時間：2022-04-17 05:42:08
序論：在您撰寫巖石力學論文時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的1篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導您走向新的創(chuàng)作高度。
摘要：為適應我國土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)和教學改革的需要，針對土木工程專業(yè)基礎課――巖石力學課程的教學特點，擬拓展實驗與實踐教學環(huán)節(jié)，增加巖石力學特性實驗與數(shù)值試驗及現(xiàn)場教學兩個部分，構建集理論教學、物理實驗與數(shù)值試驗、現(xiàn)場教學于一體的巖石力學綜合教學模式，以期推動巖石力學課程實踐性教學邁上一個新臺階。
關鍵詞：巖石力學；實驗教學；物理實驗；數(shù)值試驗
隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施和西南地區(qū)高壩建設的興起，傳統(tǒng)的巖石力學課程理論教學及授課內容已經無法滿足工程界對巖石力學知識的熱切需求，亟待開展《巖石力學》課程的教學改革。筆者基于近幾年講授土木工程專業(yè)本科生巖石力學課程的教學經驗與體會，并結合國內其他高校巖石力學教學研究所取得的一些成果[1-5]，提出我校大學生《巖石力學》課程實踐性教學改革的總體構想，即集成物理實驗與數(shù)值試驗、現(xiàn)場教學于一體的巖石力學課程實踐教學，以期推動巖石力學課程實踐性教學邁上一個新臺階。
一、巖石力學課程實踐性教學改革的必要性
巖石力學是運用力學方法與地質學原理來研究巖石與巖體的力學行為的一門新興科學，也包括研究巖體在各種力場作用下的變形與破壞規(guī)律的理論及其實際應用的科學[1]。它涉及到巖石的物理性質、拉壓剪等強度特性、與時間有關的流變特性、巖石的單軸和三軸變形特性、巖石的動力學特性、巖石的各向異性本構關系、巖體結構面的力學性質、由結構面與巖石塊體包圍的巖體的力學特性、巖體不連續(xù)面的滲流性質、地應力環(huán)境、巖體力學中的各類數(shù)值方法、巖石力學涉及的各類工程問題，包括地下空間與地下工程開發(fā)、地基（含壩基）、巖質高邊坡（含擋墻及加固體系）等的整體穩(wěn)定性與變形破壞問題等[1-3]。顯然，巖石力學的研究對象不同于一般的材料，它是非均質各向異性、含有多組結構面組合的非連續(xù)介質，其力學行為復雜多變，導致依托在這一地質體上的各類巖石工程（如巖質邊坡工程、巖石地基與壩基工程、地下隧道與采礦工程）更加復雜。正是由于巖石或巖體的復雜性及特殊性，巖石力學服務的各類工程目前還是以工程經驗、現(xiàn)場試驗與監(jiān)測為主，理論指導為輔，這給巖石力學課程的實踐性教學改革創(chuàng)造了條件、提供了難得的機遇。在理論教學基礎上強化實驗與實踐教學，通過參與室內實驗和野外實踐，采用工程實用化或經工程檢驗后的理論方法開展大規(guī)模計算分析和工程實例研究，構建集理論、實驗與實踐于一體的綜合教學改革，使學生既儲備較好的理論基礎，又具有較強的實驗與工程實踐能力，從而培養(yǎng)出具備解決復雜巖石力學問題的高端技術人才。從這個意義上說，開展巖石力學課程的實踐性教學改革是十分必要的。
二、巖石力學課程實踐性教學改革的主要內容
增加室內實驗教學與計算機數(shù)值仿真實驗環(huán)節(jié)，并結合現(xiàn)場工程實例教學，探索適合現(xiàn)代巖石力學發(fā)展的新型實踐性教學方法。
1.增加實驗教學模塊環(huán)節(jié)。目前我校大學生巖石力學課程教學主要是理論教學為主（32學時），強化書本理論知識的學習，尚未安排實驗與實踐教學環(huán)節(jié)。通過本課程的多年課堂理論教學，結合本課程經驗性、應用性較強的突出特點，擬改革現(xiàn)有教學方式，增設巖石力學實驗教學環(huán)節(jié)（模塊I），包括4個室內實驗模塊，即巖石吸水性實驗、飽和單軸抗壓實驗、點載荷抗拉實驗3個驗證性實驗項目和1個巖石剪切實驗演示項目。這4個室內實驗項目（模塊I）為巖石力學特性參數(shù)實驗，擬規(guī)劃6學時教學內容，其中驗證性實驗占4個學時，綜合實驗和演示項目占2個學時，由學生先熟悉實驗方法、實驗步驟，再由教師指導，完成實驗；同時實驗室對學生也實行開放，鼓勵學有余力的學生課后自己設計并開展相關實驗。
