[出处] 教育教学论坛_2022年第7期

邢明录，尹延春，赵同彬

[关键词] 教研结合;教学模式;力学实践;创新实验;采矿工程

[基金项目] 2020年度山东科技大学教育教学研究“群星计划”项目“工科专业力学创新实验项目建设与教研结合实验教学模式探索”（QX2020M03）;2019年度教育部产学研协同育人项目“矿山开采物理模拟教研一体化实训实验室建设”（201901031002）

[作者简介] 邢明录（1986—），男，山东菏泽人，工学硕士，山东科技大学能源与矿业工程学院实验师，主要从事岩体力学测试方法与技术、锚杆支护与围岩稳定性控制理论研究;尹延春（1988—），男，山東济南人，工学博士，山东科技大学能源与矿业工程学院副教授（通信作者），主要从事矿山岩体力学实验理论与方法、煤矿冲击地压理论与灾害防治技术研究;赵同彬（1975—），男，黑龙江齐齐哈尔人，工学博士，山东科技大学能源与矿业工程学院教授，博士生导师，主要从事冲击地压机理与工程灾害防治、岩石力学试验方法与实用测试技术研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）07-0085-04 [收稿日期] 2021-06-03

实验教学是整个高等教育创新体系中创新人才培养过程不可或缺的重要组成部分，对学生综合素质的提高，对学生理论联系实际、实践能力、动手能力、创新能力的培养，以及在高等教育培养模式转换中起着重要的作用。随着高等教育管理体制的不断改革，高等学校办学规模的不断扩大，毕业生就业制度和观念的变化，用人单位对毕业生创新能力和综合素质的要求不断提高等，都意味着高等教育培养理念正在进行转换，这给高等学校实验教学带来了巨大的挑战。在此形势下，应调整、优化组合原有的实验项目，大力度整合、淘汰一些陈旧、过时、脱离实际的教学内容和手段落后的实验项目，加强综合创新实验内容，走教学—科研良性循环的道路，依托科研的优势，强化教学与科研的相互渗透，不断提高实验教学的水平[1-4]。

山东科技大学是一所煤炭行业特色高校。采矿工程现为国家一流本科专业、国家级特色专业，矿业工程入选山东省高水平应用型专业（群）建设计划。采矿工程与工程力学专业同属能源与矿业工程学院，两学科之间的相互交叉和相互渗透，充分发挥两者优势，极大地优化了实验资源配置，促进了学科育人及创新研究发展。

采矿工程需要有强大的力学基础作为支撑。采矿工程专业目前涉及的力学课程主要有“理论力学”“材料力学”“弹性力学”“流体力学”及“岩石力学”等相关的理论课程。工程力学专业教学及科研中同样充满了采矿元素。近年来，一些学者将采矿工程与力学结合在一起，进行了较多的联合创新实验教学实践[5-7]。事实证明，这正是传授知识、提高学生动手与综合分析解决问题能力的有效教学方式，在一定程度上改善了“充斥着说教，引不起兴趣”的客观现实。因此，基于我校力学服务于采矿工程的学科背景，依托优势科研项目及工程经验，进行了教研结合实验教学模式探索，并成功完成了创新实验项目建设及教学实践。

一、采矿工程研究与力学教学的结合

（一）采矿工程与力学应用概述

采矿是建立起一个相对较新的力学平衡空间，打破原有的力学平衡。通常情况下，一般的固体力学背景是通过对材料的使用，来设计出一个稳定的结构。但是，采矿工程必须打破亿万年来稳定的地层，构建一个新的平衡空间，进行新资源的开采[5]。采矿工程开采工作必须在工程开始之前就做好准备，进行详细的调查研究工作，并且认真做好力学计算，再根据图纸进行采矿工程开采工作。在开采工作整个过程中的信息收集和获取工作，可以通过使用力学理论来进行一定的指导，并且力学的理论可以在开采工作的具体步骤中发挥指导作用。例如，在采空区顶板岩层控制机理及地表深陷预计模型研究方面，通常会借助力学理论，建立力学分析模型及判据。

（二）顶板断裂与力学问题

在煤炭开采中，因顶板管理不善而造成的事故占有相当大的比例。预测顶板初次及周期来压、岩层断裂步距，通常将顶板断裂力学模型简化为弹性梁（简支梁、悬臂梁、固支梁）模型或弹性薄板模型，结合相应的力学判据进行计算，计算结果与顶板岩层厚度、极限弯矩及抗拉强度等参数密切相关。在顶板力学机理研究中，通常会用到材料力学、弹性力学及断裂力学理论及分析方法，实验研究多采用室内二维相似材料模拟台架进行测试。

（三）地表沉陷与力学问题

因资源开采及其他岩土工程施工导致的地表沉陷，对地面建构筑物及周围生态环境产生了较大的影响。地表沉降空间分布规律及沉降量估算需借助有效的力学理论分析。例如，膏体充填开采可有效降低地表沉陷，但膏体充填体的力学性能（抗拉强度、单轴压缩强度、弹性模量、泊松比等）是膏体充填技术的核心，是有效控制地表变形、防治地表沉陷的关键。室内实验一方面测试膏体充填体的强度和变形性能，另一方面借助模型试验研究不同开采方法、不同充填材料、不同充填率、不同近地表松散层等因素对地表变形的影响。另外，常用的地表沉陷预计模型也是在弹性力学、土力学、流体力学等力学理论基础之上形成的。

