礦山壓力學科中的美學思維探索

王 斌，趙伏軍，彭文斌，陳 玲

(湖南科技大學a.能源與安全工程學院;b.煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室;c.湖南科技大學 教育學院，湖南 湘潭411201)

“19世紀修大橋，20世紀建高樓，21世紀開發地下交通資源。”采礦工程是一項巨大的地下巖石力學工程，作為采礦工程靈魂的礦山壓力學科是以礦山巖石力學為基礎、與礦山開采和采礦工藝等實踐密切相關的采礦工程基礎學科，其對于采礦工程專業的重要性毋庸質疑。21世紀的礦山壓力研究與實踐將擁有更廣闊的舞臺，為造福人類發揮更重要的作用。礦山壓力的研究內容幾乎涵蓋采礦工程所遇到的所有技術領域［1］，因而被視為理論深奧、內容繁雜的學科，同時初學礦壓的學生對實際礦山的生產環節、生產工藝等了解不深，使得初學者學習倍感吃力，嚴重影響學習興趣，礦山壓力教學往往陷入教者難教、學者難學的尷尬局面。如何提高礦壓學科的學習興趣以讓學生真正掌握礦壓學科的理論和實踐應用技術是礦業高等學校的重要課題。

人的本性是追求真、善、美，這里的美，包含了藝術的美與科學的美?？茖W美就是在科學領域里呈現出的美，它包括科學研究的對象美、試驗美和科學研究的結論美、表述美，并以后者為核心［2］。自然界五彩繽紛，看似紛繁復雜，但實質上和諧統一有章可尋，外在的復雜性和內在的單一性，構成了自然界的基本特征，科學美就是力圖把握自然的統一與和諧?？茖W的最高境界便是“真”與“美”的統一。一門學科如果不美，則枯燥無味，將很難激起人們的學習興趣?；诖?，應轉變對礦山壓力學科認識的傳統觀念，挖掘礦山壓力學科中“美”的存在，觸發學生的學習熱情，啟迪學生思維，通過美學思維使學生能在理解、鞏固、運用礦壓知識的同時，在思維品質和思維能力方面得到培養和發展。本文擬就礦壓學科中的美學思維作些探究。

一 人文美－礦壓學者的人格魅力

人文美是將崇尚人性、提倡人文的理念與審美意識相結合的概念，形成了一種尊重人、理解人、歌頌人的審美文化，能給欣賞者心靈的滿足感和精神上的愉悅感?？茖W技術中的人文美，反映的不僅僅是科學成果在形式和功能等方面給人感官上的美的體驗，更重要的是該項科學成果被發現并應用實施等過程中體現的科學研究人員的美德和高尚人格素養［3］。礦山壓力學科是技術科學，同時又具有獨特的人文特色，對礦壓發展史上的科學家進行講解分析，可以培養學生良好的道德素質和求知欲。我國是世界上采礦最早的國家之一。明代科學家宋應星編寫的《天工開物》(初刊于1639年)己具體記述了立井開采及在井下進行支護與充填的情況，“凡取煤經歷久者，從土面能辨有無之色，然后掘挖，深至五丈許，方始得煤。初見煤端時，毒氣灼人，有將巨竹鑿去中節，尖銳其末，插入炭中，其毒煙從竹中透上，人從其下施攫拾取者?；蛞痪?，炭縱橫廣有，則隨其左右闊取。其上枝板，以防壓崩耳”。這證明我國在采礦事業發展初期，人們就己認識到礦壓的危害和需要加以控制。宋應星以“天工開物”命名他的書，實際上也以此展示他的一種具有普遍意義的科學思想，強調天工(自然力)與人工互補、自然界的行為與人類活動相協調，通過技術從自然資源中開發物產，以滿足人的物質與精神生活的需要，從而使人在自然界面前顯示并發揮其主觀能動性［4］。宋應星在敘述各生產過程的同時，還發展了“窮究試驗”的研究方法，他對各種迷信神怪、荒誕舊說都有所批判，如對煉丹術的批判更為激烈，從而在科學技術領域內注入一種新的科學精神。這是《天工開物》一書的最大特色，使人們感到耳目一新。

