。

2.5实验教学效果不理想。由于实验教学课时少、教学方法不完善、教学内容太单一以及考核方式不合理等问题，严重影响了专业课实验教学质量，不能达到应有的效果，专业实验室在大学生培养中的作用得不到充分的发挥。

3实验教学改革的途径

为了充分发挥专业实验室在专业人才培养上的作用，进而提高实验教学质量和效果，必须对实验教学中存在的上述问题进行研究和改革。可以从以下几个方面着手对实验教学进行改革。

3.1增加实验教学学时。为了弥补实验教学学时少的不足，充分发挥实验室在本科生培养中的作用，适当增加实验课学时数，可以将原先纯理论讲授的部分内容在实验室来上，我们也可以结合“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛及“大学生创新性实验计划”等课外科技作品竞赛，为本科生开展科研课题的实验研究提供支持。

3.2优化实验教学内容。

根据岩石力学课程教学大纲，在原有实验课基础上，增加岩石的剪切实验、岩石的点荷载实验等验证性实验，还可以根据开放性实验课的特点与要求，增设设计型、研究型实验。

3.3完善实验教学方法。

改变过去教师演示实验，学生没有机会亲自动手实验的现象。可以借助实验录像让学生直观地了解所有实验教学的内容，在此基础上学生可以有更多的时间自己动手完成大纲要求的实验项目。

3.4加大实验教学考核。

为了调动学生做实验的主动性和积极性，实验课的考核方式需要改变。实验课考核成绩由原来的理论课教师改为由岩石力学实验室教师来评，实验室老师结合同学们的实验课堂表现和实验报告等给出实验课成绩，同时应加大实验课成绩占课程最终考核成绩的比例。

3.5加强实验室建设。

包括硬件条件和软件条件的建设。在硬件条件建设方面，增加实验室建设经费的投入，为实验室购置实验教学必备的仪器设备以保障实验正常进行。在软件条件建设方面，通过改善实验室环境，增强实验学术氛围。

3.6增强激励机制。

学校应对实验室教师给予更多的关心和支持，制订相关激励政策，鼓励专业实验室教师投身到实验教学改革中去，为培养高质量的专业技术人才尽较大的努力。

4结论

总之，实验教学在本科生培养中的作用不可替代，无论是教师还是学生都应该在思想上真正重视起来，以创新的思路进行专业课实验教学改革，有效地发挥其在人才培养上的潜力。

岩石力学论文:采矿工程岩石力学试验教学改革研究

摘要:传统岩石力学试验教学环节存在诸多弊端，如全是单一的验证性试验，没有引入计算机模拟技术，没有考虑学生的差异性等等。通过对岩石力学试验项目进行优化组合，引入差异性教学法，实现面向采矿工程专业的岩石力学试验教学改革。将岩石力学试验教学分为三个模块:模块1为岩石力学参数试验，包括单轴抗压强度试验、巴西劈裂试验、剪切强度试验、点载荷试验4个试验;模块2为创新试验，包括单轴压缩条件下多裂隙试件的变形破坏试验和锯齿状粗糙结构面的剪切试验;模块3为岩石力学的数值模拟演示，主要演示圆盘形试件的巴西劈裂法。积极引导学生完成基本试验(模块1)，支持学有余力的学生开展创新性试验(模块2)，通过模块3来提高学生的岩石力学分析能力。

关键词:采矿工程;岩石力学;试验教学;创新试验

岩石力学是研究岩石力学性能的理论和应用的科学，是为采矿工程、地质工程以及水文工程等专业开设的专业课。通过本课程的学习使采矿工程本科生掌握有关岩石、岩体的基本力学性质，能应用岩石、结构面等强度理论对岩体稳定性进行评价。了解岩体的力学特性，岩体的初始应力状态及其规律，在此基础上熟练掌握岩体力学在采矿工程、地下硐室工程中的应用，培养专业技能扎实与综合素质过硬的创新型人才。随着现代采矿工程规模和开采强度的不断增大，在巷道建设、资源开采过程中面临的岩石力学问题是相当复杂的，如何利用岩石力学的知识分析采矿工程面临的技术难点，从力学层面获取合理的开采方案、巷道布置方位是目前矿山岩石力学服务于采矿工程的重要途径。现代岩石力学的新理论、新方法、新技术层出不穷，如何在有限的学时里，既重视学生的智能培养，又开拓学生的知识面，使学生在未来的工作中发挥更大的潜力，这就需要对采矿工程专业的岩石力学教学内容和实践环节进行整体优化。岩石力学是一门理论性与实践性都很强的学科，常以试验为依据，岩石力学的试验教学使学生更好地了解岩石(体)的强度和变形特性，激发学生的学习兴趣。本文旨在探讨面向采矿工程专业的岩石力学试验教学改革，对岩石力学试验项目进行优化组合，引入差异性教学法，构建面向采矿工程专业的岩石力学试验教学的三个模块。

1传统的岩石力学试验教学

在教学内容上，目前采矿工程专业的岩石力学试验教学环节包括5个试验:单轴抗压强度试验、巴西劈裂试验、剪切强度试验、点载荷和刚性试验机演示。前4个试验是岩石力学经典试验，旨在获得岩石的抗压、抗拉、抗剪强度，属于验证性试验，其试验结论都是大家所熟知的;刚性试验机演示试验是教师在岩石刚性试验机上操作演示，以获得岩石的全应力—应变曲线。这5个岩石力学试验不但进一步增强了学生理解岩石的破坏方式、强度特性和岩石的拉压比等重要的知识点，而且使学生学会了试验数据的回归拟合方法。如不少学生对如何获取岩石抗剪强度两个参数的问题百思不得其解，因为教材没有集中讨论如何通过岩石力学试验获取岩石抗剪强度参数［1－2］。在岩石力学试验教学环节的单轴抗压强度试验、巴西劈裂试验，可得到两个Mohr应力圆，用数学方法做出两个Mohr应力圆的公切线，即为岩石的强度线，其强度线与纵坐标的截距为岩石内聚力c，强度线与σ轴的夹角为岩石内摩擦角φ。通过试验教学，大学生直观地掌握了岩石力学中最重要的两个参数。通过剪切强度试验，获得不同法向应力下的岩石的剪切强度，对其试验数据进行最小二乘法拟合从而得到岩石抗剪强度参数。这些试验都是经典的基础岩石力学试验，但是试验内容比较单调，试验方法过于简单，教科书详细介绍了其试验现象和结论，是验证性试验，很难发挥学生的主观能动性和培养学生的创新能力。在教学方法上，传统的岩石力学试验教学大多采用先集中讲授岩石力学试验程序、数据处理和模型回归方法，在岩石力学试验室，教师首先演示试验操作过程，然后学生分小组进行岩石力学试验。这种教学方法目的明确，而且条理清楚，学生便于接受。但这种方法往往导致教师讲得多、学生做得少，进行岩石力学试验时，学生按教师讲授的试验步骤亦步亦趋地进行，观察到的岩石破裂过程、强度特性与教材表达具有一致性，学生无法直观地理解岩石和岩体力学特性的复杂性，也很难培养他们的试验创新能力。另外，目前大部分矿业高校先进的岩石力学试验设备只对研究生开放，如岩石力学试验系统MTS815和岩石剪切流变仪RYL－600，本科生的岩石力学试验教学使用的设备陈旧，其度和可操作性都远远落后于先进的岩石力学试验系统。这一方面是保护先进的岩石力学设备不受损害，但另一方面无法让本科生领会到岩石力学试验的博大与精深，从而无法更大程度上激发大学生学习岩石力学的热情。

2岩石力学试验教学的改革

传统岩石力学试验教学环节存在诸多弊端，如全是单一的验证性试验，没有引入计算机模拟技术，没有考虑学生的差异性等等。笔者对采矿工程专业的岩石力学试验教学环节进行了精细调整，并在近几届本科生中实施，调整后的岩石力学试验教学环节很受欢迎。面向采矿工程专业的岩石力学试验教学改革方案如下:岩石力学试验教学分为3个模块。模块1为岩石力学参数试验(验证性试验)，教学课时为4学时，包括单轴抗压强度试验、巴西劈裂试验、剪切强度试验、点载荷试验;模块2为创新试验，教学课时为2学时，创新试验期间，岩石试验室对学生实行开放，鼓励有余力的同学分组设计试验;模块3为岩石力学的数值模拟演示，教学课时为2学时。改革后的岩石力学试验环节，把引导学生学会科学的思维方法放在首位，试验教学安排上注意保持了试验的科学性、先进性和基础性，同时也注意培养学生的创新精神。

2．1创新试验模块

根据本科生的差异性进行分类教学，所有本科生都应进行岩石力学试验教学模块1;对于学有余力的本科生，引入创新性试验模块2，引导学生探索一些非验证性试验，包括试验方案的设计、试件的制备、先进岩石力学试验机的操作、试验数据处理和模型回归等方面的教学。近几年笔者结合湖南科技大学现有的岩石力学试验设备，主要增设了两个创新性试验，并且取得了良好的教学效果［3－4］。

2．1．1单轴压缩条件下多裂隙试件的变形破坏试验

岩石与岩体是岩石力学教学过程中极为重要的两个基本概念，《岩石力学》教材对岩石与岩体的变形和破坏特性进行了一些定性的描述，如岩体强度远远低于岩石强度，岩体变形远远大于岩石本身，岩体的渗透性远远大于岩石的渗透性。为了使本科生直观、生动地掌握岩石与岩体的变形和破坏特性的不同，在创新试验模块2中首先引入了单轴压缩条件下多裂隙试件的变形破坏试验。在试验前一个月内，引导学生将水泥、沙和水按照一定的配比混合，将其配料倒入钢模内，并通过预埋薄铁片，待试样初凝后取出预埋铁片的方法获得多裂隙岩石类试件。在岩石剪切流变仪RYL－600上进行单轴压缩条件下多裂隙试件和完整试件的力学试验。通过这个创新试验，学生发现多裂隙试件和完整试件变形、破坏特性不同。多裂隙试件可视为岩体，完整试件可视为岩石，试验发现前者的强度远低于后者，前者的变形大于后者。学生通过创新试验获得了一系列定量的试验数据，通过对试验数据处理和模型回归方法，可以得到诸多定量的结论，而这些结论从教科书上无法获取。图1为创新试验1—单轴压缩条件下多裂隙试件的变形破坏试验图，这个创新试验揭示了岩石与岩体的变形破坏的差异性。学生从这个试验中不仅深刻领会了岩石与岩体的力学特性的不同，更重要的是学会了如何通过设计试验来探索一些深奥的岩石力学问题。

2．1．2锯齿状粗糙结构面的剪切试验

结构面抗剪强度与很多因素有关，如法向应力、结构面粗糙程度等，为了使学生更好地了解结构面粗糙程度对抗剪强度的影响，引入了锯齿状粗糙结构面的剪切试验。通过该试验，学生将发现光滑结构面和粗糙结构面的变形和强度存在很大差别。该创新试验旨在使学生掌握岩石结构面的粗糙程度对抗剪强度的控制作用，理解不同性质结构面摩擦特性的差异性。图2为创新试验2—锯齿状粗糙结构面剪切试验图。上述两个创新试验能帮助学生更好地理解岩体与岩石强度和变形特性的差异性、结构面粗糙度对抗剪强度的影响这两个重要的知识点，很好地培养学生的创新能力和动手能力，以及灵活运用所学知识、理论联系实际的能力，真正做到学以致用。

2．2数值模拟演示

随着现代计算机技术的不断发展，相关数值计算软件的不断成熟，利用数值软件对岩石的变形与破坏过程进行数值试验已成为科学研究和工程应用中非常重要的方法。与传统岩石力学试验相比，具有针对性强、灵活方便、可重复性等特点，通过数值模拟可以将岩石力学试验中不易观测的现象、应力变化情况直观地演示出来，让学生更好地理解岩石的变形、破坏等情况［5］。在岩石力学试验教学的模块3中，主要以巴西劈裂法为例作为数值模拟的演示。模块1的巴西劈裂试验发现在加载过程中裂隙从圆盘形试件的中央产生，该裂隙被认为是受拉裂隙。对于在圆盘形试件上施加压应力为何在试件的中央会产生拉裂隙的问题，许多学生不得其解。为了回避高深的弹性力学推导，大部分《岩石力学》教材对拉裂隙的产生原因没有详细说明，只是简单给出了抗拉强度的计算公式。在岩石力学试验教学环节中引入巴西劈裂法作为数值模拟演示。通过数值模拟演示，学生可以清楚地领会到拉应力沿试件的中心线均匀分布，在加载点附近表现为局部压应力，数值模拟演示直观地阐述了圆盘形试件巴西劈裂的受力机理。

3结语

笔者对采矿工程专业的岩石力学试验教学环节进行了精细调整，考虑到学生的差异性，将岩石力学试验教学分为三个模块:模块1为岩石力学参数试验包括单轴抗压强度试验、巴西劈裂试验、剪切强度试验、点载荷试验4个试验;模块2为创新试验，包括单轴压缩条件下多裂隙试件的变形破坏试验和锯齿状粗糙结构面的剪切试验;模块3为岩石力学的数值模拟演示，主要演示圆盘形试件的巴西劈裂法。

岩石力学论文:岩石力学在采矿工程中的应用

一、岩石力学在采矿工程中的应用

1.1对于深部开采所带来的灾害预测

要知道对于矿山的深部开采是一件具有一定危险系数的工作，可能会遇见矿震、岩石爆炸等危险。并且这类事故是常有发生的，目前已经有很多国家有过类似的经历，比如南非就曾经经历过震级达到M5.1级的岩爆，这种岩石爆炸的破坏力以及杀伤力是十分巨大的，但是目前对于岩爆的预防以及防止工作却没有引起相应的重视。施工队伍对矿山的开采已经越来越深入，所面临的危险也自然越来越大，因此对于这方面必须加以重视。应用岩石力学的相关知识对工程地质进行调查、应力测量以及一些岩石力学实验，通过对能量的聚集和变化的研究去探讨岩爆的发生原理，从而对岩爆进行一定的防治工作。