二、创新实验教学装置设计

（一）采矿与力学相融合的教研性实验装置开发及教学设计遵循的原则

1.合理模拟工程实际问题。如研究煤炭开采对地表沉陷及地面建构筑物的影响，要求实验装置能够合理形成采空区，并能模拟采煤工作面位置、形状、采留比、推进速度、采高等因素对地表沉陷的影响。

2.科研实验装置的小型化，易于操作。用于科研的物理模拟试验装置结构庞大，价格昂贵，操作起来复杂费事，不利于实验教学，须往“小而精”的方向改造，实现多台套设备教学。

3.践行“科研反哺教学，教学促进科研”及“学科交叉”理念，能够综合应用多种力学测试手段及方法，实现采矿与力学实验教学的有机结合。

4.实验装置及项目具有一定的科技含量及科研价值，可面向同类高校推广，用于教学可提高学生的工程实践及综合创新能力。

（二）顶板岩层移动相似模拟实验装置

教学呈现“煤炭开采顶板断裂特征及上覆岩层移动规律”，设计顶板岩层移动相似模拟实验教学装置。如图1所示，实验装置设计为钢制框架结构，主要包括模型加载反力框架及加压机构，能够进行平面应力状态下岩土结构相似模拟实验。填料空间尺寸为1200mm×200mm×1000mm（长×宽×高）。用于对相似材料进行竖向加载的千斤顶等机构，可实现加载范围：应力0.1～1MPa。可实现“边采边充”功能。可观测煤层开采或充填开采过程中上覆岩层的变形、破坏、冒落、移动规律。

（三）地表沉陷三维相似模拟实验装置

教学呈现“资源开采对地表沉陷及地面建构筑物的影响”，设计地表沉陷三维相似模拟实验教学装置。如图2所示，实验装置设计为三维箱体结构，结构稳定可靠，前后两面透明，采用有机玻璃护板。左右两面为可拆卸钢侧板，方便逐层铺设岩层相似材料。实验装置箱体底部设置有通过位移控制的阵列式煤层模拟组件，单个煤层组件可通过位移控制单元方法或借助拉拔工具（控制成本）拉下，合理形成采空区。地表测量部位应方便布置测线或安装相机、三维扫描仪等测量设备。

三、创新实验项目教学实践

（一）创新实验教学项目建设情况

根据自主研制的教研性实验装置，规划了煤炭开采顶板运动相似模拟实验及煤炭開采地表变形特征观测实验两项本科教学实验项目，均为综合创新性实验，目前面向采矿工程、工程力学专业本科生及研究生开设，后期逐渐将面向同类工科专业开放预约。

（二）煤炭开采顶板运动相似模拟实验教学设计

1.介绍煤炭开采历史发展、采煤方法、采煤设备、回采工艺、充填开采等知识。

2.讲解顶板安全事故案例，分析其中的力学原因。

3.对比分析不同煤矿的开采方法，根据某矿工程实际，建立顶板断裂力学模型。

4.选定某工作面地质条件为研究背景，进行模型实验。模型中不同岩性的岩层由水、石膏粉、细沙及云母片等经不同配比、制作、铺设而成。铺设材料达到强度后，确定测点，进行煤层开挖，观测采空区顶板断裂及覆岩移动特征，利用全站仪或数字散斑测量系统记录测点位移。如图3所示为某工作面采空区顶板岩层断裂特征实验图。

5.结合理论计算及实验数据，给出顶板断裂步距，描述岩层垮落及变形特征，获得采空区上覆岩层运动规律。

（三）煤炭开采地表变形相似模拟实验教学设计

1.阐述地表变形发生的原因及危害。资源采出后，对采空区及时进行回填或永久性支护，可降低或避免地表沉降。

2.讲解地表沉陷工程实例，分析沉陷影响因素（开采方法、重力作用和地应力不均衡等）。

3.对比分析不同的地表沉陷预计模型，探索其中的力学原理。

4.选择某工程实际，铺设岩层相似材料，进行煤层开挖，架设观测线或用三维扫描仪记录地表变形移动特征。多次实验可获得采煤工作面位置、形状、采留比、推进速度、采高等因素对地表沉陷的影响。如图4所示为某工作面开采后地表沉陷特征实验图。

5.根据观测的地表移动及沉陷数据，采用MATLAB或三维激光点云数据处理软件绘制地表变形云图，获得地表移动规律、沉陷特征。

结语

创新实验项目建设是构建科学合理实践教学体系的关键环节，是创新型、应用型人才培养的重要保障。将最新的工程技术及科研前沿引入到实验教学中去，才能使学生能够尽早地对科学研究的最新成果有前瞻性的了解。通过教研性实验装置的研发，将采矿工程相关的科研项目转化为教学实验，实验项目具有完整性、实用性易于操作等特点。在采矿及力学专业范围内进行教学实践活动，取得了良好效果，达到了增强观察能力、动手能力、提升科研能力、创新能力的目的。