2.增加數(shù)值試驗教學環(huán)節(jié)。實踐教學把培養(yǎng)學生實驗技能放在首位，虛擬與現(xiàn)實相結合，動手與動腦相結合?？紤]學生人數(shù)的增加，實驗場地、儀器設備、巖塊樣品不足等矛盾，將實驗教學與計算機數(shù)值仿真相結合，開展模塊Ⅱ教學，即增加數(shù)值模擬演示實驗2學時。應用大型數(shù)值分析軟件ABAQUS進行巖石力學數(shù)值模擬實驗教學。由于巖石破裂過程現(xiàn)象的復雜性和巖石介質的復雜性，在模塊Ⅰ的巖石力學教學實驗過程中，學生很難通過大量重復性實驗看到巖石破壞的各種類型的復雜現(xiàn)象。利用引進并二次開發(fā)的ABAQUS程序，增加模塊Ⅱ的實驗教學環(huán)節(jié)，對巖石力學實驗進行輔助教學，使學生參與教學活動的主動性、創(chuàng)造性大為增強。隨著現(xiàn)代計算機技術的發(fā)展，利用計算機對巖石的變形與破裂過程進行數(shù)值試驗，不僅具有通用性強、方便靈活、具有可重復性等特點，而且可以通過數(shù)值試驗得到許多在常規(guī)實驗室試驗中難以觀測的重要信息，作為巖石力學實驗教學的重要補充，達到巖石力學實驗輔助教學的目的。但模塊Ⅱ數(shù)值試驗的應用并不能完全取代模塊Ⅰ的實驗室實驗。這是因為數(shù)值試驗時仍然需要提供巖石的細觀力學參數(shù)等信息，而且只有在證明數(shù)值試驗方法正確的基礎上才能使用它進行巖石力學的數(shù)值試驗。此外，巖石力學數(shù)值試驗也可完成復雜巖石塊體的變形破壞過程的數(shù)值仿真。
3.預設工程問題教學模式?？紤]到巖石力學數(shù)值試驗方法在解決巖石力學問題時具有通用性強、可重復性等特點，感興趣的學生可以在任課教師的指導下，在課程開設初期（如5周內）就擬定一個自己感興趣、與巖石力學與工程緊密相關的數(shù)值計算課題，帶著問題進行課程學習。課程的每個環(huán)節(jié)都使學生對問題的認識更深入一步，當專業(yè)知識和數(shù)值計算知識儲備到達一定程度后，即可開展數(shù)值試驗方面的研究。在此過程中遇到的突出問題，可以由任課教師利用課間時間給學生答疑解惑，或一些共性問題可在課堂適當講解，從而輔助學生完成預設的各類工程問題，達到事半功倍的教學效果。
4.結合工程案例的現(xiàn)場實踐性教學。實踐性教學的核心應是開展現(xiàn)場教學，將課堂教學與實際工程緊密結合，從而升華理論知識、室內實驗和數(shù)值仿真成果。針對本課程的實用化特點及課堂教學進展狀況，選擇有代表性的巖石工程作為典型教學案例進行現(xiàn)場教學，適時邀請現(xiàn)場的項目負責人就工程案例進行詳細講解，包括可能遇到的各類巖質邊坡工程、巖石地基工程、地下空間與地鐵工程等，從而增強課程學習的針對性、提高學生分析和解決實際工程問題的能力。
三、結束語
通過上述建設，將豐富我校大學生巖石力學課程的實踐性教學內容，使其充分兼顧理論、實驗與數(shù)值仿真、現(xiàn)場實踐三個方面。在此基礎上，凝練巖石力學課程實踐性教學改革的創(chuàng)新手段與特色教學方法，推動本科巖石力學課程實踐性教學改革的深入發(fā)展。
摘要：《巖石力學》這門課程具有理論性和應用性兩個方面均較強的特點。這不但需要教師和學生針對現(xiàn)有理論進行系統(tǒng)的學習，更為重要的是培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。應用研討式教學方法可以達到這一目的。本文從海洋工程《巖石力學》課程的實際需要出發(fā)，對研討式教學法的應用進行了探討。
關鍵詞：《巖石力學》；研討式教學；教師；提高能力
