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工程力學(xué)教學(xué)中采礦工程實例的運用論文
摘 要：探討了工程力學(xué)課程的特點，基于工程力學(xué)“力學(xué)”理論與“工程”實踐兼而有之的本質(zhì)特性，分析了采礦工程中的頂板穩(wěn)定性、中深孔采礦技術(shù)、膠結(jié)充填開采三個典型案例力學(xué)建模實例，研究了采礦工程案例在工程力學(xué)課程教學(xué)中的運用。實踐表明，采礦工程案例與工程力學(xué)課堂教學(xué)的結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞：工程力學(xué)；采礦工程；案例教學(xué)。
工程力學(xué)是一門廣泛應(yīng)用于各類工程領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)課，是現(xiàn)代工程技術(shù)的基礎(chǔ)理論，也是機械、汽車、材料、紡織、車輛工程等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。 工程力學(xué)包括理論力學(xué)部分和材料力學(xué)部分，工程力學(xué)課程關(guān)乎學(xué)生知識體系的構(gòu)建和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)，學(xué)好工程力學(xué)可以為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。
課堂是知識學(xué)習(xí)的主陣地，為了提高工程力學(xué)課程課堂教學(xué)效果，訓(xùn)練學(xué)生力學(xué)專業(yè)素養(yǎng)和運用所學(xué)力學(xué)知識解決工程問題的能力，進而為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力提供條件，國內(nèi)眾多研究者從工程力學(xué)教學(xué)的手段、方法、理念等方面進行了多角度探索和實踐。 如劉巍[1]對工程力學(xué)教材的建設(shè)方面提出了幾點建議，鄒良浩和蔣寅軍[2]探討了 PPT（Pow-erPoint Teaching）在工程力學(xué)專業(yè)相關(guān)課程教學(xué)中的應(yīng)用。小班多組學(xué)生的合作教學(xué)法[3]. 以力學(xué)競賽為切入點的課堂教學(xué)實踐[4]、問題式教學(xué)法[5]、案例教學(xué)法[6-7]、依托網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化資源的微課[8]和 MOOC（Massive Open Online Course）[9]等教學(xué)方法或模式。
工程力學(xué)的學(xué)科內(nèi)在形態(tài)[10]決定了 “力學(xué)”與“工程”的相伴而生，吳守軍和閆寧霞[11]認為將工程實際問題引入課堂可以保持知識與時俱進的先進性，為此，文章探索將煤礦開采問題作為實現(xiàn)工程力學(xué)的“力學(xué)”理論與“工程”實踐相結(jié)合的重要橋梁紐帶，也是將書本力學(xué)知識與工程實踐相結(jié)合的有效途徑。 同時，工程力學(xué)作為煤礦開采科學(xué)的重要應(yīng)用領(lǐng)域， 關(guān)系到國家能源的安全高效環(huán)保問題，因此很有必要讓學(xué)生了解到最新的科學(xué)研究成果。
面對目前工程力學(xué)課程學(xué)時壓縮、 內(nèi)容精簡、要求提高等難題，為了保證良好的教學(xué)效果，必須著力改善教學(xué)內(nèi)容和方法，促使學(xué)生做到“課堂有興趣、學(xué)習(xí)有收獲、知識學(xué)扎實”,最終達到對知識學(xué)以致用、融會貫通的目的。 工程案例教學(xué)要求教師能夠?qū)崿F(xiàn)自身知識更新、 掌握最新前沿研究成果， 注重優(yōu)化工程力學(xué)課程內(nèi)容與教學(xué)過程設(shè)計，將案例很好地引入到課堂教學(xué)中，注重學(xué)生應(yīng)用研究能力的培養(yǎng)， 有助于學(xué)生創(chuàng)新思維的形成與鍛煉。
1 工程案例教學(xué)法。
工程力學(xué)課程理論性較強， 學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，為了提高學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣[12],可采用工程案例教學(xué)方法，以解決工程實際問題為主線。 這種帶著問題和興趣教學(xué)的方法具有良好的教學(xué)效果，所以，工程案例教學(xué)法是解決當(dāng)前工程力學(xué)教與學(xué)矛盾的有力措施。