錢鳴高院士是我國礦山壓力及其控制學科的主要奠基者和開拓者之一，提出的采場上覆巖層的“砌體梁平衡假說”以及老頂破斷規律及其在破斷時在巖體中引起的擾動理論在國內外產生很大影響，創立的“砌體梁”力學模型被收錄于《中國大百科全書.礦冶卷》有關條目。江南魚米之鄉養育了錢鳴高院士，在以輕工業為主的無錫長大，卻在1950年響應國家號召，遠去東北選擇最艱苦的地下開采作為自己的專業，從此便把一生奉獻給了我國的煤炭事業。1958年到1964年這段的時間里，錢鳴高院士在阜新、開灤、陽泉、大同等礦區第一線搞技術革命，置身于工人、工程技術人員中間，學到了他們理論聯系實際、踏踏實實的工作作風及解決實際問題的能力，同時也豐富了對礦山壓力控制的很多感性認識。1982年，被稱為"錢氏理論"、"鳴高模型"的砌體梁理論提出，標志中國的礦壓研究推進到國際先進水平。年近花甲之年的錢院士，仍堅持長期下現場調查研究，一次，與他的學生在陽泉下井，由于過度的勞累，昏倒在鐵軌上，至今他的臉部仍然留下當時受傷的疤痕，所有這些困難并沒有使他氣餒。20世紀90年代相繼提出“關鍵層”理論和“綠色開采”的理念，2006年提出“科學采礦”，開創了系統的煤炭環保開采之路。錢鳴高院士在科學探索道路上執著追求，在人才培養道路上辛勤耕耘，創造了礦山壓力與控制領域的數個第一，書寫了我國煤炭采礦科技的輝煌篇章。錢院士曾語重心長地說:“我們的科研人員搞科研，一定要勤奮，有嚴謹的學風，胸懷大志，耐得住寂寞，兢兢業業做事，切忌浮躁”。［5］

宋振騏院士是我國煤礦采場傳遞巖梁礦壓理論的創立者，實用礦壓理論的開拓者和奠基人，是我國采礦工程界第一位院士，也是至今為止采礦界唯一一位科學院院士。宋振騏院士針對煤礦采場不斷推進的工程特點，通過廣泛實踐，例如曾對開灤范各莊礦長達4年的觀測取得的10 萬個巖層運動數據進行分析，提出了“兩個應力場”的理論，該理論為在生產現場通過觀測支承壓力顯現發展變化規律、預測預報采場頂板運動提供了依據。為了獲得第一手數據，他常常深入到井下總結探索各種教訓，分析研究了數百起重大頂板垮塌事故，整理分析了數以百萬計的觀察數據，有些數據就是冒著生命危險取得的。70年代末，我國礦壓儀器可以說是一片空白，有錢卻無處買儀器;“沒有就自己造!”宋振騏懷著“動員工農千百萬，同心干!”的壯志豪情，動員了一大批物理、機電、計算機專業的老師和研究生，組成聯合課題組，日夜奮戰，先后研制了KY －82型巖層動態儀、DCC －1 型遙測儀等礦壓監測設備。80年代中期，宋振騏領導的儀器工廠生產了全國近75%的礦壓儀器。宋振騏院士50 多年來堅持教學、科研和生產實踐相結合，把中國采場礦山壓力研究從定性推向定量，即從主要依靠統計經驗決策推進到針對具體煤層條件定量控制，創造性提出的井下巖層動態觀測研究方法、頂板動態儀等監測手段以及頂板預測預報和頂板控制設計等計算機系統軟件。回首已是千山路，宋振騏獻身光和熱的事業癡心不改、終生不悔，他說:“干煤礦苦是苦，但我是以苦為樂，以苦為甜?？嘣谄渲校鹨苍谄渲?。煤炭是烏金，是中國的主要能源。煤炭工業是有前途的”。［6］

二 哲理美－礦壓理論的思辨性

哲學被認為是科學研究之母，在科學各個領域都發揮著世界觀和方法論的作用。綜觀礦山壓力學科的發展歷程和研究內容，無不閃爍著科學哲理之美，科學的哲理性體現在礦山壓力理論的方方面面。