1.2矿山地应力场测量

地应力是存在于地质底层中的天然力量，它是引起在岩石开挖过程中地质发生变化的力量，对其进行研究是对于开采方案进行研究的首要前提。对于采矿工程来说，实现必须要了解掌握具体工程中的地应力状况，这样才能对矿山进行合理的总体布置并且选取适当的采矿方法。长期以来，我们所生存的地球已经经历了无数次的构造运动，逐步演变出地球地应力复杂性，要想安全的进行采矿工程，就必须对其进行实地应用力测量。

1.3大型深凹露天矿边坡设计优化

现在我国已经有很多露天矿山开采转为了深凹开采，随着开采难度的越来越大，对于安全性以及稳定性的维护就越来越难，边坡滑移的破坏事故发生日益频繁，这些都要严重的威胁到了矿山开采工作的安全性。但是，减少边坡角滑坡事故与增加成本之间却出现了矛盾，对于这种情况，我们就需要经过的定量而不只是定性计算并充分考虑岩体条件和地应力的作用，在能够保障安全的前提条件下，尽量的节省成本，保障工程效益。现如今岩石力学已经在采矿工程中的很多方面都得到了应用，但我国仍然在不断的进行理论研究，对于那些更复杂的工程将会提出更加合理的解决方案。岩石力学在采矿工程中的应用将会朝着多学科相互交叉和多种知识手段综合的趋势逐步发展，采取一定的措施对灾害的非线性动力过程进行预测和防治。

二、结语

相信随着我国经济的高速发展，我国正在全力发展中国特色的工业化道路。年轻的岩石力学研究者也在不断努力，克服在采矿工中出现的地应力以及边坡滑移等因素造成的影响，迎来我国岩石力学研究的新时代，更好的造福于我国的采矿事业，为国家工业发展贡献一份力量。

作者：曹旭 单位：河南省永煤集团

岩石力学论文:岩石力学与工程地质的交叉融合与创新

自原始社会，人类已开始利用岩石制作工具和武器，并逐渐学会在岩石中开采矿产资源，利用岩石作建筑材料，依托岩体建造地下工程，可见岩石力学与人类生活紧密相关。近年来，岩石工程发展迅速，世界上已建成的大坝高度已达300余米，地下工程的开挖深度也已超过3000米，然而更巨大、更复杂的岩石工程还在日益增加，岩石力学的新理论、新方法、新技术亟待发展。

岩石力学是一门研究岩石在外界因素，如荷载、水流、温度、化学、生物过程变化等作用下的应力、应变、稳定性及工程加固的学科。清华大学水利系副教授刘晓丽通过物理模型试验、理论分析以及数值模拟相结合的途径，针对岩土力学与岩土工程问题，特别是地下工程的开挖，开展了深入细致的研究，取得了创新性研究成果。

从“地上水库”到“地下水库”

坐在记者面前的刘晓丽前24小时刚出差回来，“跑现场”对于他来说是家常便饭，但身体上的疲惫从来不会影响他投入工作的热情。

位于内蒙古省的鄂尔多斯是个干旱缺水的地区，据刘晓丽调查，在当地每使用1立方水需要花去9元，而在北京只需要5元，水资源对鄂尔多斯来说是极其宝贵的。然而，缺水的鄂尔多斯却拥有着丰富的煤矿资源，开采业的繁荣支撑了代代人在这里繁衍生息。

但不容忽视的问题是，在煤矿开采过程中会破坏煤层及上下岩樱贮存于其间的地下水系统便会遭到破坏，水资源不断渗流到开采空间，轻则影响开采过程，重则发生重大突水事故，威胁煤矿工人安全。传统做法是用水泵把地下水从工作面排到地表，自然蒸发而散。鄂尔多斯所在的西北地区水蒸发量是降水量的6倍以上，上述做法无疑是对宝贵的地下水资源极大的浪费，水资源的短缺不但威胁着人的生活，也严重影响了地区的生态环境。

为了保水，传统的办法是把开采的厚度大大减少，尽量防止煤层上下层岩石的破坏，这样便可把水继续保存在地下，但这样做是以大量煤炭资源为代价。一方面是作为国家重要经济支柱之一的煤炭资源；一方面是关系国计民生的水资源。二者如何协调开采成为一大难题。

在水利工程方面经验丰富的刘晓丽及其研究团队见状后决定逆其道而行之。“大禹治水，疏而导之”，刘晓丽规划保持原有的开采厚度，“这样做水必定会大量涌进采空区，但如果在地下建立大坝和水库，就可以把水截住并存留在地下”。想法刚一提出，刘晓丽便遭到了老专家和施工方的强烈反对，他们大多认为，水是煤矿的重大威胁，以前的做法都是“排水治灾”，现在却要“储水致灾”。

大胆创新，但不是无稽之谈。刘晓丽及其团队用数据一步一步反复推导，尝试无数次实验，最终将想法变成现实。建大坝把水截留在地下后，再建数个水库，将他们一一连通，通过水库间的调水，保障了煤炭开采的安全。并且“流水不腐”，水会随着自身在水库间的流动得到净化，在水库中经过多次循环流动后的地下水甚至可以直接饮用，既充分开采了煤炭资源又保护了水资源。这是世界首座示范工程，和神华集团合作建成，2014年开始运行。目前，还有十多个煤矿、岩盐矿等待刘晓丽及其团队去实践这项技术和工程。在这项工程设计、建设和运行过程中，刘晓丽及其团队研究分析了采动影响下渗流场演化、水岩耦合岩体破坏机理、分布式水库储水机理、地下挡水建筑稳定性、物理模型试验研究等关键科学问题。

美国工程院院士、宾夕法尼亚州立大学教授Derek Elsworth这样评论煤矿地下水库技术：“创新地将大量稀缺水资源储存于煤矿地下水库的技术，真正实现了煤炭资源和水资源的协调、安全和高效开发，为煤炭工业可持续发展提供了很好的范例。”

近8年来，刘晓丽及其团队在“废弃矿山再利用”和“煤矿地下水处置及高效利用”方面一直在不断创新和突破，上述煤矿地下水库工程只是其工程研究中的一部分。2010？2011年，他们依托辽宁阜新露天煤矿设计了国内首座废弃煤矿抽水蓄能工程；2013？2014年，他们设计并搭建了国内外首个库水岩耦合大型三维物理模型试验平台（长8米，宽2米，高4米）。自2015年起，他们提出了“煤矿地下水原位净化及分质储用技术”，既在煤矿地下水库建设技术的基础上，对于水质差的煤矿地下水，研发小型模块化净水装备，在地下实现水质净化，并供给生产和生活应用。目前这项技术也正在示范工程实践过程中。

从独辟蹊径的设想到切实可行的实践，刘晓丽及其团队用科技创新解决了生活中的大问题。

“上天容易入地难”

20年前，还在读高中的刘晓丽就对与力学、结构有关的物体有浓厚的兴趣，因为老师的一句话――“世界上一切东西都和力学相关”更坚定了他与力学的缘分。从那以后，刘晓丽对物理和力学的痴迷便一发不可收拾。

1997年，刘晓丽被辽宁工程技术大学理论与应用力学专业录取。“力学本身偏理论，必须和具体的学科结合，时任中国空间技术研究院副院长的马兴瑞（现为广东省委副书记，省长）学长是我们学习的楷模，受他的影响，我立志也要搞航空航天。”

人生就像巧克力，你永远不知道下一颗是什么味道。刚刚立志的刘晓丽就突然决定放弃航空，转做地下工程。这次，同样因为老师的一句话。“上天容易，入地难”，一位在流体力学领域非常著名的老教授对他说。距飞机诞生那天已经过去了100多年，人类早已揭开了外太空的神秘面纱，“再做研究就是在此基础上修改”，但要想进入地下似乎就没那么简单了。地下的地质情况异常复杂，受其固体状态的影响更加阻碍了人类的探索。这一切对于刘晓丽来说却更具吸引，也更具挑战。“后来我就对地下的东西感兴趣，和地质相关，做地下工程”。

2001年，刘晓丽考取辽宁工程技术大学工程力学研究生，研究方向就此转向土木和地下工程。“力学理论性很强，推导公式、研究数学，一旦和工程结合，就落地了，需要把工程做出来。”最典型的例子就是三峡工程。

3年后，刘晓丽又以优异成绩考入清华大学土木水利学院，师从工程地质界德高望重的王思敬院士开始攻读水利工程博士学位。求学过程中，王院士告诫刘晓丽做工程以外还要兼顾一些基础研究，因为工程以技术为主，在技术中碰到的很多问题是无法解释的，这时候就需要发展新的理论。刘晓丽便开始在工程现场和实验室间两头跑，虽然辛苦，但收获颇多。

随后，在导师的建议下刘晓丽又出国深造，远赴瑞士洛桑联邦理工大学（EPFL）从事隧道及地下工程研究。在瑞士，刘晓丽接触了机械破岩的相关研究。他的导师Jian Zhao是TBM（Tunnel Boring Machine）高效破岩领域的国际知名专家。TBM即隧道掘进机是利用机械刀具开挖岩石进行掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。TBM代替了人力，消除了人工地下施工的危险，而且集钻、掘进、支护于一体，使用电子、信息、遥测、遥控等高新技术对全部作业进行制导和监控，使掘进过程始终处于状态，因此得到广泛应用，现在很多地铁及隧道工程都使用TBM来开挖。对TBM高效破岩方面的学习对刘晓丽的水利工程工作无疑是锦上添花。

1年后，刘晓丽回清华大学进行博士答辩。随后，他得到了两个工作机会：中石油勘探开发研究院和清华大学水利系。去哪儿？他面临抉择。中石油勘探开发研究院，“既要挖地下工程，还要把油气资源拿上来，是和我专业特别相关”，一直在高校接受理论化知识的刘晓丽深感自己真正接触工程的经验少之又少。他想脚踏实地做点实际的事情，但企业始终有它的局限性――需要服从领导分配，没有自主权。再三考虑，刘晓丽最终选择研究氛围好，同样有机会做工程的清华大学，成为了一名讲师。

收获岩土力学的科研硕果

4年后，在岗位上兢兢业业的刘晓丽升为副教授，博士生导师，他教师从业的职业生涯又迈上了一个台阶。期间，获包括国家科技进步奖二等奖（第8）等奖项4项；发表学术论文80余篇，其中国际期刊论文20余篇，应邀出版专著1部。2015年，刘晓丽还得到国家青年科学基金项目――“岩土力学与岩土工程”。在他看来，优青项目是一次“对前期工作的总结，对日后工作的展望”。

日前，我国国家战略提出需建立支撑可持续发展的能源资源环境技术体系，加强南水北调、三峡等重大水利工程建设与安全保障技术研发，这些重大工程则需要工程安全控制及评价技术、非常规水资源利用关键技术、煤矿地下水库技术等的发展。基于此，刘晓丽及其团队提炼出“水岩作用及其多尺度效应的研究”这一方向，他认为开展这项基础理论研究十分必要，也十分紧要。

针对岩石材料的连续和非连续状态、多尺度特性，现有的理论并不完善，计算分析误差也很大，刘晓丽希望围绕“复杂条件下多尺度水岩系统模型”和“水岩系统的过程演化与耦合机制”这两个关键科学问题，提出“水岩作用系统”概念。在此基础上，他已开展了三个层面的研究-多尺度水岩耦合系统的过程演化研究、开挖扰动条件水岩耦合作用机制研究和水岩耦合作用岩土介质破坏过程研究。

据统计，90%以上的岩体边坡破坏、60%矿井事故、30%？40%的水利水电工程大坝失事都与水岩耦合作用有关，即地质体系统（应力场）与地下流体系统（渗流场）相互联系、相互作用。刘晓丽自2001年攻读硕士学位以来就开始了水岩耦合机理及分析方法的研究工作，但由于地下岩土中各种过程的任意性和不确定性，使得水岩耦合问题的研究得复杂和具有挑战性。通过物理模型试验、理论分析以及数值模拟相结合等途径，他针对岩土介质的非均质和各向异性等特点，围绕水岩耦合及其多尺度特性开展了深入而细致的研究，并取得了一系列创新性研究成果。

在多尺度水岩耦合系统的过程演化研究中，他提出“多尺度岩体结构数字化描述方法”，解决了地质体结构多尺度间的内在联系（即尺度关联）难题，发表相关论文被SCI检索收录5篇，EI检索8篇，获1项软件著作权、岩石力学与工程学会博士学位论文奖和水力学会大禹奖，并多次收到学术大会的特邀报告邀请；他提出的“数字岩体模型构建方法及数值模拟技术”，解决了数据不完备的地质系统与理论严密的精细力学模型和数值计算方法之间的相互脱节问题。其次，他发展了宏细观多尺度数字岩体模型及其工程特性评价方法，基于数字岩体模型，他首次提出了水岩作用分析的表征单元体概念，并应用水岩作用模型，采用水岩表征单元体分析了大坝上抬现象。此外，他建立的多尺度水岩耦合系统的过程演化理论与数学模型完善了有效应力原理，使物理意义更明晰，耦合机制更。

在开挖扰动条件下水岩耦合作用机制研究中，他根据围岩渐进破坏过程与渗透空间结构变异的关系建立了大型水岩耦合试验平台。美国宾夕法尼亚州立立大学教授、美国工程院院士Derek Elsworth访问清华期间参观了这个试验平台，交流中他说：“这简直是一项不可能完成的任务，新平台、新材料、新工艺、新开挖方式，我期待它表现”。另外，刘晓丽还发现了裂隙岩体多流态地下水渗流变化特征，围绕此研究发表的论文被SCI检索收录6篇，EI检索5篇，申请专利4项，软件著作权1项，并获国家科技进步奖二等奖；不仅如此，他还揭示了水岩作用系统中裂隙自愈合的作用机制，实验结果证明水岩系统具有自愈合能力，这一点对于理解开挖扰动引起的损伤发展具有重要意义。