多數(shù)工程實踐案例并非單一知識點的應(yīng)用，更多的是多知識點的綜合交叉融合。 工程實例不僅讓學(xué)生更深入理解所學(xué)知識，達到綜合運用、融會貫通、舉一反三的目的，還能在解決實際問題的過程中提高課程學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)信心，實踐性和趣味性兼而有之，能使學(xué)生深刻體會到“每所學(xué)，必有用”
的哲理，切身體會到課堂所學(xué)力學(xué)知識的應(yīng)用價值所在，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，有助于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和科研創(chuàng)新的積極性，提升教學(xué)質(zhì)量， 增強學(xué)生在未來工作崗位的預(yù)見性和適應(yīng)性。 同時，教師通過課堂教學(xué)與最新科學(xué)研究成果的結(jié)合，達到了教學(xué)相長的目的。
2 采礦工程教學(xué)案例。
文章以井工采礦工程中的頂板穩(wěn)定性力學(xué)問題、中深孔采礦技術(shù)力學(xué)問題和膠結(jié)充填開采方法頂板力學(xué)問題這三個具體問題為分析對象，依據(jù)各具體問題抽象出與其對應(yīng)的力學(xué)模型。 課堂上先對產(chǎn)生每種力學(xué)問題的工程背景進行介紹，之后再考慮其力學(xué)本質(zhì)，進而抽象出力學(xué)模型。
2.1 頂煤穩(wěn)定性分析。
對井工煤礦開采條件下綜放沿空掘巷上覆巖層（文獻[13]圖 1）而言，為了抓住巷道頂煤的力學(xué)本質(zhì)特征可以抽象出其對應(yīng)的模型（文獻[13]圖 2）。 受煤柱兩側(cè)破裂區(qū)的影響，兩側(cè)破裂區(qū)處于接近貫通或貫通狀態(tài)， 因此將覆巖右側(cè)視為活動鉸鏈約束B,對上覆巖體具有豎直向上的支撐反力；左側(cè)視為固定端約束 A,對上覆巖體同時具有力和力偶的作用；q 為上覆巖層均布荷載。
2.2 中深孔采礦分析。
針對中深孔薄礦體開采工藝（文獻[14]圖 1），直接頂板不能作為力的傳遞介質(zhì)，基本頂板能夠保持力的傳遞性，直接頂板和基本頂板共同構(gòu)成了采場頂板。 因此，深孔開采力學(xué)模型簡化力學(xué)模型圖（文獻[14]圖 2）中 h 為頂板厚度，跨度為 2l,頂板所受到的均布荷載大小為 q.
2.3 膠結(jié)充填開采分析。
膠體充填采礦技術(shù)可以有效利用充填材料、支架（柱）對頂板的支撐力，減輕了工作面災(zāi)害和地表沉陷。 采空區(qū)中充填材料起始時間 7 d 內(nèi)強度上升較快， 之后充填材料強度緩慢增長，28 d 后強度恒定， 故將充填區(qū)劃分為 B 區(qū) （強度快速增長區(qū)）、C區(qū)（強度緩慢增長區(qū)）和 D 區(qū)（強度恒定區(qū)），D 區(qū)充填體能完全支撐原巖應(yīng)力。 忽略膠體充入前頂板下沉量，充填體接頂良好時的采場力學(xué)模型及其受力分析見文獻[15]圖 1 和文獻[15]圖 2 所示。 其中，h 為煤層頂板厚度，H-h 為上覆巖層厚度， 位置 E 處充填體能完全抵抗上覆巖層荷載，a 為支柱（架）作用寬度，b 為 B 區(qū)寬度，c 為 C 區(qū)起始位置至 E 位置的寬度，R1為巖梁左端支座反力、R2為巖梁右側(cè)支座反力，M1 為巖梁左側(cè)支座彎矩，M2為巖梁左側(cè)支座彎矩，q 為上覆巖層對巖梁產(chǎn)生的均布荷載，q1為支柱（架）對巖梁的均布支撐力，q2為 B 區(qū)充填體產(chǎn)生的最大支撐力，q3為 E 位置的支撐力。
3 結(jié)語。
1）對上述典型的采礦工程案例抽象出力學(xué)模型后，綜合運用工程力學(xué)靜力學(xué)、幾何學(xué)和物理學(xué)三方面條件進行分析求解。
2）工程案例教學(xué)體現(xiàn)了學(xué)為主體，教師學(xué)習(xí)教授最新科研成果， 通過對采礦工程案例的分析，抽象出工程力學(xué)模型， 再聯(lián)系課程基本理論與方法，鍛煉了學(xué)生運用工程力學(xué)知識解決實際問題的能力。
3）通過對文中采礦工程案例的引入，加深了工程力學(xué)知識的理解和運用，使學(xué)生不僅了解了采礦行業(yè)相關(guān)知識， 而且發(fā)揮了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新思維能力，為今后的崗位工作打下來基礎(chǔ)，取得了良好的效果。
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