研討式教學發(fā)起源于早期的德國，現(xiàn)在已經成為西方高校的一種普遍的教學方法。后來郭漢明教授進行教改實踐[1，2]，創(chuàng)造了全新的研討式教學模式，開啟了國內研討式教學的先河。研討式教學以學生為主體，教師提出問題，鼓勵學生查閱資料，研究討論后解決問題[3-5]。海洋工程《巖石力學》是一門新興的課程，這門課程與以往的《巖石力學》不同之處在于，它將巖石力學與海洋環(huán)境結合起來，重點關注實際鉆井和采油等過程中的巖石力學問題。這就需要培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。應用研討式教學模式，可以充分發(fā)揮學生的主體作用，調動學生的主體性、積極性和創(chuàng)造性。本文將從海洋工程《巖石力學》這門課程的背景和實際需求出發(fā)，探討研討式教學法的優(yōu)越性和必要性。
一、海洋工程《巖石力學》的特點
海洋油氣開發(fā)與陸上油氣開發(fā)存在明顯不同，體現(xiàn)在海洋鉆井、采油的各個環(huán)節(jié)，其中《巖石力學》也表現(xiàn)出明顯的特點。首先是海底環(huán)境非常復雜，不但土質松軟，力學性質十分弱，而且地貌多變，給海洋鉆采設備及工藝提出了巨大挑戰(zhàn)。近期國外內出現(xiàn)的海洋油氣開發(fā)中的多個災難性事故與海底復雜的巖土環(huán)境密切相關。其次，海洋油氣藏多為松軟砂巖，這種巖石的孔隙度和滲透率高，儲量大，單口油井產量高，但在鉆井開發(fā)過程中往往伴隨井壁失穩(wěn)、油層不穩(wěn)定、油層出砂、油層壓實及隨之而來的海底沉降變形等問題。目前為船舶與海洋工程專業(yè)開設《巖石力學》課程經過兩年的教學實踐，表明這門課程的開設十分必要，學生對于《巖石力學》的學習積極性也較高，基本達到了課程開設的教學目標。但是隨著學科的不斷發(fā)展，在《巖石力學》的教學中需要重點突出海洋石油開發(fā)過程中的巖石力學問題，而目前這一點做的不是很充分。另外，《巖石力學》這門課程具有理論性和應用性兩個方面均較強的特點，這不但需要教師和學生針對現(xiàn)有理論進行系統(tǒng)地學習，更為重要的是培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。
二、研討式教學模式的優(yōu)勢
傳統(tǒng)的教育理念是以教師為主體，學生為客體，主客關系非常明確。學生被動的吸取知識，這就容易造成：學生很難在學習中產生主動學習的興趣，知識的獲取僅限于課堂，失去了學習的動力，壓抑個性，限制了學生的全面發(fā)展。同時，也不利于師生之間的交流。研討式教學模式提倡以人為本的理念[6]。從學生的發(fā)展角度出發(fā)，教師從單一的知識傳授者轉變成學生學習的引導者。與傳統(tǒng)的課堂模式相比，研討式教學具有明顯的互動性，提高學生的參與性，更加強了師生之間的平等交流的關系，活躍了課堂氣氛，有利于提高學生的綜合素質。這些特點體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）以學生為主體的討論式教學可以調動學生的興趣，激發(fā)他們學習和探討問題的動力。在這一點上，教師的引導作用至關重要。它需要我們從學生的角度出發(fā)，構建一套完整的引導學生進入研討境界的課程教學程序。（2）培養(yǎng)了學生的自學能力。研討式教學改變了長久以來教師講課為主的教學模式，代之以個人自學為主，小組討論評比，然后由教師總結討論結果。這種教學方式符合學生的心理特征，肯定了他們的學習成果。（3）改善了學生與教師之間的關系，實現(xiàn)了學生和教師在課堂上的良性互動。
三、基于研討式教學方法的教學實施
海洋工程《巖石力學》是一門根據(jù)海洋油氣開發(fā)過程中的巖石力學問題衍生出來的相關課程，我們不能依照一般的巖石力學來授課。根據(jù)海洋工程《巖石力學》的課程性質，我們從以下幾個方面來設計研討式授課內容。
1.海洋環(huán)境及巖石力學的相關文獻閱讀指導方案。文獻閱讀與分析是從事科學研究的重要環(huán)節(jié)和基本功，讓學生在本科階段適當結合學習內容開展文獻閱讀的訓練不但對本課程的學習十分有益，而且為以后進一步的發(fā)展打下了堅實的基礎。這是研討式教學的第一步。這個環(huán)節(jié)可以讓學生開闊視野，了解相關課題的最新研究動態(tài)。
