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工程力學(xué)教學(xué)中采礦工程實(shí)例的運用論文
摘 要：探討了工程力學(xué)課程的特點(diǎn)，基于工程力學(xué)“力學(xué)”理論與“工程”實(shí)踐兼而有之的本質(zhì)特性，分析了采礦工程中的頂板穩定性、中深孔采礦技術(shù)、膠結充填開(kāi)采三個(gè)典型案例力學(xué)建模實(shí)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(shí)踐表明，采礦工程案例與工程力學(xué)課堂教學(xué)的結合，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習的興趣和熱情，培養了學(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(mén)廣泛應用于各類(lèi)工程領(lǐng)域的技術(shù)基礎課，是現代工程技術(shù)的基礎理論，也是機械、汽車(chē)、材料、紡織、車(chē)輛工程等專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)基礎課。 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)生知識體系的構建和創(chuàng )新思維能力的培養，學(xué)好工程力學(xué)可以為后續課程的學(xué)習打下堅實(shí)的基礎。
課堂是知識學(xué)習的主陣地，為了提高工程力學(xué)課程課堂教學(xué)效果，訓練學(xué)生力學(xué)專(zhuān)業(yè)素養和運用所學(xué)力學(xué)知識解決工程問(wèn)題的能力，進(jìn)而為培養學(xué)生的創(chuàng )新能力提供條件，國內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(jìn)行了多角度探索和實(shí)踐。 如劉巍[1]對工程力學(xué)教材的建設方面提出了幾點(diǎn)建議，鄒良浩和蔣寅軍[2]探討了 PPT（Pow-erPoint Teaching）在工程力學(xué)專(zhuān)業(yè)相關(guān)課程教學(xué)中的應用。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(diǎn)的課堂教學(xué)實(shí)踐[4]、問(wèn)題式教學(xué)法[5]、案例教學(xué)法[6-7]、依托網(wǎng)絡(luò )數字化資源的微課[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(shí)際問(wèn)題引入課堂可以保持知識與時(shí)俱進(jìn)的先進(jìn)性，為此，文章探索將煤礦開(kāi)采問(wèn)題作為實(shí)現工程力學(xué)的“力學(xué)”理論與“工程”實(shí)踐相結合的重要橋梁紐帶，也是將書(shū)本力學(xué)知識與工程實(shí)踐相結合的有效途徑。 同時(shí)，工程力學(xué)作為煤礦開(kāi)采科學(xué)的重要應用領(lǐng)域， 關(guān)系到國家能源的安全高效環(huán)保問(wèn)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(shí)壓縮、 內容精簡(jiǎn)、要求提高等難題，為了保證良好的教學(xué)效果，必須著(zhù)力改善教學(xué)內容和方法，促使學(xué)生做到“課堂有興趣、學(xué)習有收獲、知識學(xué)扎實(shí)”,最終達到對知識學(xué)以致用、融會(huì )貫通的目的。 工程案例教學(xué)要求教師能夠實(shí)現自身知識更新、 掌握最新前沿研究成果， 注重優(yōu)化工程力學(xué)課程內容與教學(xué)過(guò)程設計，將案例很好地引入到課堂教學(xué)中，注重學(xué)生應用研究能力的培養， 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)習難度大，為了提高學(xué)生對課程學(xué)習的興趣[12],可采用工程案例教學(xué)方法，以解決工程實(shí)際問(wèn)題為主線(xiàn)。 這種帶著(zhù)問(wèn)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)法是解決當前工程力學(xué)教與學(xué)矛盾的有力措施。
多數工程實(shí)踐案例并非單一知識點(diǎn)的應用，更多的是多知識點(diǎn)的綜合交叉融合。 工程實(shí)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(huì )貫通、舉一反三的目的，還能在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中提高課程學(xué)習興趣和學(xué)習信心，實(shí)踐性和趣味性兼而有之，能使學(xué)生深刻體會(huì )到“每所學(xué)，必有用”
的哲理，切身體會(huì )到課堂所學(xué)力學(xué)知識的應用價(jià)值所在，激發(fā)學(xué)生學(xué)習的主觀(guān)能動(dòng)性，有助于培養學(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(lái)工作崗位的預見(jiàn)性和適應性。 同時(shí)，教師通過(guò)課堂教學(xué)與最新科學(xué)研究成果的結合，達到了教學(xué)相長(cháng)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定性力學(xué)問(wèn)題、中深孔采礦技術(shù)力學(xué)問(wèn)題和膠結充填開(kāi)采方法頂板力學(xué)問(wèn)題這三個(gè)具體問(wèn)題為分析對象，依據各具體問(wèn)題抽象出與其對應的力學(xué)模型。 課堂上先對產(chǎn)生每種力學(xué)問(wèn)題的工程背景進(jìn)行介紹，之后再考慮其力學(xué)本質(zhì)，進(jìn)而抽象出力學(xué)模型。
2.1 頂煤穩定性分析。
對井工煤礦開(kāi)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的模型（文獻[13]圖 2）。 受煤柱兩側破裂區的影響，兩側破裂區處于接近貫通或貫通狀態(tài)， 因此將覆巖右側視為活動(dòng)鉸鏈約束B(niǎo),對上覆巖體具有豎直向上的支撐反力；左側視為固定端約束 A,對上覆巖體同時(shí)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(kāi)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成了采場(chǎng)頂板。 因此，深孔開(kāi)采力學(xué)模型簡(jiǎn)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 膠結充填開(kāi)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，減輕了工作面災害和地表沉陷。 采空區中充填材料起始時(shí)間 7 d 內強度上升較快， 之后充填材料強度緩慢增長(cháng)，28 d 后強度恒定， 故將充填區劃分為 B 區 （強度快速增長(cháng)區）、C區（強度緩慢增長(cháng)區）和 D 區（強度恒定區），D 區充填體能完全支撐原巖應力。 忽略膠體充入前頂板下沉量，充填體接頂良好時(shí)的采場(chǎng)力學(xué)模型及其受力分析見(jiàn)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 區寬度，c 為 C 區起始位置至 E 位置的寬度，R1為巖梁左端支座反力、R2為巖梁右側支座反力，M1 為巖梁左側支座彎矩，M2為巖梁左側支座彎矩，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 區充填體產(chǎn)生的最大支撐力，q3為 E 位置的支撐力。
3 結語(yǔ)。
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(jìn)行分析求解。
2）工程案例教學(xué)體現了學(xué)為主體，教師學(xué)習教授最新科研成果， 通過(guò)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(shí)際問(wèn)題的能力。
3）通過(guò)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)習的熱情，培養了學(xué)生創(chuàng )新思維能力，為今后的崗位工作打下來(lái)基礎，取得了良好的效果。
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