在水岩耦合作用下岩土介质破坏过程研究中，他提出了水力驱动裂纹萌生和扩展的模式，获中国地质学会工程地质专业委员会谷德振青年科技奖；此外，他建立了水力劈裂过程的连续-非连续数值模型，提出的MCZM（Multiscal Conhesive Zone Model）和IPFEM（Immersed Particle FEM）方法有效地解决了强渗压作用下强固结和弱固结介质水力破坏过程难以表征的难题。

目前，刘晓丽的研究成果已在多个重大水利工程中得到应用，为水库蓄水过程大坝工程及库区边坡稳定性分析提供了理论依据和技术支撑。

未来，他计划围绕“动静组合载荷下水岩系统超孔隙水压力响应及致裂机制”和“水力多尺度裂纹扩展和多流态渗流评价与控制原理”这两个岩土力学与岩土工程中的关键科学问题开展研究。

刘晓丽的研究涉及到水利水电工程建设、资源和能源的开采与开发、核废料地质处置的环境风险评价等方面，一直以来也都是国际岩石力学领域研究的热点和难点。在传统水岩耦合问题研究中，通常考虑静力作用或拟静力作用下应力与渗流的相互作用，但在实际工程中，静力载荷（岩石赋存环境，如地应力等）和动力载荷（外部扰动载荷，如地震或爆破等）是共存的，只有研究动静组合载荷作用下水岩耦合作用机制才能真实反映实际工程中水岩耦合系统的工程行为。但是，相关研究工作还很匮乏。

刘晓丽希望，从动静组合载荷下水岩系统超孔隙水压力响应、超孔隙水压力致裂机制研究、动静组合载荷下水力致裂控制理论3个方面开展动静组合载荷作用下水岩系统超孔隙水压力响应及致裂机制研究。他致力于揭示动静组合载荷下岩体超孔隙水压力的产生机制，建立动静组合载荷下渗流流态识别和水力致裂分析方法，形成一套动静组合载荷下工程水岩耦合稳定性分析测试手段和安全控制技术，拓展和丰富水岩作用过程演化的理论和内容。这无疑对于丰富水岩多物理场理论、研发新型水岩系统试验平台和设备、评价水岩系统相关的岩石或岩土工程稳定性产生重要科学意义和工程应用价值。

寻求科研的世致用

采访过程中，不断有人敲响刘晓丽办公室的门，他的确很忙。采访之际，正值台湾成功大学来京与清华大学开展学术交流，刘晓丽十分看重类似的交流机会，“只有通过学术交流才能知道别人在做什么，与别人的差距”。

交流总能碰撞出新的火花。在一次莫纳什大学教授来华交流会上，与会的20位专家被分为4组进行小组讨论，讨论的问题是“岩石力学未来研究方向”，刘晓丽也在其中。会议结束时，大家达成了共识――深部地下工程、地热、核废料处置3个问题将是岩石力学未来研究的主流问题，也是日后共同合作的方向。这个经历只是刘晓丽众多交流中的一次，他热衷于与同行们分享交流，已和澳大利亚莫纳什大学、西澳大学、香港理工大学、美国宾夕法尼亚大学等高校建立了长期合作关系。

身为老师，刘晓丽常常鼓励学生创新，“奇思妙想，不是天方夜谭”。他从不会给学生规定题目，而是让他们自己想，他所做的就是评估方案的可行性和尽可能地为他们提供平台和经费。

如今建树颇多的刘晓丽在工作中游刃有余，殊不知，在刚入行的时候他也曾打过退堂鼓。地下的很多东西对于人类来说都是未知的，即使能探测但也受深度和精度的限制，“千里之提，溃于蚁穴”，即使是个很小的蚂蚁洞，如果探测不到，就很有可能对工程造成巨大影响。他说：“很多东西提前很难知道，很随机，这次成功不能保障下一次也成功，可能这次恰巧没有不良地质体，可能下次就会遇到”，这或许是每个刚入行人的无奈。

后来，刘晓丽就找到自己的导师希望寻求解答，导师对他说：“对于岩石工程，做很多研究不见得知道是什么东西，但是我拿锤子敲一下，一听声音就知道是什么了”。这句话使他至今难忘并受用一生。其实，工程学就是通过无数次实践来慢慢积累经验，从而做出的判断。从那以后，刘晓丽柳暗花明。

生于1978年的刘晓丽认为自己需要学习研究的还有很多，他也在脚踏实地的继续奋斗向前。没课的时候，他会跑到地质现场做调查，再回到实验室做研究，始终保持着一颗勇于创新的心。再过几十年，等刘晓丽老了的时候，当他拿起锤子敲一敲，便会知道那是什么？？

岩石力学论文:矿山生产特点与矿山岩石力学特征

摘 要：通过研究，对矿山生产特点以及矿山岩石力学特征进行了系统性的分析，核心目的是通过对矿山生产工程项目的设计分析，保障资源运用的合理性，并为矿山岩石力学结构的合理优化提供有力支撑。

关键词：矿山生产；结构优化；矿山岩石力学；特征分析

由于矿山生产技术的差异性，在其矿山结构资源优化的背景下也就产生了其自身独特性的资源优势。针对矿山产业特征，分析了矿山生产特点、矿山岩石力学特征等要素，通过对矿山诸多力学因素的分析确定，可以优化矿山生产的基本结构，为矿山资源的开发利用提供良好支持。同时，鉴于国内多数矿山对岩石力学在矿山生产中的指导作用、地位认识不清，重视不够的现状亟待改变，也是撰写本论文的出发点之一。

1 矿山生产特点

（1）矿山的生产年限相对较短。对于矿山生产的基本条件而言，其年限相对较短是矿山岩石力学分析中所需要考虑的重要因素，通常情况下，矿山的生产年限在十几到几十年之间，这种现象与其他产业的状况存在着一定的差异。因此，在矿山岩石力学研究中，需要通过对其有间的分析，进行安全、稳定工作项目的设计，为岩石力学的合理运用提供保障，从而使矿山企业在经济效益与安全稳定运行之间取得平衡；同时也需要在矿山项目生产之中，运用岩石力学原理，进行岩石稳定结构与时间关系的对比分析，从而为矿山企业节约支护成本，优化结构资源提供依据[1]。

（2）矿山中各类巷道的作用。在对矿山巷道作用分析的过程中，其类型不同导致其重要性发生了一定的转变，因此，其结构的稳定性也会存在着一定的不同。在对一些巷道的分析与设计中，需要兼顾其结构设计的当前性及空间的足够性，通过对岩石稳定性工程项目的合理分析，对岩体应力及强度进行系统调节，在这种状态下，之后进行细微的处理，就可以完成正常的工程项目设计内容。同时，在工程项目实践的背景下，巷道围岩在力学中存在着不稳定的现象，比如发生巷道跨冒等问题，则需要作进一步的分析论证，调整工程项目设计内容，以充分实现巷道作用功能和稳定运行。

（3）矿山巷道更新速度快。对于矿山巷道工程项目的内容而言，矿山巷道不但数量庞大，而且处于不断的更新之中，主要是由于在矿山生产中，伴随着新巷道的挖掘，旧巷道也就会随之销毁。致使在矿山正常生产的过程中，对巷道支付的维持费用过高，成为制约矿山经济效益的重要因素。因此，在矿山岩石力学分析的背景下，需要通过对矿山生产特点、矿山基本需求的分析，通过降低成本方法的运用，构建经济化的矿山运行模式及维持方案，有效缓解矿山岩石力学的限制性因素，为矿山结构的资源优化及矿山工程项目的展开提供有力支持。

2 矿山岩石力学特征

（1）矿山安全生产的隐患。在矿业开发的过程中地下开采矿石所占的比例相对较大，而且今后会越来越大，如果在工程项目设计题的构建中，忽视了对岩石力学知识的专业性原理分析，以及运用岩石力学理论指导矿山生产，会为安全生产造成一定的隐患。因此，在该种背景下，就需要通过对现阶段矿山岩石力学特征进行分析，通过对操作规程、劳动纪律等问题的分析，通过对现场生产状况的分析，构建安全性的工程项目生产原则，并在矿山生产中及时地检查、监督和落实，充分发挥出岩石力学的生产及指导作用，杜绝和避免安全事故的发生，提升矿山经济发展的基本效益[2]。

（2）运用岩石力学进行的矿山生产。对于岩石力学基础知识而言，其贯穿于矿山基础项目建设、矿石生产的全过程。因此，在矿山安全生产的基础上，如何有效运用岩石力学专业性的指导作用，达到安全生产的目的逐渐成为矿山岩石力学特征分析中较为重要的因素。例如，在凿岩爆破工程设计中，为了提高工程项目的施工效率和经济效益，需要通过对岩石类型的分析，进行炸药消耗量的确定；通过对岩石力学性质的分析，确定岩石的掏槽方式及炮眼抵抗线大小；通过对岩层状况的分析，合理布置炮眼形式及炮眼数目，从而为爆破方法以及起爆顺序的优化提供支持。

（3）矿山岩石力学知识的生产成效。及时，通过对岩石力学知识的运用，可以优化凿岩爆破设计工作，提高爆破的效率和爆破质量，改善爆堆形状和减少大块率，进而提高矿岩运输效率，加快井巷掘进速度；确定井巷支护条件，合理选择支护方式和支架类型，大大节约支护成本；分析采场地压及其应力分布特点，指导地压控制与管理工作；开展岩体工程分类工作，为工程设计与施工提供必要的参数；进行边坡稳定性分析与监测，合理边坡加固方案，及时消除安全隐患问题，从而为工程项目的结构优化和矿山岩石力学结构的合理优化提供充分保障。第二，针对矿山岩石力学特征，充分结合开采的具体情况，进行规范性、合理性的工程项目操作设计与指导，优化开采顺序提高矿石回采率，保持采矿、剥岩之间正常的超前关系或者开拓、采准、开采之间的有序顺行，从而为工程项目管理策略的优化和资源优化提供良好支持。第三，应用岩石力学知识，完善工程项目施工方案，合理制定作业循环图表，提高施工组织水平；优化施工标准，提高工程检验、监测技术水平，避免工程隐患问题的发生，为工程质量检测方法以及工程验收标准的结构优化提供有效支持[3]。

3 结束语

总而言之，在现阶段矿山特点以及矿山岩石力学分析的过程中，需要通过对其基本内容的分析，通过岩石结构、岩石力学性能以及岩石种类的分析，通过专业技术人员岗位职能的优化，并根据目标项目内容的构建要求，制定详细的经济管理责任体系，提出相关企业人员奋斗目标，创新施工组织与管理模式，从而为矿山岩石力学结构的优化提供有效支持。

岩石力学论文:《岩石力学》及实验课课程教学改革研究

摘要：根据我校城市地下空间工程专业中《岩石力学》课程及实验教学现状，对该课程及专业实验教学中存在的问题进行分析和探讨，提出了一些《岩石力学》及实验课程教学改革的新思路与新途径，文章将浅析《岩石力学》及实验课课程教学改革研究方法及手段。

关键词：岩石力学；实验课程教学；改革研究

一、前言

岩石力学是研究岩石力学性能理论和应用的科学，能够对岩石以及岩石周围的各种地质力学环境进行研究。岩石力学是岩土工程最基本的学科，学科本身的知识内容具有一定的高度，学生在掌握岩石力学知识的时候有一定的难度[1]。所以，在《岩石力学》及实验课教学环节中具有一定的挑战性和机遇性。随着我国经济发展和社会的进步，我院城市地下空间工程教研室对《岩石力学》的研究也在不断地进行探讨和研究，尤其是学科的实验课程部分，取得了一定的成果，文章将分享这些研究成果，希望对《岩石力学》以及实验教学部分的研究有一定的帮助。

二、改革研究的指导思想和内容

岩石力学的实验教学，是整个工科专业教学体系中最重要的一部分，实验教学不仅能够提高学生动手动脑的操作能力，还能够让学生将理论部分应用在实际生活当中，让学生觉得学有所用。通过实验教学，能够让学生对岩石力学的知识结构有一个宏观的认识，更好的把握住知识要点，提升了学生掌握知识点的空间。在实验操作中，能蚺嘌学生操作技能，培养学生的创新意识与创新能力，让学生能够用自己的所学去解决工程施工中的问题

[2]。

实验教学对学生日后的就业起着决定性的作用。因此，学院充分利用实验室现有的仪器与设备，培养大学生的综合素质、创新能力和实践能力，让学生能够适应社会的发展。提高实验教学效果，是全院师生共同的渴望，需要全校师生的共同努力才能够完成，下面阐述一下改革需要突出的要点：

1、突出“三基”。要想掌握好岩石力学的知识点，一定要学习好弹性力学和高等数学的基础知识，老师一定要改变传统的教学模式，通过激发学生学习岩石力学的兴趣入手，让学生学习好岩石力学的课程。

2、编好讲义。要想学习好岩石力学，一定要有好的课本和好的教学方法。只有突出特色的教学模式，才能够提炼出岩石力学的重点知识和基础知识，让学生在最短的时间里学习好专业知识。在提高教学效果的同时，也提高学生学习的效率。

3、创新教法。随着多媒体教学的普及，创新型的教学方法，已经应用在各个学科当中，通过老师对教学内容的改革和优化，在课堂中实施多媒体教学（包括实验录像、重大岩土工程建设录像、数值模拟视频），利用互联网（包括中科院各岩土所的实验室建设网页），提高课堂的教学效果，结合课本联系实际，给学生扩充更多的知识内容，激发学生学习的兴趣，提高学生学习的效果，保持学生学习的积极性。