(一)“不識廬山真面目”的礦壓假說

由于采礦工程涉及到巖層內的原巖應力場以及巖體性質的復雜性，因而從一開始人們就對采場的礦山壓力現象提出了各種不同的科學概括(假說)，德國學者哈克(W.Hack)和吉里策爾(G.Gillitzer)提出壓力拱假說，德國學者施托克(K.Stoke)提出懸臂梁假說，前蘇聯學者庫茲涅佐夫提出鉸接巖塊假說，比利時學者久拉巴斯提出預成裂隙假說，我國學者錢鳴高提出砌體梁假說及在此基礎上發展的關鍵層理論。這些有關采場上覆巖層活動規律的假說，在不同時期由不同國籍的學者以不同的理論依據相繼提出，從中可以得出的哲理是，“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同”，人們對客觀事物的認識，總要受主觀條件和客觀條件制約。?因此，在認識自然規律的過程中，對于同一研究對象，常有多種解釋或假說共存，都有其優勢和局限性，不可避免地形成相互競爭或對峙的局面，但對同一問題的認識深化過程，又會出現也就是多種解釋逐個更替融合的過程。一個現象的說明和解釋有時是需要多個學科的定律拼湊在一起來共同說明的［7］，目前巖層控制的核心理論“關鍵層理論”是在總結鉸接巖塊假說、預成裂隙假說和砌體梁理論的成果，并建立在大量現場觀測的基礎上提出的。

(二)“過猶不及”的支架工作阻力

為限制采場頂板下沉量過大、防止有害松動，支架要對頂板提供支撐力，受頂板壓力作用而支架上產生的載荷(反抗力)稱為支架工作阻力，支架所能承受的最大載荷稱為支架額定工作阻力。工作阻力是支架設計的一個重要參數，是否工作阻力越大越好，也就是采場支架的能承受的載荷越大，采場頂板下沉量越小呢?現場觀測結果表明，支架工作阻力與頂板下沉量總體成反比關系，在某一支架工作阻力以上，工作阻力增加，頂板下沉量減小甚微，在某一工作阻力以下，工作阻力降低，頂板下沉量則急劇增加。從中可以看出哲學上所講的“度”在其中的體現，質量互變規律認為，度是質和量的統一，一方面要堅持適度原則，不隨便破壞“度”，另一方面又不要把“度”凝固化，從而阻礙事物向前發展。中國古代的孔子講究“過猶不及”的“中庸之道”，認為事情做得過頭，就跟做得不夠一樣，都是不合適的。支架工作阻力不足，不可避免的會造成采場頂板垮塌事故，而支架工作阻力過大，并不能更好地改善采場頂板狀況，相反地造成支護成本過大，反而得不償失。

(三)“堅車能載重渡河不如舟”與液壓支架選型

液壓支架是用來控制采場礦山壓力的結構物，由支柱、底座與頂梁聯合為一個整體結構，能可靠而有效地支撐和控制工作面的頂板，隔離采空區，防止矸石進入回采工作面和推進輸送機。液壓支架的形式與種類很多，按架型結構與圍巖關系可分為支撐式、掩護式和支撐掩護式3類。這3 類支架各有各的適用條件，支撐式液壓支架支撐力大，反復支撐次數多，不能承受水平推力，故適宜堅硬有來壓頂板，不適宜破碎頂板;而掩護式式液壓支架通風斷面小、支架空間小結構、可承受一定水平推力，故適宜破碎頂板或再生頂板情況。從中可以得出的哲理是，“堅車能載重，渡河不如舟”，要善于認識自己，客觀、公正、正確的認識和評價自己，既要看到自己的長處，又要看到自身的缺點和不足;要善于發現自己的長處和優勢，做到揚長避短，用人之道也是一樣的，用人之長，避人之短。支撐式液壓支架如果用在破碎頂板，由于支架反復支撐，導致直接頂更易破碎，采空區矸石常竄入工作面，支護效果還不如單體支架。

