采礦工程專業(yè)巖土力學(xué)課程開(kāi)設(shè)的必要性與實(shí)施方法

張守寶 何富連 謝生榮 吳仁倫

【摘要】采礦工程專業(yè)主要以煤和煤系地層為工作和研究對(duì)象，采用合適的方法將煤開(kāi)采出地表供人類利用。工科通識(shí)教育體系中設(shè)計(jì)的理論力學(xué)與材料力學(xué)知識(shí)顯得捉襟見(jiàn)肘，亟需增設(shè)巖土力學(xué)課程來(lái)增強(qiáng)培養(yǎng)目標(biāo)。本文簡(jiǎn)述了當(dāng)前采礦工程培養(yǎng)方案中的力學(xué)體系的特點(diǎn)，并詳細(xì)說(shuō)明了我校采礦專業(yè)設(shè)置礦山巖土力學(xué)課程的必要性、課程主要內(nèi)容和課程具體實(shí)施方法。

【關(guān)鍵詞】采礦工程 巖土力學(xué) 專業(yè)教育 培養(yǎng)體系

【基金項(xiàng)目】本文系中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：J160113和J160118）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2009QZ10）的研究成果。

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）34-0237-02

采礦工程專業(yè)主要以煤系地層的土體、煤體和巖石為工作和研究對(duì)象，采用合適的方法將人類所需的煤開(kāi)采出地表供人類利用。對(duì)于采礦工程地采方向的同學(xué)來(lái)說(shuō)，在井筒建設(shè)、大巷開(kāi)拓、回采巷道掘進(jìn)和工作面回采過(guò)程中，面對(duì)的都是在巖石和土中的工程活動(dòng)，無(wú)論是對(duì)其進(jìn)行開(kāi)挖還是利用，都需要有土力學(xué)和巖石力學(xué)的專業(yè)知識(shí)作支撐，因此，工科通識(shí)教育體系中設(shè)計(jì)的理論力學(xué)與材料力學(xué)知識(shí)顯得捉襟見(jiàn)肘，并且僅僅設(shè)計(jì)巖石力學(xué)或者土力學(xué)中一門課程的課程體系也不甚完善，為了實(shí)現(xiàn)本科生知識(shí)的全面性和廣泛性，亟需增設(shè)巖土力學(xué)課程來(lái)增強(qiáng)培養(yǎng)目標(biāo)。

一、傳統(tǒng)采礦工程培養(yǎng)方案中的力學(xué)體系

采礦工程專業(yè)作為工科培養(yǎng)體系中一個(gè)古老的專業(yè)，在其發(fā)展過(guò)程中，高等院校培養(yǎng)的專業(yè)人才對(duì)于支撐國(guó)家經(jīng)濟(jì)體系的建設(shè)發(fā)揮了重要作用。綜合國(guó)內(nèi)外礦業(yè)類高校采礦工程專業(yè)的培養(yǎng)方案來(lái)看，傳統(tǒng)的采礦工程專業(yè)課程設(shè)置在力學(xué)體系方面有如下特點(diǎn)：

（1）以理論力學(xué)和材料力學(xué)為基礎(chǔ)

采礦工程專業(yè)作為工程類本科專業(yè)，在培養(yǎng)方案的通識(shí)教育必修課或大類基礎(chǔ)課中都設(shè)置有理論力學(xué)和材料力學(xué)或者綜合成工程力學(xué)進(jìn)行設(shè)置，目的是面向所有工程類的本科生進(jìn)行力學(xué)基礎(chǔ)教育教學(xué)，使其具備必須的工程力學(xué)思維方式和解決實(shí)際問(wèn)題的力學(xué)基本技能。

（2）以礦山壓力與巖層控制為核心

采礦工程專業(yè)有三門核心專業(yè)課程：采礦學(xué)、礦山壓力與巖層控制和礦井通風(fēng)。其中采礦學(xué)是系統(tǒng)采礦方法的科學(xué)，礦井通風(fēng)是通風(fēng)安全保障的科學(xué)，礦山壓力與巖層控制則是采礦工程實(shí)施過(guò)程中與力學(xué)學(xué)科結(jié)合最緊密的課程，是以巖石力學(xué)、巖體力學(xué)和土力學(xué)為基礎(chǔ)，以采礦過(guò)程中的巖石大變形為邊界條件，以控制巖層開(kāi)挖和開(kāi)采后形成的地下空間而建立的專業(yè)課程，此課程的完整講述和理解必須有相關(guān)力學(xué)課程的專業(yè)學(xué)習(xí)為前提。