三、构建研究型学习平台

由于传统的教学模式存在一定的漏洞，对于构建新型学习平台，教研室针对实验课时过少，实验教学方法单一，实验教学内容不丰富、实验教学考核不合理，实验教学效果不理想等因素，提出了岩石力学“二段制学习模式”。广义上讲就是将课程分为两部分，这两部分课程既是独立的课程，又是相关联的课程，狭义上讲就是对教学大纲、教学实验和考试设计进行了较大的调整、改革与变动。将弹性力学、岩石力学基础（包括实验）等以基础知识为最主要的学习目标划分为及时部分（理论部分），将应用和研究型工程实践锻炼划分为第二部分（实践部分）。

1、专业课老师采用近期颖的教学内容激发学生学习的兴趣，通过对教材的修改和变动，对教材内容进行丰富的扩充与填补，让学生能够从教材或者参考书中学到国内外近期研究动态，同时还帮助老师减轻了一定的压力，收到的教学效果比较不错。

2、将计算机应用在实验教学中，让实验教学变得更加生动、真实，解决了学生的困惑，给予学生一定的鼓舞，让学生能够对实验保持激情。现版教材中我院岩石力学实验课程主要有五个验证性实验项目，依次是岩石的单轴压缩、三轴压缩、巴西劈裂、点载荷和刚性实验机演示[3]。因为学生人数比较多，实验设备比较少，供不应求，这样就会导致一部分学生无法完成实验，操作技术不过关。教研室本着教学改革新思路，把培养学生实验技能放在首位的想法，将计算机应用在教学当中，通过幻灯片与实际动手操作，一虚一实，让学生勤于动脑，善于思考，提升操作技能和创新能力。在实验教学中，利用近期的数值模拟软件，对岩石的变形与破坏过程进行演示实验和数值实验，培养学生的变通能力，这种教学方法易于操作，既方便又灵活，让学生学到在常规实验室里学不到的知识与体验。

四、搭建研究型实践平台

在岩石力学以及实验课程教学中，学生一定要掌握岩石力学的知识体系，并且能够利用这些理论知识解决工程实际问题。因此，在现版的岩石力学教材大纲中，就将岩石力学研究型实践方式分为课堂实践型和课外项目型两大类型。在课堂实践型实践中，老师要充分利用好课堂时间，给学生讲解更多的施工案例；课外项目型实践，老师充分给予学生指导，让学生参与到指导教师的纵向项目中，让学生参与到科研项目研究中[4]。

（一）课堂实践型研究平台

1.工程情景教学法。老师在课堂教学中，讲解理论知识的同时，联系实际工程问题，讲解一些学生所熟悉又不注意的工程现象，将理论与工程相结合，在工程背景下，讲解岩石力学教学内容，把教学内容与工程设计和稳定性分析等联系起来，让学生学会知识的迁移，在原有知识理论的基础上，对知识进行融合和创新的应用，对岩石工程的基本原理、基本概念和计算方法掌握得更加熟练。同时，还能够活跃课堂氛围，让学生集中注意力，将整节课的时间都认认真真的参与到课堂当中。

2.问题模式教学法。岩石力学在数值模拟方法上，具有通用性强和可重复的特点，因此老师可以帮助学生，在课程开始的时候，就创设一个自己感兴趣的数值模拟题目（可以利用FLAC、UDEC、3DEC、PFC等软件），让学生带着问题去学习，能够提高学习效率和教学效果。在课程环节设计中，要把握住知识点的深度和广度，让学生学习目标更为明确，积极性更加高涨[5]。

（二）课外项目型研究平台

1.任务书型实验。传统的实验教学中，都是老师结合自己的经历和经验，培养学生对工程实践的能力。而任务书型实验，是老师根据实际需要，联系教材内容，选择与工程密切相关，并且具有一定难度的实验项目，让学生根据实验的目的和实验的要求，通过自主学习来完成实验项目。这种教学方法，给学生树立了工程实践的意识，让学生具有创新型的思想，将创新意识应用在实验中，培养了学生的实验操作技能，让学生能够真正的解决岩石力学中的实际问题。

2.项目型研究。老师可以鼓励学生以小组的形式进行项目研究，向学校申请资金补助，进行创新型的项目研究。学生在研究过程中能够将岩石力学课程中的内容应用在实验中，不仅培养了学生动手操作的能力，还培养了学生独立自主的意识和团结合作的精神。

五、结束语

通过教学改革，岩石力学课程及实验教学环节满足了不同层次学生的学习需要，教学重点突出，教学内容具有针对性。总而言之，通过创新的思路与改革，不断地完善该门课程实验教学与基础课程教学，培养学生各方面的潜力，培养出社会所需要的工程复合型人才。

岩石力学论文:温度对常见岩石力学特性的影响规律

摘 要：本文对砂泥岩和石灰岩在常温及经历100℃～800℃温度作用后的力学特性进行试验研究，考察了三种岩石在加温后的峰值应力、应变、弹性模量随温度的变化特征，并对其高温劣化机制制作了探讨。研究结果表明：砂岩在常温～200℃内，峰值应力、应变呈下降趋势，弹性模量变化不大，而在200℃～600℃内，峰值应力、应变呈上升趋势，弹性模量变化不大，在T>600℃后，峰值应力与弹性模量都急剧下降，峰值应变略微上升；泥岩峰值应力、应变和弹性模量在常温～400℃内都呈上升趋势，在400℃～700℃内下降，而在T>700℃后又回升；石灰岩的峰值应力、应变和弹性模量在常温～200℃内，随温度的升高缓缓下降，在200℃～600℃内变化不大，当T>600℃后，峰值应力与弹性模量都急剧下降，峰值应变急剧上升。温度引起的热应力作用、矿物组分和微结构变化导致砂岩力学性质发生改变与高温劣化。

关键词：高温作用；力学特征；砂泥岩；石灰岩；弹性模量；矿物成分

1 引言

高温环境下的岩石工程问题，已成为岩石力学发展的新方向。国内外学者对此展开了大量的研究，并已取得相应的研究成果。张连英等采用电液伺服材料力学试验系统对常温～800℃高温作用下大理岩、石灰岩、砂岩的力学性能进行了研究，考察了三种岩石的全应力-应变曲线，给出了其峰值强度、峰值应变、弹性模量E随温度的变化特征；李明等人利用MTS652.02高温炉与φ50mm分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统，对800℃加热后的砂岩试样进行单轴冲击压缩试验，分析了17.904～62.600s-1应变率范围内砂岩动力特性的变化规律；秦本东等利用自行研制的岩石加温装置和MT-150C岩石力学试验机，对石灰岩和砂岩试样高温后的力学特性进行了试验研究；谌伦建等人采用偏光显微镜、扫描电镜及岩石力学试验系统等仪器设备研究了煤层顶板砂岩在常温到1200℃范围内的力学特性和破坏机理；查文华等利用RMT-150B岩石力学试验系统和GD-65/150高低温环境箱，对经历不同温度后煤系泥岩的力学特性进行试验研究，分析不同温度下煤系泥岩的应力-应变全过程曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量、变形模量以及泊松比受温度的影响；刘瑞雪等人利用MTS810电液伺服材料试验系统以及高温炉MTS652.02，在常温（25℃）～800℃条件下对泥岩试件进行了单轴压缩实验，分析了温度对泥岩的应力-应变曲线、弹性模量、峰值应力及峰值应变的影响。但在已有的研究中，有关高温下砂泥岩和石灰岩岩石力学性质的对比研究和作用机理研究鲜为少见。

本文研究了温度分别为20℃、100℃、200℃、400℃、600℃、700℃、800℃七种温度循环后，砂泥岩和石灰岩试样的峰值应力、峰值应变与弹性模量的变化情况，并对温度引起的热应力作用、矿物组分和微观结构变化导致砂泥岩和石灰岩力学性质发生改变与高温劣化进行了具体探讨。

2 实验设备与实验方法

2.1 实验原料

实验中制备所使用的岩样见表1。所用的实验仪器主要包括：JA1103型电子天平，其较大称重1100g，最小称重0.001g、S-2000N型扫描电镜，扫描电压20kV、MTS系统公司生产的MTS 810材料测试系统该机配有高温环境炉MTS 653.04，其温度控制范围为100℃～1400℃，精度±1℃，升温速度100℃/min，达到较高温度时间小于15min。

2.2 实验过程与方法

试验过程如下：

（1）试验前，对所有岩样进行编号，量测各岩样的质量和几何尺寸；

（2）对各类岩石按温度段分组，每组4个岩样，若某组试验数据离散则增加测试岩样数量；

（3）对高温后破坏的岩样，在加温后自然冷却至室温下进行几何尺寸和质量量测；

（4）在室温（20℃）及不同温度下对所有岩样进行单轴压缩全过程破坏试验；

（5）选择不同温度下的部分破坏岩样进行扫描电镜观测；

（6）记录测试过程并对试验结果进行整理、分析。高温下单轴压缩试验采用位移控制模式，变形速率均为0.003 mm/s。

3 实验结果与分析

分析砂泥岩及石灰岩单轴压缩试验中保存的轴向荷载、轴向位移数据，可以得到温度作用下泥岩单轴压缩试验的全应力-应变曲线，利用应力-应变曲线上达到峰值应力前的近似直线段，可以得出泥岩切线弹性模量E，同时获得泥岩试样的峰值强度。

3.1 温度作用下岩石峰值应力与应变的变化特征

高温作用下砂泥岩和石灰岩的峰值应力随温度的变化情况如图1所示。从图中可以看出，随温度的升高，砂岩的峰值应力经历了先降低再升高再降低的过程，600℃时到达峰值应力200MPa，且波动幅度较小，泥岩的峰值应力经历了先增加后降低的过程，400℃时达到峰值应力250MPa，涨幅波动大，石灰岩的峰值应力在20℃～700℃保持基本在100MPa，700℃后剧烈降低。

高温作用下砂泥岩和石灰岩的峰值应变随温度的变化情况如图2所示。从图中可以看出，随温度的升高，砂岩的峰值应力经历了先降低后增加的过程，200℃时达到最小应变7.256×10^-3，泥岩的峰值应力经历了先增加后降低再增加的^程，室温时为最小应变6.456×10^-3，石灰岩的峰值应力在600℃前基本在7×10^-3左右小幅度波动，随后剧烈增加。

经过分析，我们得到以下结论：

（1）温度在20℃～200℃内，由于砂岩内的矿物颗粒变形的调整过程，会使岩石内部产生少量裂缝，致使峰值应力与应变均有所下降，在此阶段温度对砂岩的力学性能具有削弱作用；在200℃～600℃时，由于砂岩部分矿物发生热熔效应，导致砂岩内部一些裂缝愈合，裂缝数量开始呈下降趋势，使得砂岩的峰值应力与应变有所回升，强度增加；但温度高于600℃后，砂岩内部矿物组成发生转化，开始脱水、结晶，发生一系列复杂的化学反应，使得原始内部结构被破坏，导致整体强度降低。

（2）温度在20℃～400℃时，泥岩的峰值应力呈明显上升趋势，可见此阶段高温对泥岩强度的提高起着显著的作用，一般情况在泥岩中都存在着大量水和气体，通过温度的升高，气体和水分挥发而降低了岩石颗粒之间的润滑作用，从而使泥岩试样的峰值应力与应变提高，增强了岩石强度；在400℃～700℃时，此阶段由于高温作用，大大破坏了泥岩试样的内部结构，使矿物部分熔化导致强度降低，失去承载能力；当温度高于700℃后，泥岩结构已经损坏，其强度变化基本保持不变。

（3）温度在20℃～700℃时，石灰岩的峰值应力与应变基本保持不变，此阶段石灰岩内生物化石与矿物成分CaCO3虽然分解但对分解量相对较少，对石灰岩强度的影响不大；但在温度高于700℃后，矿物成分发生化学反应，在加热过程中分解生成了CaO等氧化物，导致矿物表面不断被腐蚀破坏，导致整体强度急剧下降。

3.2 温度作用下岩石弹性模量的变化特征

图3所示为砂泥岩与石灰岩的弹性模量随温度的变化关系曲线，图中可以看出，砂岩与石灰岩在600℃内弹性模量缓慢下降，600℃后降低的幅度增加，泥岩在400℃内弹性模量增大，400℃到达较大弹性模量23.94GPa，而后就会不断降低。

经过分析，我们得到如下结论：

（1）高温时，砂岩与石灰岩矿物颗粒热膨胀系数不同导致颗粒之间产生拉应力或者压应力，当热应力超过颗粒之间接触力时，就会产生裂纹，裂纹扩展加宽后，岩石变形增大，导致平均弹性模量逐渐降低。

（2）泥岩在400℃内时，高温会脱去矿物之间的结晶水分，减少矿物间的间距，从而增大弹性模量；而在温度高于400℃后，水分已经基本脱完，其作用机理与砂岩相似，导致其弹性模量迅速降低。

4 结语

（1）随着温度的升高，砂岩内矿物成分会产生裂缝，随后发生热熔效应，导致裂缝愈合，使裂缝数量减少，当温度过高时，其内部矿物结构就会发生转化，原有结构被破坏，导致整体强度降低。

（2）温度在较低情况下的变化对石灰岩的影响较小，只能使坚固的CaCO3矿物少量分解，但当温度高于某极限温度700℃后，CaCO3矿物会分解成CaO矿物，导致岩石表面不断被破坏腐蚀，导致整体强度急剧下降。

（3）泥r中含有大量的水分和气体，当温度上升时，其水分会挥发掉，使岩石强度略有增加，但随着水分的挥发完毕，高温就会熔化泥岩的内部结构，导致整体强度降低。

（4）吸附水的脱失、矿物晶体的转变、结晶作用等都是影响砂岩力学性质与高温劣化的根本原因。

岩石力学论文:岩石力学虚拟实验系统的开发

[摘要]针对岩石力学中三大基础实验,利用Flash软件及其编程技术开发的岩石虚拟实验系统,突破了时空的限制,把实验设备、教学内容、教师指导和学习者的思考及操作有机融合为一体,探索了岩石力学实验教学的新模式。

