采礦工程專業巖土力學課程開設的必要性與實施方法

張守寶 何富連 謝生榮 吳仁倫

【摘要】采礦工程專業主要以煤和煤系地層為工作和研究對象，采用合適的方法將煤開采出地表供人類利用。工科通識教育體系中設計的理論力學與材料力學知識顯得捉襟見肘，亟需增設巖土力學課程來增強培養目標。本文簡述了當前采礦工程培養方案中的力學體系的特點，并詳細說明了我校采礦專業設置礦山巖土力學課程的必要性、課程主要內容和課程具體實施方法。

【關鍵詞】采礦工程 巖土力學 專業教育 培養體系

【基金項目】本文系中國礦業大學（北京）教育教學改革與研究項目（項目編號：J160113和J160118）和中央高校基本科研業務費項目（項目編號：2009QZ10）的研究成果。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）34-0237-02

采礦工程專業主要以煤系地層的土體、煤體和巖石為工作和研究對象，采用合適的方法將人類所需的煤開采出地表供人類利用。對于采礦工程地采方向的同學來說，在井筒建設、大巷開拓、回采巷道掘進和工作面回采過程中，面對的都是在巖石和土中的工程活動，無論是對其進行開挖還是利用，都需要有土力學和巖石力學的專業知識作支撐，因此，工科通識教育體系中設計的理論力學與材料力學知識顯得捉襟見肘，并且僅僅設計巖石力學或者土力學中一門課程的課程體系也不甚完善，為了實現本科生知識的全面性和廣泛性，亟需增設巖土力學課程來增強培養目標。

一、傳統采礦工程培養方案中的力學體系

采礦工程專業作為工科培養體系中一個古老的專業，在其發展過程中，高等院校培養的專業人才對于支撐國家經濟體系的建設發揮了重要作用。綜合國內外礦業類高校采礦工程專業的培養方案來看，傳統的采礦工程專業課程設置在力學體系方面有如下特點：

（1）以理論力學和材料力學為基礎

采礦工程專業作為工程類本科專業，在培養方案的通識教育必修課或大類基礎課中都設置有理論力學和材料力學或者綜合成工程力學進行設置，目的是面向所有工程類的本科生進行力學基礎教育教學，使其具備必須的工程力學思維方式和解決實際問題的力學基本技能。

（2）以礦山壓力與巖層控制為核心

采礦工程專業有三門核心專業課程：采礦學、礦山壓力與巖層控制和礦井通風。其中采礦學是系統采礦方法的科學，礦井通風是通風安全保障的科學，礦山壓力與巖層控制則是采礦工程實施過程中與力學學科結合最緊密的課程，是以巖石力學、巖體力學和土力學為基礎，以采礦過程中的巖石大變形為邊界條件，以控制巖層開挖和開采后形成的地下空間而建立的專業課程，此課程的完整講述和理解必須有相關力學課程的專業學習為前提。

（3）以巖石力學、巖體力學或土力學為專業力學

傳統采礦工程專業培養方案的課程設計為了保障學生對礦山壓力與巖層控制的理解，在其中增加開設巖石力學、巖體力學或土力學的一門課程，增加學生的力學背景，但是在實際采礦專業學生就業后面臨的是土、巖石和巖體等多種復雜的地質對象，而不同的地質對象的力學性質和力學判據大相徑庭，不能用一種方法一概而論。因此，學生需要同時具備以上幾門力學課程的知識體系。

（4）以彈性力學、彈塑性力學和流體力學為加強

在力學體系設置比較全面的學校，培養方案中還會針對師資力量和專業課程的提高要求來設置彈性力學、彈塑性力學或者流體力學來加強學生的力學系統性。即針對采礦工程面向巖石為對象的特點設置彈性和彈塑性力學，根據核心課程礦井通風的要求設置流體力學，以此來提高和加強學生的力學功底，從而使其能夠更進一步地根據實際條件采用不同的力學功能和計算方法來解決生產和學習中遇到的問題。

二、巖土力學課程開設的目的和必要性

我國采礦工程的發展經歷了多個起伏的階段，從建國時期的百廢待興，礦業先行，到文革時期礦業的邊緣化，一直到上世紀末期的煤炭沒落又到黃金十年，煤炭市場的變化對于采礦人才的需求和培養質量起到了重要的影響，煤炭市場不好時，采礦工程專業的招生錄取分數線在校內偏低，而在煤炭黃金十年，采礦工程專業的招生分數線遠高于校內其它專業。

隨著國家能源需求和規劃的調整，礦業能源雖然作為主體能源的地位不會改變，但是在國家優化產能結構和現有采礦技術的保障下，國家對煤炭的需求也不會出現大起大落的情況，并且在礦業生產和技術層面的技術創新方向也逐漸明朗，其中重要的一環就是如何保障在礦業開采的巖層區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的礦山開采時工作面的礦山壓力及其顯現的程度與范圍，也包括上覆下覆巖層的運移和有效控制，還包括巷道礦山壓力的產生和顯現，綜合來說這都是采礦工程活動中的力學問題，需要具備綜合力學知識，不僅僅是一門力學課程就能解決的。其中作為解決此類問題最基本的專業力學——巖石力學和土力學就成為本科生必須學會和掌握的方法和工具。

三、巖土力學課程內容設置與實施方法

根據以上要求和力學課程的獨立性和相關性，我校采礦專業決定將巖石力學和土力學合并為一門課程開設，命名為礦山巖土力學，而采礦工程專業本科培養方案中課程設置學分數和課程數有嚴格要求，不能一味增加課程和課時數，因此合理的設計課程和課程內容以滿足專業的需求成為課程設置的關鍵。根據礦山巖土力學在整個采礦工程專業課程中的作用將其歸類設計為專業核心課，由于其在專業力學方面的基礎作用，作為后續礦山壓力與巖層控制、地下工程等課程的先修課程，實施時間定于大學本科第五學期的學期初開設，設計學分為2.5學分40學時，是最早開設的專業核心課。

巖石力學和土力學均可作為一門獨立的課程進行設置，其內容也非常豐富，40學時內不能完全講述，因此根據采礦工程專業的需求，礦山巖土力學主要講述在采礦工程活動和研究過程中遇到的巖石力學和土力學的基本理論、方法和典型工程技術。具體來說就是在巖石力學方面首先講述巖石與巖體力學的基本性質、試驗方法和巖石巖體的工程分類，然后講述巖石的應力、變形以及強度理論，最后結合采礦工程問題講述硐室穩定性、邊坡穩定性等的力學分析方法；在土力學方面，首先講授土體的性質、類型和工程劃分；其次講授土的應力、強度特征與土的固結沉降理論；最后講述土體壓力計算及擋土結構的穩定性計算方法和地基土的承載力；其中結合采礦工程專業要專門講授礦山巖土工程的常用支護技術與方法，礦山巖體穩定性的常用分析方法等。

我國礦山數量眾多，采礦工程作為一門面向自然界的工程科學，其專業人才必須具備運用自然科學的基本原理發現和解決工程問題的能力，巖土力學恰恰就是一把打開采礦工程科學問題的鑰匙，在本科生階段開設此課程，對于學生從采礦的實際工程背景下看到其深層次的力學問題，學會利用力學的思維考慮工程問題，運用力學方法計算工程問題， 并在此基礎上融合采礦工程的實際大變形條件，提出能夠具有針對性的解決現場工程難題的理論與方法，具有重要作用。

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作者簡介：

張守寶，男，博士、副教授，主要從事礦業工程方面的教學與科研工作。