三 矛盾美－礦壓理論的發展動力源

生話中有許多矛盾現象，但也是美的。茫茫林海，萬木參差差，雜草叢生，藤蔓錯綜，可謂矛盾重重，但正是這蕪蔓雜亂的矛盾，造成了大森林幽深雄渾的氣勢，給人以震撼人心的美感。和諧的美，能使人賞心悅目，但在特定的條件下，矛盾沖突的美，則更能勾心攝魂。同時，矛盾沖突也能構成統一和諧，而且是本質上的和諧。古希臘哲人赫拉克得特說:“相排斥的東西結合在一起，不同的音調造成最美的和諧?！保?］礦山壓力學科的矛盾美體現在哪里呢?砌體梁理論，跨上采回采，沿空巷道，開槽卸壓護巷技術，細究這些礦壓理論與礦壓控制技術，無不富有矛盾美的絢麗色彩。下面以鉆孔卸壓進行巷道維護為例來說明礦山壓力學科的矛盾美。

長期以來，煤礦中進行巷道維護的主要手段是對巷道進行支護和對圍巖進行加固，如采用打錨桿、架金屬棚、噴射混凝土等，但在某些困難條件下，即使對巷道進行加強支護和加固圍巖，巷道維護仍然很困難，變形依然嚴重。礦壓學者提出在巷道圍巖體的適當部位主動開鑿一定尺寸的深槽，這相當于破壞了原有圍巖的完好性，這不是雪上加霜嗎?開槽使巷道原有部分圍巖進一步破壞，但巷道更易于維護，這不是自相矛盾嗎?事物矛盾的法則，即對立統一的法則，正如事物的矛盾法則中“動”和“靜”、“好”和“壞”等總是相對的，它們常借助各自的矛盾的一面來顯示和肯定自己的存在，相反相成。

圖1 切槽對圓形巷道切向應力的影響

巷道周邊圍巖開槽卸壓的力學原理，是使原來作用于周邊圍巖的高應力向卸壓區以外的巖體深部轉移，是以巷道周邊巖體的完整結構被破壞為代價的，圖1表明有切槽巷道周邊圍巖切向應力比無切槽時顯著降低。開槽卸壓的實踐把“壞”和“好”這2 種相矛盾、相對立的現象統一起來，使開槽的“壞”和“好”從矛盾走向和諧美。

四 結 語

科學美客觀地存在于人類創造的科學發現和發明之中，它是人類在探索、發現自然規律過程中所創造的成果顯現。任意打開一頁現代科學的發展史，我們都能感受到科學美的存在，愛因斯坦的相對論，普朗克的量子論和歐幾里德的幾何學都被人們稱為“科學的藝術品”。［2］如同藝術，科學也用美改善生活的基調與品質，都用美增強人的心智，陶冶人的情操，提升人的道德與精神，使人得到全面的改善。應該看到，面對“科學的藝術品”，有的人會產生一種強烈的美感，而有的人卻渾然不知。美是一種感受，是我們對這個世界的所有美好感受，美就在我們身邊，不是在于缺少而在于缺少感受。只要用心，有熱情，我們會發現原似枯燥無味的礦山壓力學科充滿著無限的美與魅力，它的美將賦予教者以活力，賦予學者以動力。馬克思曾指出:“人類是按美的規律去改造世界的。”在教學中向學生宣揚傳播礦山壓力學科中的“美”，培養學生的美學思維，讓學生帶著快樂的體驗和美的情感去學習礦壓，讓學生對礦山壓力學科的理解在科學審美思維中得到飛躍和升華。

［1］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.北京:中國礦業大學出版社，2010.

［2］王韻韻.論科學中的美及美感［J］.中州大學學報，2004，21(4):33 －35.

［3］張 哲.論技術的人文美追求［D］.武漢:武漢理工大學，2006.

［4］石麗華，羅見今.論《天工開物》中的生態技術思想及其現實意義［J］.內蒙古師范大學學報(自然科學漢文版)，2004，36(4):514 －518.

［5］錢鳴高.矢志煤海六十載 嘔心科教心不歇［EB/OL］.http://news.bjx.com.cn/html/20121121/403058.shtml＇2012 －11 －21.

［6］宋振騏.實用礦壓理論學派帶頭人［EB/OL］.http://www.qingdaonews.com/content/2006 － 08/24/content_7512074.htm’2006 －08 －24.

［7］卡特賴特.斑雜的世界:科學的邊界研究［M］.王 巍，王 娜譯.上海:上海科技教育出版社，2006.

［8］陳世明.矛盾美－道永遠的詩學景觀(一)［J］.湖北第二師范學院學報，2008，25(4):1 －4.