[关键词]岩石力学 虚拟系统 Flash

近年来,随着国内各高等学校招生规模不断扩大,给高校实验教学造成了一定压力,学生人均实验次数明显减少。为解决上述问题,支持我校岩石力学精品多媒体课程建设,本着创新和探索精神开发了此实验系统。从当前国内外教学方式来看,多媒体教学势必成为以后教学的主要方式。因此,精品多媒体课程处于大量紧缺之中,虚拟实验系统有着很好的应用前景。

本系统利用Flash软件及其编程技术作为主要工具开发了此实验系统。Flash软件是美国Macromedia公司开发研制的一种矢量动画制作软件,矢量动画的优点是:文件体积小,图像清晰,任意放大和缩小图像不矢真,便于网络传输,Flash集成的ActionScript(动作脚本语言)使动画具有很强的交互性。同时,Flash软件对图形具有良好的控制能力,在动画中图形可根据鼠标的操作和程序设定作出相应的变化,如移动、鼠标响应、鼠标拖动等。

一、系统开发目标

岩石力学是一门实践性和理论性很强的课程,由于受教学的课时限制,不可能让每个学生都能进行实验操作,造成教师和学生在讲授、学习本课程实验时都有一定的困难。加之目前实验设备和资源的不足,因此开发网络虚拟实验系统事在必行,同时网络虚拟实验系统可以实现资源共享,便于远程学习与交流。更重要的是它打破了时间、地域的限制,使人们可以不受时间和地域的影响进行学习与交流。

开发该系统的目标是:尽可能采用近期的计算机多煤体技术,将文字、图像、动画等相结合,使岩石力学的大部分章节的实验原理、实验过程等课堂上不易讲授的内容在计算机上显示出来,使之成为岩石力学与工程课程教学的重要辅助手段,以缩短教学时间,提高教学质量。

二、开发设计过程

该虚拟实验系统包括四个部分:岩石单轴压缩虚拟实验、岩石单轴抗拉强度虚拟实验、岩石点载荷虚拟实验和岩石三轴压缩虚拟实验。其中每个实验又分为六个部分:实验原理、实验目的、实验仪器及设备、实验演示、实验操作和数据分析。内容详细分明,严格按照实验过程进行阅读和操作。能够真正使实验者在网上学习到实验的操作规程和步骤,并能亲自在网上模拟实验室中的各种现场操作。

实验原理,实验目的和数据分析都属于文字与图表的说明性板块。在制作中将相关文字与图表逐桢添加,然后有控制地逐桢显示。

实验设备与仪器中要添加仪器图片,并能使用户有选择性地查看相关仪器图片说明。这里我们运用了Flash中的ActionScript编程语言,实现了鼠标响应事件,使用户通过鼠标操作就能够有选择行地查看图片,正确的认识和使用实验仪器。实验演示的制作用到了Flash中的动画编制功能。首先,依照真实仪器设备创建简单的虚拟实验模拟设备模型;然后,按照实验操作规程,一步一步地将实验过程以动画的方式完整地演示出来,并加入文字注解说明,将操作步骤和相关注意事项同步显示出来。在动画演示的时候留有足够的时间间隔,使用户能够了解实验的每一个操作步骤和注意事项。实验操作用了鼠标响应功能来控制实验进程。同时,为了确保用户在提示下能正确的操作,我们用影片剪辑和按钮剪辑相互封套的方式实现模块间的对话。这样,系统就可以自己检查用户的操作,只有操作正确才能进行下一步,使用户能够真正掌握实验步骤和注意事项。

三、关键技术与编程实现

实验操作板块的开发是整个虚拟实验系统重点和难点。在这个板块里,需要用户自己亲自操作虚拟实验设备,并且关键是要能够实现系统的自检核对功能,保障用户实现正确操作。这里用到了较多的ActionScript编程语言,鼠标响应,拖动,按钮控制,模块内部和模块之间对话等操作。例如,在虚拟岩石单轴压缩实验中,需要实验者将岩石试件放入实验用的液压设备中,在此过程中用到的动作脚本语言为:

四、开发设计结果

按照预期的目标,将每个虚拟实验系统分为六个模块:实验原理、实验目的、实验仪器及设备、实验演示、实验操作和数据分析。其中的实验原理、实验目的和实验数据分析,经过资料收集与整理,内容详尽分明。确保了使用者在网上能够真正学习到实验的操作规程和步骤,并能亲自在网上模拟实验室中的各种现场操作。在开发制作过程中,实现了文字和图形的动态变化和显示,图形和文字的模块化,模块和模块之间的对话控制,还实现了响应鼠标,自动控制,判断和传递信息等交互功能。

五、结语

此系统开创了岩石力学实验教学的新模式,为岩石力学实验改革提供了有力工具,实现了实验教学内容在时间和空间上得到延伸;达到了进行开放性教学模式的目的,实现了远程教育的功能;解决了我校扩招后给岩石力学实验教学带来的压力;培养了学生的创新思维与思考能力。

岩石力学论文:利用沉积特征估算含煤地层岩石力学参数的一般性探讨

摘要：本文提出利用沉积特征作为界定岩石力学参数标准本文提出利用沉积特征快速界定相关岩石力学参数的新方法，对矿区煤层顶板岩石力学参数的界定具有一定的实用价值。

关键词：含煤地层；沉积特征；岩石力学参数；抗拉强度；抗压强度

含煤地层岩石力学性质直接决定了矿井围岩的稳定性[1]，只有掌握岩石的力学性质才能控制好井下巷道及工作面围岩的稳定，为煤矿开采提供安全保障。因以往的勘探资料没有相关的力学参数，要搞清楚某地层岩石的力学参数，须重新勘探钻孔，做力学实验，时间长，费用大。

本文提出以影响岩石力学参数性质的沉积特征作为主要研究对象，提取出以岩石的粒度、填充胶结物的比例、孔隙情况、节理发育等，作为判断岩层力学参数的主线，以埋藏的地质年代、埋藏深度作为修订因子，在定性的基础上建立一种简单定量确定岩石力学参数的新方法。

一、岩层沉积特征的选择

煤层顶板与底板成岩环境的不同，岩层的各类参数也有一定的差异。沉积岩中最重要的特征是其成分、颜色、结构与沉积构造[2]，本文把沉积成岩中的对岩层力学特性影响较大、较易获取的四个参数提取出来作为判断岩层力学性质的沉积参数，参数如下：1、碎屑颗粒的粒度大小。在沉积成岩的过程中，在一定的范围内，粒度越小，岩层越密实，岩层的硬度等力学参数越大，为了简化描述，用大、中、小来进行表述，分别用1、2、3的数值进行量化。2、填隙物中胶结物的比例多少。填隙物由胶结物与杂基组成，胶结物对岩石的硬度与强度有强化作用，杂基对岩石有反方向的作用，所以，胶结物的含量多少可以作为衡量岩石硬度与强度的参数之一，用多、中、少来描述，用3、2、1来量化。3、孔隙结构。沉积岩层的孔隙间充填大量的气体或液体，孔隙的大小、多少直接影响岩石的硬度与强度，孔隙越大、越多，岩石的硬度等特征越小。可以用多、中、少来进行描述，用1、2、3进行数值量化。4、节理发育情况。沉积岩节理的发育情况也直接影响岩石的硬度与强度，节理越发育，岩石的强度与硬度越低，所以可以用不发育、中、发育来描述，用3、2、1来量化。

岩层沉积的四个特征，12个标量共同组成一个沉积特征量化体系。

二、含煤地层关键地层与关键参数的选取

1、含煤地层关键地层的选取。根据对采煤工作面具有重要影响作用的顶板作为关键层理论[3]和对具有直接影响关键层的判定方法[4]，由于对采煤工作面具有影响的岩层是有限的、可知的，并不是工作面上方的全部岩层，所有的判别方法，要对提供工作面周围的钻孔柱状图进行关键层的划分与力学参数的估算。

2、岩层关键力学参数的选取。对于一个岩层各类运动参数的计算主要来源于抗压强度、抗拉强度、抗剪强度[4]，所以本文选择三个主要强度参数为主要估算对象。

3、岩石的五级分类法。在对岩层三大参数估算过程中，每个参数都进行估计是不可取的，本文选用岩石的抗压强度为主要分类主线、以抗拉与抗剪强度为辅助分类的方法，把常用的岩石划为五个区间[5]，每个区间代表岩石的一类软弱强度（表1），这种分类方法，本文简称为岩石的五级分类。

依据岩石的五个级别，定性的对应较软、软、中、硬、较硬五种类型，从定量的角度，分别提取各自范围内的中值作为定量的取值标准。依据该中值，对岩层运动步距公式进行灵敏度分析[4]，能够满足工程实践的需求。

三、估算含煤地层岩石力学参数的算法

1、岩层沉积特征定量化取值。为了达到快速、定位岩层沉积特点，按照及时部分的论述，整理为表2。

2、沉积特征选取计算方法。根据表2提供的数据及岩层的岩性描述，确定各个特征的取值，然后依据公式S=A1×A2×A3×A4进行计算，式中A1―A4分别对岩层粒度、胶结物、孔隙、节理四个特征的取值，S为岩层的特征取值。

3、特征值S与五级分类的关联。据对鹤岗、峰峰、兖州、盘江矿区38个钻孔近200余层岩层的已知力学参数按照表2与公式1进行回归，得到表3的对应关系。

4、其他地质因子对岩石力学参数的影响。

(1)地质年代对岩石力学性质的影响。一般，地质年代越久远，岩层形成时间越长，岩石越坚硬。由于五级分类的力学参数大都从二叠纪取得，即以二叠纪对应第三级为基本标志点，按照地质年代先后，每移一纪，各中值向相同的方向移动10%。

(2)埋藏深度对岩石力学性质的影响。实践表明，岩层的埋藏深度达到一定数值时，岩层会发生蠕变现象。为了清晰的描述这一现象，本文建议，当岩层的埋深大于800米后，每增加200米，岩石的力学分级降一级，直至一级。

5、估算岩石力学的步骤。

（1）确定与此工作面相关的钻孔，提取钻孔的整体地质资料；（2）据确定支托层的方法[4]，确定主采煤层以上岩石的结构特性，圈定估算岩石力学性质所在的岩层；（3）对圈定岩层，仔细阅读钻孔柱状图的岩性描述部分，据表2，对四个沉积特征进行量化；（4）据表3的内容，初步确定岩石的力学分级；根据岩层的埋藏深度，据3.4.3的方法移动岩石分级；（5）判断该钻孔所处的地质构造情况，按照3.4.2的方法移动岩石分级；根据岩层所处的地质年代，按照3.4.1的方法修订取值岩石分级后的中值取值；（6）确定该岩层各力学参数的取值。

四、实例验证

1、峰峰矿区一岩层力学参数估算。石炭纪太原组一细粒砂岩，厚9.78米，埋藏深度620米，岩性描述为：灰绿色，中粒成分以石英为主，砂质胶结，分选好，中央紫色，含赤铁矿结构的泥岩。

该岩层按照表2所描述，沉积特征取值如下：A1=2，A2=3，A3=2，A4=1；按照公式得S=12；划分为第三级，即该细粒砂岩的抗压强度取值为90Mpa，抗拉强度的取值为10Mpa，抗剪强度的取值为32Mpa，该岩层处于石炭纪，各参数移动为：抗压强度取值为99Mpa，抗拉强度的取值为11Mpa，抗剪强度的取值为35Mpa，该岩石在实验室做的力学参数为：抗压强度取值为92.4Mpa，抗拉强度的取值为12.21Mpa，抗剪强度没有测定。实例表明，估算的岩石力学参数误差符合在工程实践的需求。

五、结论：任何一种岩石的力学性质都在很宽的范围内变化，这些变化对工程设计及围岩稳定性评价造成困难。因此，本文试图通过利用对不同岩石的沉积特征进行定性的判断，寻求一种以少量的简单测量便可估算岩石强度和其它性质的新方法，通过试验证明该方法是可行、有效的，在粗略估算岩石力学参数方面有一定的进展。作

岩石力学论文:岩石力学课程的教学改革与实践

岩石力学是研究岩石力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应的力学分支，”它是为采矿工程、岩土工程、地质工程以及水文工程等专业开设的基础课。学生对该课程的掌握和应用具有一定难度。因此，在岩石力学教学中通过改革教学内容和实践环节，体现岩石力学作为基础学科内容的完整性和采矿专业基础的实践性，引导和推动学生积极地投身到岩石力学的研究型学习中去。

最近几年，我们积极承担了河南省教育厅“岩体工程力学课程教学内容和实践环节的整体优化研究”、“岩石力学CAI及网络教学系统研究”以及河南理工大学SRTP4“岩石力学虚拟实验系统开发”、SRTP6“岩石力学考试系统开发”等多项岩石力学课程的教学改革项目，课题研究取得了一些成果。

一、改革的指导思想和内容

结合上述教学改革项目，我们首先对国内外同类学科高校进行了调研，发现国外高校开设的岩石力学课程教材更新速度快，十分注重实验和工程应用，专门增设有计算岩石力学课程方面的内容，将FLAC、UDEC和PFC等数值计算软件应用到教学实践环节中。而国内高校的原煤炭院校岩石力学教材更新十分缓慢，教学和教材在不同程度上存在重理论、轻应用、实验内容陈旧等问题。学生很难从课程的大量数学推导中挣脱出来，做到学为所用。因此，我们围绕以下原则进行改革：

1　突出“三基”。岩石力学依赖于弹性力学和数学的基础知识是不能改变和动摇的，教师要通过改变教学方式来增加学生对基础知识的学习兴趣，使学生扎荬掌握基础知识才可能更好地学习好岩百力学课程相关内容。