（3）以巖石力學(xué)、巖體力學(xué)或土力學(xué)為專業(yè)力學(xué)

傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)培養(yǎng)方案的課程設(shè)計(jì)為了保障學(xué)生對(duì)礦山壓力與巖層控制的理解，在其中增加開(kāi)設(shè)巖石力學(xué)、巖體力學(xué)或土力學(xué)的一門課程，增加學(xué)生的力學(xué)背景，但是在實(shí)際采礦專業(yè)學(xué)生就業(yè)后面臨的是土、巖石和巖體等多種復(fù)雜的地質(zhì)對(duì)象，而不同的地質(zhì)對(duì)象的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)判據(jù)大相徑庭，不能用一種方法一概而論。因此，學(xué)生需要同時(shí)具備以上幾門力學(xué)課程的知識(shí)體系。

（4）以彈性力學(xué)、彈塑性力學(xué)和流體力學(xué)為加強(qiáng)

在力學(xué)體系設(shè)置比較全面的學(xué)校，培養(yǎng)方案中還會(huì)針對(duì)師資力量和專業(yè)課程的提高要求來(lái)設(shè)置彈性力學(xué)、彈塑性力學(xué)或者流體力學(xué)來(lái)加強(qiáng)學(xué)生的力學(xué)系統(tǒng)性。即針對(duì)采礦工程面向巖石為對(duì)象的特點(diǎn)設(shè)置彈性和彈塑性力學(xué)，根據(jù)核心課程礦井通風(fēng)的要求設(shè)置流體力學(xué)，以此來(lái)提高和加強(qiáng)學(xué)生的力學(xué)功底，從而使其能夠更進(jìn)一步地根據(jù)實(shí)際條件采用不同的力學(xué)功能和計(jì)算方法來(lái)解決生產(chǎn)和學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題。

二、巖土力學(xué)課程開(kāi)設(shè)的目的和必要性

我國(guó)采礦工程的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)起伏的階段，從建國(guó)時(shí)期的百?gòu)U待興，礦業(yè)先行，到文革時(shí)期礦業(yè)的邊緣化，一直到上世紀(jì)末期的煤炭沒(méi)落又到黃金十年，煤炭市場(chǎng)的變化對(duì)于采礦人才的需求和培養(yǎng)質(zhì)量起到了重要的影響，煤炭市場(chǎng)不好時(shí)，采礦工程專業(yè)的招生錄取分?jǐn)?shù)線在校內(nèi)偏低，而在煤炭黃金十年，采礦工程專業(yè)的招生分?jǐn)?shù)線遠(yuǎn)高于校內(nèi)其它專業(yè)。

隨著國(guó)家能源需求和規(guī)劃的調(diào)整，礦業(yè)能源雖然作為主體能源的地位不會(huì)改變，但是在國(guó)家優(yōu)化產(chǎn)能結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有采礦技術(shù)的保障下，國(guó)家對(duì)煤炭的需求也不會(huì)出現(xiàn)大起大落的情況，并且在礦業(yè)生產(chǎn)和技術(shù)層面的技術(shù)創(chuàng)新方向也逐漸明朗，其中重要的一環(huán)就是如何保障在礦業(yè)開(kāi)采的巖層區(qū)域大變形情況下的礦山壓力與巖層的有效控制，此方面的范圍既包括傳統(tǒng)的礦山開(kāi)采時(shí)工作面的礦山壓力及其顯現(xiàn)的程度與范圍，也包括上覆下覆巖層的運(yùn)移和有效控制，還包括巷道礦山壓力的產(chǎn)生和顯現(xiàn)，綜合來(lái)說(shuō)這都是采礦工程活動(dòng)中的力學(xué)問(wèn)題，需要具備綜合力學(xué)知識(shí)，不僅僅是一門力學(xué)課程就能解決的。其中作為解決此類問(wèn)題最基本的專業(yè)力學(xué)——巖石力學(xué)和土力學(xué)就成為本科生必須學(xué)會(huì)和掌握的方法和工具。