2　编好讲义。一本好教材和讲义是取得出色教学效果的基本保障，因此，把编苷具有采矿工程特点的、体现岩石力学原理和近期技术发展应用的成熟讲义是教学改革的重点。

3　创新教法。改革教学方法，对教学内容和实验环节进行整体优化，课堂教学使用多媒体教学方法和CAI课件，适当结合工程实践案例，增加课堂教学信息量，提高学生的学习兴趣。

4　体现特色。构建适用采矿工程专业的相对稳定的教学内容体系，满足不同层次学生的学习需求。

从力学研究和对力学规律认识的整体情况来说，工程实践是检验理论正确与否的标准，力学的教学也应该基于工程背景而展开，使理论教学与工程应用训练同步进行，才能培养出国家需要的力学与工程型人才。通过岩石力学的教学内容和实践环节内容的创新，构建了“一主体两平台”的研究型学习模式。“一主体”是指以课堂教学和实验为主体，“两平台”是指研究型学习和研究型实践两个平台。在课程内容、教学方法、实验环节等方面大胆创新，让学生在学习过程中感受工程环境、参与工程实践，得到有效的工程训练。

二、构建研究型学习平台

我们提出的岩石力学“二段制学习模式”，将课程分为既有关联、又相互独立的两部分，对教学大纲、实验大纲和考试大纲都做了相应的调整。及时部分是弹性力学、岩石力学基础(包括实验)，60学时，以基础知识的研究型学习为主，强化弹性力学和岩石力学的“三基”(基础理论、基本知识、基本技能)，第二部分以应用和研究型工程实践锻炼为主，4学时。总学时数由56调整为64学时。

1　用近期的教学内容启发学生的思维。学生的学习在很大程度上依赖于教材或参考书的帮助。教学内容的调整，注重将工程素质的要素转化为具体的教学内容和教学活动，强调科研促进教学，形成贴近工程实际的教学内容。

2　用计算机仿真实验来优化实验教学环节。目前岩石力学课程实验大纲为学生开设了岩石的单轴压缩、三轴压缩、巴西劈裂、点载荷和刚性实验机演示5个实验项目，都是验证性实验。由于学生人数的逐年增加，实验场地、仪器设备严重不足的矛盾更加突出。实践教学改革的思路是：把培养学生实验技能放在首位，虚拟与现实相结合，动手与动脑相结合。

(1)增加实验模块调整实验教学大纲。我们把实验教学由6到调整学时10学时，分为两个模块。模块I为岩石力学参数实验，保持原有6学时的教学内容，其中验证胜实验为4个学时，综合实验为2个学时，同时实验室对学生实行开放，鼓励有余力的同学课后自己设计实验；模块Ⅱ，增加数值模拟演示实验4学时。改革后的实验课把引导学生学会科学的思维方法放在首位，实验教学安排上注意保持了实验的科学性、先进性和基础性，同时也注意培养学生的创新精神。

(2)用Flash建立的岩石力学的虚拟实验系统。这样使学生可以随时将网络上虚拟的岩石力学实验需要的各种仪器设备，按每个实验要求、过程组装成一个完整的实验系统，在虚拟实验系统上完成整个实验，包括岩石试件的添加、实验条件的改变、数据采集以及实验结果的模拟、分析等。虚拟实验系统真正实现了文字和图形的动态变化和显示，图形和文字的模块化，模块和模块之间的对话控制，还实现了响应鼠标，自动控制，判断和传递信息等交互功能。由于有了岩石力学虚拟实验系统，课前学生在网上就可以学习岩石力学实验的操作规程和步骤，并亲自在网上模拟实验室中的各种实际操作。通过仿真实验预习，减少了实验教师的课上重复性讲解，增加了学生实验室操作动手时间，实验效果明显提高。

(3)应用RFPA软件进行岩石力学数值模拟实验教学。由于岩石破裂过程现象的复杂性和岩石介质的复杂性，在模块I的岩石力学教学实验过程中，学生很难通过大量重复性实验看到岩石破坏的各种类型的复杂现象。我们利用东北大学开发的岩石破裂过程分析系统RF-PA(Rock Failure Process Analysis)教学版，增加了模块Ⅱ的实验教学环节，对岩石力学实验进行辅助教学，使学生参与教学活动的主动性、创造性大为增强。

随着现代计算机技术的发展，利用计算机对岩石的变形与破裂过程进行数值试验，不仅具有通用性强、方便灵活、具有可重复性等特点，而且可以通过数值试验得到许多在常规实验室试验中难以观测的重要信息，作为岩石力学实验教学的重要补充，达到岩石力学实验辅助教学的目的。但是，模块Ⅱ数值试验的应用并不能取代模块I实验室实验。这是因为数值试验时我们仍然需要提供岩石的细观力学参数等信息，而且只有在证明数值试验方法正确的基础上才能使用它进行岩石力学的数值试验。

3　搭建研究型学习的岩石力学CAI课件和网络教学系统。计算机辅助教学CAI在岩石力学教学中的大规模使用是一项既先进有效又充满挑战的活动。岩石力学CAI网络课件涵盖所有课程的讲授内容、习题、数值模拟测试以及相关实验等，增加了考试系统模块，同时开通了网络答疑，加强了教师与学生的互动与

沟通，既可以解决学毕存课堂以外对岩石力学课程的学习，又可以使学有余力的学生更进一步地学习本门课程。

三、搭建研究型实践平台

一般的学生掌握的岩石力学知识体系是十分必要的，对于学有余力的学生，他们最关心的是如何利用所学知识去解决工程实际问题。因此，在岩石力学新教学大纲的修订时，把岩石力学研究型实践方式分为：课堂实践型和课外项目型。在课堂实践型实践中，教师要利用好课堂时间，用不同的教学方法增加工程案例；课外项目型实践，则指在教师的指导下，学生充分利用课后时间参与科研项目研究。

1　课堂实践型研究平台。(1)工程情景教学法。在课堂中列举学生熟悉的一些工程中常见问题或现象，把岩石力学教学内容的讲解融于工程背景之中，与工程设计、稳定性分析等联系起来，学生在学习岩石力学时就会发生学习迁移，更容易加深对基本原理、基本概念和计算方法的掌握。这一教学法不仅可以使抽象的力学知识通俗化、形象化，还可以活跃课堂气氛，提高学生学习积极性。

(2)问题模式教学法。考虑到岩石力学数值模拟方法在解决岩石力学问题时具有通用性强、可重复性等特点，感兴趣的学生在老师的帮助下，在课程初期就确定一个自己感兴趣的数值模拟题目，然后带着问题进行课程学习。课程的每个环节都使学生对问题的认识深入一步。这种教学方式，虽然加大了教师的工作量，但学生的学习目标明确、积极性高、理解和接受快，得到了意想不到的教学效果。

2　课外项目型研究平台。(1)任务书型实验。综合型实验注重对学生工程实践能力的培养，结合教师从事的部分研究项目，由教师设计选择一些与工程实践紧密联系并具有一定难度的实验项目，将实验目的、实验要求以工程任务书的形式下达给学生，学生通过一段时间的预习，查阅资料，并进行分组讨论，明确实验原理、方法和步骤，组织实验方案的实施，经过动手操作，完成实验任务。任务书型实验与工程实践应用紧密联系，使学生们树立了工程意识，通过亲自设计和实验，使学生掌握针对具体实验的设计思想和操作技能，提高了学生分析和解决问题的能力。

(2)项目型研究。积极鼓励学生以小。组的方式申请学校提供的基金资助项目，由学生自己设计的岩石力学科研工程项目；或者学生参与以老师名义立项的有岩石工程背景的SRTP项目。学生在研究过程中以项目为主线贯穿始终，将岩石力学课程中的知识点融入到项目中，完成项目，教师以学生完成项目的质量来评定学生的设计效果，有效地锻炼了学生运用科学知识与方法解决实际问题的能力、团结协作的能力以及独立工作的能力等。

四、课程改革的效果

1　满足了不同层次学生的学习需要。研究型学习平台既照顾到采矿工程专业一般学生系统学习岩石力学基本知识的需要，又可使学有余力的学生在较短时间内通过CAI网络课程、研究型的实践平台，了解岩石力学工程问题的研究方法，掌握数值模拟的方法，实用性强。

2　近期研究成果应用于教学实践广受欢迎。本课程在引入了目前岩石力学研究近期研究成果，将近年才使用成熟起来的FLAC、RFPA和UDEC等数值模拟软件应用于教学实践中，这是学生认为最有收获之处。

3　突出重点教学针对性强。本着有所为、有所不为的原则，分工清晰，重点明确，课程只介绍岩石力学发展成熟且应用广泛的理论和方法。

岩石力学论文:数值模拟结果演示推进岩石力学课堂教学

摘 要：岩石力学课程的理论性比较强，单靠书面的讲解，学生难以深刻领会，需要丰富授课资料。通过对课程中的相关问题进行数值模拟并将结果演示于教学中，有助于课程教学效果的提升，使学生了解到更多岩石力学领域的知识和信息，进一步加深了对岩石力学概念和相关知识点的认识和理解；通过数值模拟结果演示资料的补充，极大改善了课程内容难懂、难以深入和授课资料不丰富、不直观、不等问题，极大地激发了学生学习和投身科研的兴趣，使学生理论水平和创新思维大幅提高，并开阔学生的视野；数值模拟也是岩石力学实验教学的有益补充，为实验教学打下良好的基础。

关键词：数值模拟；演示；岩体力学；课堂教学；围岩

岩石力学是采矿工程、水利水电工程、铁道工程、公路工程、岩土工程、地下工程等众多学科的专业基础课，是促进这些学科和相应工程不断发展的原动力[1]。因此岩石力学课程的重要性不言而喻。由于岩石力学课程的理论性比较强，单靠书面的讲解，学生难以深刻领会，要更好地加深学生对理论和现象的理解以及拓展学生的视野和增强其创新力，需要丰富的授课资料(样本、图片、视频影像等)。

资料的获取可以由实验室实验的相关成果获得，但物理模拟实验费用高、周期长，岩石或围岩内部的监测也相对复杂，要根据实验室的条件进行，很多情况目前还难以实施，因此资料相对有限。资料也可以通过现场获取，这样就使学生有了比较直观的认识，但学生对理论和现象的理解毕竟有限，随着数值方法以及计算机技术的发展，数值模拟技术可以进行岩石试样、围岩等变形及破裂过程的数值试验并将其应用于课堂教学中。通过数值模拟不仅克服了实验室实验和现场资料获取的缺点，而且还能得到许多在实验室和现场难以观测到的与授课理论讲解、分析有关的重要资料。

通过演示数值模拟结果的方式展开教学，激发了学生的学习兴趣，加深了对岩石力学理论的正确理解，拓宽其思维空间，使学生的理论水平和创新思路得到明显提高。

黄明奎[2]基于岩石力学理论教学与实验教学的基本情况，分析研究了实验教学现状及存在的问题，提出了实验教学体系改革的初步方案及思路。张义平等[3]针对岩体力学课程的教学，重点对基于岩石破坏过程分析数值模拟系统RFPA教学版的数值实验教学相关内容进行介绍。课堂教学数值模拟实验多媒体课件的制作是最关键的问题[4]，我们通过课堂教学中引入数值模拟并实现岩石力学领域重点、难点知识的全过程模拟演示，达到了激发学生的兴趣和创新思维的目的，加深了学生对岩体力学相关知识的正确理解和解释，使学生的水平大幅度提高。

1 数值模拟及演示资料制作

应用于岩土工程领域的数值模拟软件有很多，如FLAC3D，ANSYS，UDEC，RFPA等，可根据适用范围和学校自身条件来选择。RFPA由东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发，能模拟岩石在受载过程中其内部微细破裂产生到不断发展并导致最终宏观破裂的过程，是一种运用连续介质力学方法解决非连续介质力学问题的新型数值分析方法，具有应力分析和破坏分析两大功能[5]，该软件可模拟岩石试件加载、巷(隧)道破坏、顶板冒落、地表沉陷、岩层移动、开挖与支护和岩石的声发射等。综上所述，就岩石力学课程而言，用RFPA软件进行数值模拟并将其结果演示与分析运用于课堂教学是非常适宜的。

数值模拟及演示资料制作过程：

(1)根据授课内容并结合软件适用范围，分项进行数值模拟(包括建立数值模型、确定边界条件和控制条件、计算及结果分析等)。

(2)根据分项进行数值模拟的结果，编制相应的破裂演化过程图集(应力图、声发射图等，或者该部分直接通过软件本身所具备的幻灯演示功能进行)、应力应变关系图、单元应力变化规律曲线等，制作演示多媒体课件。

(3)应用于课堂教学讲授与分析。

2 应用实例

2.1 单轴压缩试样破坏过程演示

岩石的力学性质部分在岩石力学课程中占有重要的地位。图1为数值模拟岩石试样的单轴压缩破坏过程的部分剪应力图。从图形中可以清晰地看出岩石破裂演化的全过程，通过对岩石试样单轴压缩破裂演化过程的演示，使学生对岩石破坏形态的认知、理解由懵懂到豁然，同时也增强了学生对岩石破坏演化机理探索的兴趣，极大地提高了学生的学习积极性和教学效果。图2为相应的数值模拟岩石试样的单轴压缩应力随加载步的变化关系，通过相应的曲线加深学生对破裂演化过程与应力应变之间关系的认识和理解，也使学生在很多问题的认知上变得容易，一定程度上升华了学生对岩石力学理论的认识，提高了授课效果。