三、巖土力學(xué)課程內(nèi)容設(shè)置與實(shí)施方法

根據(jù)以上要求和力學(xué)課程的獨(dú)立性和相關(guān)性，我校采礦專業(yè)決定將巖石力學(xué)和土力學(xué)合并為一門課程開(kāi)設(shè)，命名為礦山巖土力學(xué)，而采礦工程專業(yè)本科培養(yǎng)方案中課程設(shè)置學(xué)分?jǐn)?shù)和課程數(shù)有嚴(yán)格要求，不能一味增加課程和課時(shí)數(shù)，因此合理的設(shè)計(jì)課程和課程內(nèi)容以滿足專業(yè)的需求成為課程設(shè)置的關(guān)鍵。根據(jù)礦山巖土力學(xué)在整個(gè)采礦工程專業(yè)課程中的作用將其歸類設(shè)計(jì)為專業(yè)核心課，由于其在專業(yè)力學(xué)方面的基礎(chǔ)作用，作為后續(xù)礦山壓力與巖層控制、地下工程等課程的先修課程，實(shí)施時(shí)間定于大學(xué)本科第五學(xué)期的學(xué)期初開(kāi)設(shè)，設(shè)計(jì)學(xué)分為2.5學(xué)分40學(xué)時(shí)，是最早開(kāi)設(shè)的專業(yè)核心課。

巖石力學(xué)和土力學(xué)均可作為一門獨(dú)立的課程進(jìn)行設(shè)置，其內(nèi)容也非常豐富，40學(xué)時(shí)內(nèi)不能完全講述，因此根據(jù)采礦工程專業(yè)的需求，礦山巖土力學(xué)主要講述在采礦工程活動(dòng)和研究過(guò)程中遇到的巖石力學(xué)和土力學(xué)的基本理論、方法和典型工程技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)就是在巖石力學(xué)方面首先講述巖石與巖體力學(xué)的基本性質(zhì)、試驗(yàn)方法和巖石巖體的工程分類，然后講述巖石的應(yīng)力、變形以及強(qiáng)度理論，最后結(jié)合采礦工程問(wèn)題講述硐室穩(wěn)定性、邊坡穩(wěn)定性等的力學(xué)分析方法；在土力學(xué)方面，首先講授土體的性質(zhì)、類型和工程劃分；其次講授土的應(yīng)力、強(qiáng)度特征與土的固結(jié)沉降理論；最后講述土體壓力計(jì)算及擋土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計(jì)算方法和地基土的承載力；其中結(jié)合采礦工程專業(yè)要專門講授礦山巖土工程的常用支護(hù)技術(shù)與方法，礦山巖體穩(wěn)定性的常用分析方法等。

我國(guó)礦山數(shù)量眾多，采礦工程作為一門面向自然界的工程科學(xué)，其專業(yè)人才必須具備運(yùn)用自然科學(xué)的基本原理發(fā)現(xiàn)和解決工程問(wèn)題的能力，巖土力學(xué)恰恰就是一把打開(kāi)采礦工程科學(xué)問(wèn)題的鑰匙，在本科生階段開(kāi)設(shè)此課程，對(duì)于學(xué)生從采礦的實(shí)際工程背景下看到其深層次的力學(xué)問(wèn)題，學(xué)會(huì)利用力學(xué)的思維考慮工程問(wèn)題，運(yùn)用力學(xué)方法計(jì)算工程問(wèn)題， 并在此基礎(chǔ)上融合采礦工程的實(shí)際大變形條件，提出能夠具有針對(duì)性的解決現(xiàn)場(chǎng)工程難題的理論與方法，具有重要作用。

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作者簡(jiǎn)介：

張守寶，男，博士、副教授，主要從事礦業(yè)工程方面的教學(xué)與科研工作。