图1 数值模拟岩石试样的单轴压缩破坏过程

图2 数值模拟岩石试样单轴压缩应力随加载步的变化关系

2.2 圆形隧(巷)道围岩 破裂演化过程及应力场变化演示

图3为数值模拟圆形隧(巷)道开挖后的围岩破裂演化过程部分声发射和剪应力图，声发射表明单元破裂，从图形中可以清晰地看出开挖后的围岩声发射情况及其发生发展的全过程，根据剪应力图可以得出应力集中的变化规律和破裂演化的情况，通过软件可以选取某单元进行单独分析，根据单元的应力和位移可做出整个过程的变化曲线，通过对整个演化过程的演示，使学生对围岩破坏及应力场的变化有了新的认知和理解，并能使学生了解到更多的与围岩破裂有关的信息。

图3 数值模拟圆形隧(巷)道围岩破裂演化过程

数值模拟技术已趋于成熟并在工程和科研中广为应用，通过对岩石力学课程中的相关问题进行数值模拟并将结果演示于课堂教学中，有助于课程教学效果的提升，能够使学生了解到更多岩石力学领域的知识和信息，进一步加深其对岩石力学概念和相关知识点的认识和理解；通过数值模拟结果演示资料的补充，极大改善了授课内容的难懂、难以深入和授课资料的不丰富、不直观、不等问题，极大地激发了学生学习和投身科研的兴趣，使学生理论水平和创新思维大幅度提高，使学生知识结构的高度和宽度不断延伸，开阔了学生的视野，提升了其解决和处理问题的把握能力；数值模拟也是岩石力学实验教学的有益补充，将为实验教学打下良好的基础。

岩石力学论文:浅析岩石力学试验新技术和新设备

【摘要】本文结合近期的岩石力学测试技术，介绍了岩石力学测试技术的试验方法和设备，包括岩石分类回弹试验、岩石耐崩解试验、岩石剪切试验、岩石三轴试验、岩石渗透性试验和岩石三轴流变试验，为岩石力学试验提供了新的方法和依据。

【关键词】岩石力学试验；三轴流变；力学

1 引言

随着人类社会的发展，矿业开采的深度越来越深，建筑物、水坝、地下硐室、露天开采等的规模越来越大，遇到的恶劣地质环境如不良岩体、断层破碎带、软弱夹层等也越来越多。岩石力学就是在这种背景下于近几十年内发展起来的一门学科。其研究目的，就是要了解岩石的物理-力学性能，查明工程岩体中的应力和变形状态，以解决国民经济建设中各工程部门所遇到的硐室、隧道、边坡、坝基等的安全和稳定问题。因此，岩石力学在地学领域中也占有重要的地位。岩石中存在着大量不同尺度的不连续面，如裂隙、节理、断层等。岩石的这些特点决定了岩石力学研究对象的复杂性。

人类对岩石的力学性状的认识是从试验开始的，岩石力学理论的形成、发展与试验方法息息相关。岩石的力学性态包括岩石在所处物理、化学环境下的强度、变形及其动力学特性和渗透性等。岩石力学性态的研究方法主要是现场和室内试验。现场试验有测量岩体原位变形性能和强度性能的承压板试验和剪切试验、现场三轴压缩试验和岩体渗透性试验等；室内试验有单轴压缩、三轴压缩、单轴拉伸、直接剪切、渗透试验等。现场试验在工程现场对岩体进行，室内试验在实验室内用规定尺寸的岩块试件在模拟的温、压条件下进行，在试件受力变形过程中测量其各种力学量之间的关系。通过试验可以测出岩体和岩块的弹性常数E、v和各种强度值，以及渗透系数k等。对实验数据进行处理和分析，可以得出岩石的破坏准则、屈服条件和表示应力、应变、温度、时间等之间关系的本构方程。目前对岩石较常用的破坏准则有库仑准则、莫尔准则和格里菲斯准则，屈服条件有特雷斯卡屈服条件、德鲁克-普拉格屈服条件、莫尔-库仑屈服条件等。至于岩石的本构方程，除了熟知的胡克定律之外，还有反映岩石弹塑性、黏弹性、粘塑性和粘弹塑性性能的诸多本构方程。

本文主要介绍了岩石力学测试的近期方法和相关仪器设备。

2 试验方法及设备

2.1 岩石分类回弹试验：岩石分类回弹试验用于岩石分类。通常将圆柱形的岩芯放在水平位置，锤击岩芯以获得回弹数据。可沿着芯的长度获取一系列数据以得到平均回弹值。

2.2 岩石耐崩解试验：目前国内外关于岩石崩解性的试验有两种：耐崩解性试验和普通崩解试验。耐崩解试验方法的规范主要有国际岩石力学学会（ISRM）1979年建议的方法和1999年的中国工程岩体试验方法标准（GB/T50266-99）中的耐崩解性试验方法，这两种试验规程大致相同，均是将试验样品在105℃-110℃下烘干2-6小时冷却，放入孔径为2mm的金属网圆筒中，置入水中以20r/min的速度转动10分钟，取出样品烘干称量，之后循环做一次，用原样品的烘干质量和残留样品烘干质量求出岩石耐崩解指数。

岩石耐崩解仪可以测量岩石由于干湿交替后，抵抗崩解的耐久性能。该设备包括一个装在基座上的驱动装置，该驱动装置以每分钟20转的速度带动2-4个鼓形试验箱。箱内注水，水位低于轴线20mm。试验箱体由2mm丝网制成，直径140mm，长度100mm。

2.3 岩石剪切试验：岩石的抗剪强度是岩石对剪切破坏的极限抵抗能力。通常采用快速直剪试验测定岩石的抗剪强度。此试验一般可测定：a.混凝土与岩石胶结面的抗剪强度；b.岩石软弱结构面（包括夹泥和不夹泥的层面，节理裂缝面和断层带等）的抗剪强度；c.岩石本身的抗剪强度。试验时岩石的含水状态可根据需要采用天然含水状态、饱和状态或其他含水状态。

岩石剪切系统（RSI）是通用的系统可以完成天然或人工岩石节理的固结和剪切过程，岩样直径较大达83mm。

该系统包括计算机控制的单元，该单元利用微步进马达来控制和施加垂直荷载和水平位移。内置的电子元件控制试验并实时显示数据。在近期的Windows平台下运行电脑控制的程序。程序可以显示近期的当前的状态并实时绘制试验过程的图形。系统也允许操作者在试验过程中的任意阶段改变试验过程和状态。

2.4 岩石三轴试验：岩石三轴压缩试验（简称三轴试验），实质是对处于三向受压环境中的地壳岩体的力学性状的一种模拟。相对于其它一些所谓的常规实验，三轴实验属较复杂的高级实验，它可以获取相应于岩体不同围压（或深度）的抗压强度、抗剪强度、弹性模量、泊松比，以及的凝聚力C和内摩擦角等数据。若使用三轴侍服压力机，还能得到应力-应变（σ-ε）的全程曲线，进而获得岩石的残余应力、长期变形数据等。这些都是一些重大工程建设、岩石力学和某些地学项目研究及应用中必不可少的重要参数。

W＋B提供的高刚度测试系统可以研究岩石的无侧向刚度压缩测试、三轴测试、弯曲测试、直接拉伸、压碎测试，研究岩石的无侧向刚度压缩测试、三轴测试、弯曲测试、直接拉伸、压碎测试、蠕变测试等。

在岩石力学测试领域，W＋B提供的高刚度测试系统的较大测试范围可以达到10000kN。W＋B还可以提供不同的稳压加强系统，数字式控制器提供附加的通道用于数据采集，以及多通道控制功能，此外还可以提供其他的岩石测试系统，以及各种制样工具。

使用W+B岩石三轴试验仪进行了岩石三轴试验。岩样采自石太铁路客运专线太行山隧道工程施工现场，为膏溶角砾岩。其外观多呈灰白至黄褐色，由角砾和粘土矿物胶结而成。经X射线粉晶衍射分析，主要矿物成分和含量为石英35%，方解石20%，伊利石15%，绿泥石15%，白云石10%，长石5%。岩样从施工现场封装运回后，采用干法加工成50mm×100mm的标准试件。

3 结语

本文介绍了岩石力学试验的近期进展和试验方法，以及相应的试验设备，为岩石力学试验提供了依据和参考。

岩石力学论文:浅析数值仿真技术对《岩石力学》教学的促进

摘 要:通过数值仿真技术,对岩石力学课程中相关章节中的具体问题进行分析,将计算分析结论与教材中的内容相比较,分析二者之间的相同之处或产生差异的原因。通过近两个学期的实践证明,采用该技术能够丰富课堂教学内容,提高学生学习岩石力学课程的兴趣与积极性。

关键词:岩石力学 教学 数值仿真技术

岩石力学是高等学校土木工程、水利工程、工程力学、采矿工程等诸多专业的必修课,是一门与生产实际紧密结合的课程。地下洞室是岩体工程中建造最多的地下构筑物,如公路和铁路隧道、地下厂房等。如何解决在建造地下洞室时所遇到的各种岩体力学问题,包括岩体的二次应力分布、围岩压力的计算等问题,将直接影响地下洞室的设计与施工工作[1]。

地下开挖之前,岩体中每个质点均受到天然应力作用而处于相对平衡状态。洞室开挖后,洞壁岩体因失去了原有岩体的支撑,破坏了原来的受力平衡状态,而向洞内空间胀松变形,其结果又改变了相邻质点的相对平衡关系,引起应力、应变和能量的调整,以达到新的平衡,形成新的应力状态。我们把地下开挖后围岩中应力应变调整而引起围岩中原有应力大小、方向和性质改变的作用,称为围岩应力重分布作用或称为围岩二次应力状态。围岩的二次应力分布呈弹性与弹塑性两种分布形式,《岩石力学》按照由易到难的顺序对该问题进行了讲解。通过近几学期的教学情况看,此部分内容涉及大量的弹塑性力学知识及公式推导,大多学生感觉枯燥乏味,导致该部分内容教学效果欠佳。下面以“深埋圆形洞室弹性分布的二次应力状态”为例,分析数值仿真技术在《岩石力学》教学当中的应用。

1 数值仿真的实现

1.1 数值方法的选用[2]

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。软件主要包括三个部分:前处理模块,分析计算模块和后处理模块。软件提供了100种以上的单元类型,用来模拟工程中的各种结构和材料。尤其在分析小变形等弹性力学问题时具有其他软件无法具有的优势,针对“深埋圆形洞室弹性分布的二次应力状态”分析,采用ANSYS软件是合适的。

1.2 深埋圆形洞室弹性分布的二次应力状态分析,当侧压力系数为λ=1时

计算模型的尺寸为14m×14m,中间开挖一半径为1m的洞室。边界条件:固定左侧水平方向的位移、固定下端垂直方向的位移,同时在模型右侧与上端施加1MPa的压力。采用平面应变问题进行分析。

(图1、图2)分别给出了计算后洞壁周围围岩的二次应力分布情况,与《岩石力学》教材中圆形洞室的二次应力分布状态比较后发现,二者图形分布一致。切向应力随着r的增大而减小,径向应力却随之而增大。当距离洞壁四倍的半径左右位置时,径向应力与切向应力都趋向于围岩的初始应力1MPa,也就是说,洞室的开挖在此种工况下对围岩的影响范围在四倍的半径范围之内。这一些结论与《岩石力学》教材中的内容是一致的。由于划分网格等问题的影响使得洞壁周边的径向应力没有为零,同时洞壁边缘的切向应力也不像理论分析的那样为2MPa。但是比较数值模拟结果与理论分析结果会发现,二者的差别不大,能够满足工程计算的精度要求。

1.3 深埋圆形洞室弹性分布的二次应力状态分析,当侧压力系数不等于1时

通过1.2节的分析可以发现,采用ANSYS软件对以上问题的分析是的。所以,应用ANSYS可以分析当侧压力系数不等于1的情况。模型同1.2节,水平方向的荷载改为0.5MPa即侧压力系数为λ=0.5,计算结果如。从洞壁径向与切向应力分布图可以看出,此情况下的应力分布比侧压力系数为1的情况要复杂的多。即便如此,教师可以比较清晰的对图中应力分布的特点进行分析与讲解。学生也可以从繁琐的计算公式中解放出来,对洞壁周边围岩的二次应力情况有比较深刻的感性认识。

2 结语

大多的《岩石力学》教材中还对椭圆孔以及其他不规则空洞问题的二次应力分布问题进行了讲解,与以上分析的两种情况相比更加复杂,计算公式更加的冗长。有了数值模拟方法,我们可以很容易的获得在不同工况下不同形状洞室的二次应力分布情况。在授课的过程中,还可以给学生讲解有关有限元分析的原理,以及ANSYS软件的具体操作,使得学生在学好《岩石力学》大纲规定相关内容的同时,开阔了他们的视野,提高了学习《岩石力学》课程的兴趣与积极性。同时,为以后学生进入更高层次阶段的学习打下良好的基础。

岩石力学论文:岩石力学在采矿工程中的研究

【摘 要】岩体力学不是一门系统的学科，它属于地质学与力学之间的一门边缘学科，现如今在采矿工程中的应用也比较广泛。本文首先介绍了岩体力学的时代背景，其次又从三方面探讨了岩石力学在采矿工程中的应用，分别是：对于深部开采所带来的灾害预测、矿山地应力场测量、大型深凹露天矿边坡设计优化。

【关键词】岩石力学；采矿工程；应用

1.简述采矿工程中岩体力学的特点

①采矿工程多处于地下较深处，而其它地下工程多在距地表较近（几十米）的范围内；②对矿山工程，只要求在开采期间不破坏，在采后能维持平衡状态不影响地表安全即可，故其计算精度、安全系数及加固等方面均低于国防、水利工程的标准；③矿山地质条件复杂，又受矿床赋存条件限制，故采矿工程的位置选择性不大，同时采掘工作面不断变化，因而采矿工程岩石力学具有复杂性的特点。

在岩体表面或其内部进行任何工程活动，都必须符合安全、经济和正常运营的原则。以露天采矿边坡坡角选择为例，坡角选择过陡，会使边坡不稳定，无法正常采矿作业，坡角选择过缓，又会加大其剥采量，增加其采矿成本。然而，要使岩体工程既安全稳定又经济合理，必须通过地预测工程岩体的变形与稳定性、正确的工程设计和良好的施工质量等来保障。其中，地预测岩体在各种应力场作用下的变形与稳定性，进而从岩体力学观点出发，选择相对优良的工程场址，防止重大事故，为合理的工程设计提供岩体力学依据，是工程岩体力学研究的根本目的和任务。

2.岩石力学在采矿工程中的应用

岩石力学理论服务于采矿活动，其目的有四个方面。

（1）充分利用地壳内部各种应力来进行落矿、运矿以减少崩矿费用。

（2）尽可能地减少工程量，降低采矿成本。

（3）控制崩落矿石块度，减少二次破碎

（4）较大限度地提高生产规模，创造矿山经济效益。

2.1矿山地应力场测量

地应力是存在于底层中的天然应力，它是引起采矿水利水电、土木建筑、铁道、公路和其他各种地下或露天沿途开挖工程变形和破坏的根本作用力，是实现采矿和岩土开挖设计和决策科学化的必要前提。对于矿山设计来讲，只有掌握了具体工程区域的地应力条件，才能合理确定矿山的总体布置，选取适当的采矿方法，确定巷道和采场的断面形状、断面尺寸、开挖步骤、直呼形式、支护结构参数、直呼时间等，从而在保障围岩稳定性的前提下，较大限度地增加矿石产量，提高矿山经济效益，实现采矿工程的优化。

目前普遍采用的地应力测量方法有应力解除法和水压致裂法两大类。其中，套孔应力解除法是发展时间最长，技术比较成熟的映众地应力测量方法。在测定原始应力的适用性和性方面，目前还没有那种方法可以与之相比。据统计，在全世界已经获得的地应力测量资料中，有80%是有应力解除法测得的。对于矿山来讲，采用应力接触法更有得天独厚的条件。因为矿山有系列的航道、硐室可接近地下测点，而不需要向水压致裂法那样必须打专门的钻孔才能到达测点。因而对矿山地应力测量而言，采用应力解除法是最经济和的。

2.2地下矿山采矿设计优化

矿床的形成过程、赋存状态和开采稳定性均受地应力场的控制。为此，必须以地应力为切入点进行采矿设计优化。即：根据实测地应力和扎实的工程地质、水文地质及矿岩物理力学性质等基础资料，以及实际的矿体赋存和开采条件，通过定量计算和分析，选择合理的采矿方法，确定的开采总体布置、采场结构管参数、开采顺序、直呼加固和地压控制措施，实现安全高效的开采目标。

2.3大型深凹露天矿边坡设计优化

我国一大批大中型露天矿山已经或即将由山坡露天开采转为深凹开采。随着边坡的价高架豆，边坡稳定性维护的难度越来越大，边坡滑移和倾倒破坏事故的发生日益频繁，严重威胁矿山的安全生产，制约矿山生产能力的提高。但是另一方面，对于大型露天矿山，提高边坡角有事减少剥离和生产成本的重要手段。

国内外边坡稳定性分析和设计的传统方法是极限平衡法，这是一种静态的确定性分析方法，而实际的边坡状况是岁开采过程不断变化的，是动态的不确定性的；该方法是基于土力学理论提出来的，不能考虑实际的岩体条件，如断层、节理的存在，同时也不考虑地应力。而实际上这些对边坡的稳定性和破坏起控制作用。因而该方法度山坡露天矿设计可能是适用的，但对深凹露天矿设计并不适用。

为了克服传统的极限平衡分析方法的不足，必须采用现代的科学技术，充分考虑地应力的作用和实际的工程岩体条件，通过定量的计算分析，实现边坡设计的优化。具体的试试路线为：采用数值模拟和极限平衡分析相结合的方法，对不同边坡角和边坡设计方案进行定量的计算和分析，在保障安全的前提下，尽可能低提高边坡角，减少剥离量，尽可能地减少生产成本，增加矿石产量和矿山效益。

2.4深部开采动力灾害预测与防治

深部开采动力灾害，包括岩爆、矿震、冲击地压，是深部开采中可能遇到的突出问题。

目前的研究技术路线为：从扎实的现场地应力测量、工程地质调查、岩石力学实验和现场检测资料的采集入手，以能量聚集和演化为主线，揭示岩爆发生的机理及其与采矿过程、地质构造和岩体特性的关系，对岩爆发生的时间、空间和强度进行定量的预测；将预测和防治、地下河地面、生产安全和环境安全融为一体进行评价和研究。

3.岩石力学在采矿工程中的发展趋势

岩石力学已经广泛应用到了采矿工程中的各个领域，而且其研究理论正在不断创新，研究手段也日新月异。随着我国矿产资源的续开发，在采矿工程终将会遇到条件更复杂、拿督更大的岩石力学问题，因此，岩石力学与工程学科的理论水平和工程能力都有待进一步提高。

岩体力学的发展是和人类工程实践分不开的。起初，由于岩体工程数量少，规模也小，人们多凭经验来解决工程中遇到的岩体力学问题。因此，岩体力学的形成和发展要比土力学晚得多。随着生产力水平及工程建筑事业的迅速发展，提出了大量的岩体力学问题。由于岩体中具有天然应力、地下水等，并发育有各种结构面，所以它不仅具有弹性、脆性、塑性和流变性，而且还具有非线弹性、非连续性，以及非均质和各向异性等特征。对于这样一种复杂的介质，不仅研究内容非常复杂，而且其研究方法和手段也应与连续介质力学有所不同。

今天，由于矿产资源勘探开采、能源开发及地球动力学研究等的需要，工程规模越来越大，所涉及的岩体力学问题也越来越复杂。这对岩体力学提出了更高的要求。 

岩石力学论文:试述岩石力学在金属矿山采矿工程中的应用

摘 要：由于我国经济的发展对资源的需求旺盛，对金属矿的需求也越来越多，本文介绍了现代岩石力学的核心内容和本质特征及其在金属矿山采矿工程中的应用，包括矿山地应力场测量，地下矿山采矿设计优化，大型深凹露天矿边坡设计优化和深部开采动力灾害预测与防治，介绍了金属矿山地应力的规律性及地下矿山采矿设计优化方法。

关键词：岩石力学；金属矿山；采矿工程；应用

1 岩石力学的特点

随着人类文明的不断进步，以及科学技术的不断发展，许多新的学科应运而生。岩石力学是近展起来的一门应用性和实践性很强的新兴学科和边缘学科，它的应用范围涉及采矿、土木建筑、水利水电、铁道、公路、地质、地震、石油、地下工程、海洋工程等众多的与岩石工程相关的工程领域。一方面，岩石力学是上述工程领域的理论基础；另一方面，正是上述工程领域的实践促使了岩石力学的诞生和发展。

1966年，美国科学院岩石力学委员会对岩石力学给予以下定义：“岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。”这一定义是从“材料”的概念出发的，带有材料力学或固体力学的深深烙印。随着岩石力学理论研究和工程实践的不断深入和发展，人们对“岩石”的认识有了突破。首先，不能把“岩石”看成固体力学中的一种材料，所有岩石工程中的“岩石”是一种天然地质体，或者叫做岩体，它具有复杂的地质结构和赋存条件，是一种典型的“不连续介质”。其次，岩体中存在地应力，它是由于地质构造和重力作用等形成的内应力。由于岩石工程的开挖引起地应力的释放，正是这种“释放荷载”才是引起岩石工程变形和破坏的根本作用力。因此岩石力学的研究思路和研究方法与以研究“外荷载作用”为特征的材料力学、结构力学等有本质的不同。最近的研究表明，无论是岩体结构，还是其赋存状况、赋存条件均存在大量的不确定性。因此，必须改变传统的固体力学的确定性研究方法，而从“系统”的概念出发，采用不确定性方法来进行岩石力学的研究。“岩体”是自然系统，“工程岩体”是人地系统，其行为和功能与施工因素密切相关。

根据上述分析，现在可以重新定义：岩石力学是一门认识和控制岩石系统的力学行为和工程功能的科学。采矿工程涉及的岩石力学问题主要有如下几个方面。

(1)矿山地应力场测量

(2)露天采矿边坡设计及稳定加固技术

(3)井下开采中巷道和采场围岩稳定性问题，特别是软岩巷道和深部开采地压控制问题

(4)采矿设计优化，包括采矿方法选择、开采总体布置、采场结构、开采顺序、开挖步骤、地压控制、支护加固的优化等

(5)岩爆、煤与瓦斯突出、矿井突水预测、预报及预处理理论和技术

(6)采空区处理及地面沉降问题。

2 矿山地应力场测量

2. 1 地应力测量的重要性

地应力是存在于地层中的天然应力，它是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路和其他各种地下或露天岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力，是实现采矿和岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提。因为对矿山设计来讲，只有掌握了具体工程区域的地应力条件，才能合理确定矿山总体布置，选取适当的采矿方法，确定巷道和采场的断面形状、断面尺寸、开挖步骤、支护形式、支护结构参数、支护时间等，从而在保障围岩稳定性的前提下，较大限度地增加矿石产量，提高矿山经济效益，实现采矿工程的优化。

根据弹性力学理论，巷道和采场的形状主要由其断面内的2个主应力的比值来决定，为了减少巷道和采场周边的应力集中现象，它们最理想的断面形状应是一个椭圆，而这个椭圆在水平和垂直方向的两个半轴的长度之比应与该断面内水平主应力和垂直主应力之比相等。在此情况下，巷道和采场周边将处于均匀等压应力状态。这是一种最稳定的受力状态。在确定巷道和采场走向时，也应考虑地应力的状态，最理想的走向是与较大主应力方向相平行。

由于采矿工程的复杂性和形状多样性，利用理论解析的方法进行工程稳定性的分析和计算几乎是不可能的。但是，近20年来大型电子计算机的应用和各种数值分析方法的不断发展，使采矿工程成为一门可以进行定量设计计算和分析的工程科学。所有的计算和分析都必须在已知地应力的前提下进行。如果对工程区域的实际原始应力状态一无所知，那么任何计算和分析都将失去其应有的真实性和实用价值。

2. 2 地应力测量的主要方法

测量原始地应力就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过一点一点的量测来完成的。岩体中一点的三维应力状态可由选定坐标系中的6个分量(Rx，Ry，Rz，Sxy，Syz，Sxz)来表示，这种坐标系是可以根据需要和方便任意选择的，但一般取地球坐标系作为测量坐标系。由6个应力分量可求得该点的3个主应力(R1，R2，R3)的大小和方向，这是的。在实际测量中，每一测点所涉及的岩石可能从几立方厘米到几千立方米，这取决于采用何种测量方法。但不管是几立方厘米还是几千立方米，对于整个岩体而言，仍可视为一点。由于地应力状态的复杂性和多变性，要比较地测定某一矿区的地应力状态，就必须进行充足数量的“点”测量。在此基础上，才能借助数值分析和数理统计、灰色建模、人工智能等方法，建立矿区的地应力场模型。

目前，应力解除法已形成一套标准的测量程序，具体步骤如下：

及时步：从岩体表面，一般是从地下巷道、隧道、峒室表面向岩体内部打大孔，直至位于岩体内的测点部位。大孔直径为130~ 150 mm，深度为巷道、隧道或峒室跨度的2. 5倍以上，从而保障测点是在未受岩体开挖扰动的原岩应力区。

第二步：从大孔底打同心小孔，供安装探头用。小孔直径一般为36~ 38 mm，深度一般为孔径的10倍左右，从而保障小孔中央部位处于平面应变状态。

第三步：用一套专用装置将测量探头安装(固定或胶结)到小孔中央部位；空心包体应变计是目前国内外采用最广泛的应力解除法测量仪器(探头)。

第四步：用及时步打大孔用的薄壁钻头继续延深大孔，从而使小孔周围岩芯实现应力解除。由于应力解除引起的小孔变形或应变由测量探头测定并通过仪器记录下来。根据测得的小孔变形或应变通过有关公式即可求出小孔周围岩体的原岩应力状态。

3 地下矿山采矿设计优化

金属矿床的形成过程、赋存状况和开采稳定性均受地应力场的控制。为此，必须以地应力为切入点进行金属矿采矿设计优化。

(1)采用盘区上向高分层连续回采充填采矿工艺，显著提高了采场生产能力和采矿强度，减少了采准工作量，降低了生产成本；实现了各采场连续回采，大大增加了盘区内同时回采的采场数目，大幅度提高了盘区生产能力，充分发挥了机械化无轨作业的优越性；大大增加了采场安全性，显著降低了采矿损失率和贫化率。

(2)采用数值模拟等多种方法进行了采矿设计的定量计算、分析，实现了采场结构参数和开采顺序的优化；盘区呈“品”字型布置采场进路的免压拱开采技术获得成功，使采场围岩的应力分布趋于合理，采场地压得到有效控制。在应力降低区的下方进行开采，肯定是有利于安全的。

(3)实现了采场凿岩爆破参数的优化，提高了爆破效率和质量，增大了采场生产能力，节省了凿岩爆破成本，同时使采场作业环境大大改善。

(4)实现了无轨采掘设备的优化配置和全盘机械化，提高了无轨采掘设备的作业效率和机械化作业水平。提高了矿山生产能力，降低了生产成本。

(5)采用多种手段进行现场地压实时监测，为地压控制和生产安全提供了保障。通过研究，使盘区生产能力增加了88%，采场劳动生产率提高了61. 6%，采矿总损失率下降了51%，矿石总贫化率下降了25%，黄金产量增加了75. 5%，采矿技术经济指标达到世界先进水平。

结束语

随着我国经济的持续发展，以及科学技术的不断进步，岩石力学在金属矿山采矿工程中的应用会更加广泛。