2.結合海洋油氣開發(fā)的工程實際和巖石力學理論，研究研討課題。相對于課題的解決而言，課題的提出不但難度大而且頗具挑戰(zhàn)性。好的課題可以發(fā)現(xiàn)工程實際的本質，解決實際問題，而且可行性較好；而不好的課題無法抓住問題的本質，且解決不了實際問題。要做到選題合理，必須抓住研究中的關鍵點，這可以是學術前沿，也可以是學術研究中的熱點問題。教師在這一環(huán)節(jié)起到至關重要的作用。因為這不僅需要教師具有專業(yè)的知識水平，還需要了解學生的實際情況，制定的課題要有代表性，還要注意難易程度，務必使學生有所得。
3.基于MatLab平臺的計算機輔助研究提出的課題?，F(xiàn)實問題的復雜性和規(guī)模往往不是傳統(tǒng)的紙和筆的模式容易解決的，大多需要借助計算機程序輔助解決。大學生對Matlab的學習和掌握較為容易。加入這一內容是為了使學生能夠掌握實際解決問題的技能。通過認真篩選，我們最終選擇了四個課題，用于研討式教學，即水力壓裂模型、海底沉降模型、地層出砂模型、井壁穩(wěn)定模型。在給出討論題目之后，我們將學生分組，根據(jù)學生的人數(shù)和課時的安排，將學生分為4個小組，分別選擇一個課題。教師對研究課題給出要求，小組自己安排分工，教師可以在旁指導。首先是學生查閱文獻，因為相關資料非常繁雜，所以教師可以針對研究課題，介紹一些文獻資料，使學生少走彎路，在此基礎上，也鼓勵學生自己查找資料補充，消化、歸納和總結文獻資料。這是研討課中最重要、也最花費時間的一個環(huán)節(jié)。它要求學生投入很大的精力和時間，對所有資料進行閱讀理解，如課題的研究背景、研究思路和方法，最近的研究成果以及實際的應用情況。對于每個課題，我們要求學生選擇一個實際案例，進行編程，且選擇一種軟件進行數(shù)值模擬，一方面是驗證自己的理論知識，另一方面是學習一門軟件技能。如圖1所示，是1組同學用Matlab設計的一個計算而為水力壓裂模型的界面，圖2是3組同學采用Abaqus計算的直井井壁圍巖的應力分布情況。經過這些練習，同學們對知識的理解更加深刻，教師也了解了學生知識的掌握情況。
報告的總結和歸納，是對所有工作的總結，包括組內成員之間的交流和統(tǒng)一意見，最后編寫成研討課上的演講稿和課件。這個過程對于培養(yǎng)學生的文字表達和口頭表達的能力十分重要。教師在這個環(huán)節(jié)可以引導學生，如演講稿的版面要美觀大方，內容必須簡潔明了。我們鼓勵學生在小組中先進行組內答辯，然后其他成員打分，提意見，推選出一位代表，進行課上的答辯。最后，學生代表根據(jù)自己選擇的課題在全班進行答辯，其他學生討論交流，提出自己的看法和問題，然后大家針對這些問題進行討論解答。教師在這個環(huán)節(jié)中可以進行引導和啟發(fā)學生，注意調節(jié)課堂氣氛，還要對演講同學以及小組進行點評和打分，在所有小組演講完畢，要進行最后的總結和歸納。
實踐表明，研討式教學對學生掌握知識、提高能力、培養(yǎng)研究素養(yǎng)具有重要的作用。這種教學方法為師生提供了一個自由、開放、積極地交流環(huán)境，激發(fā)了學生的學習熱情，研討的過程更是一個跨專業(yè)的交流和溝通，學生相互之間取長補短，開闊了大家的視野，使學生全方位的考慮問題，完善課程的認識層面。它也促進了師生之間的平等交流，客觀上強化了一種學術交流模式，從而實現(xiàn)了學術水平的共同進步。
摘要：巖石力學不僅是一門重視理論的學科，也是一門實踐性很強的工程學科，是巖土工程等專業(yè)的重要基礎課程。針對目前中國高校巖石力學的內容落后以及教學方式枯燥等問題，本文著重探究了建設巖石力學雙語課程的必要性及可行性，以促進雙語教學在高校的落實，發(fā)揮雙語教學在高校素質教育中的作用，為高校培養(yǎng)巖石力學高層人才提供有效思路。
關鍵詞：巖石力學；雙語教學；必要性
目前，我國絕大多數(shù)高校都采用普通話作為教學語言。而香港和新加坡的大學主要使用英語教學。臺灣也正在加強英語教學的力度。還有很多非英語國家的高校正在使用英語教學或開始設置英語課程了[1]。世界各地都廣泛地使用英語授課或者從事各種學術活動，如今英語已經成為了一種科技語言。因此，采用英語傳遞信息已成為全球文化與科學的主要形式。雙語教學，即在課堂上增加使用第二中語言來進行學科的教授，它已經是實施雙語教育的重要手段之一[2]。為了推動雙語教學的發(fā)展，教育部自2001年明確提出要在高校積極推動使用英語等外語進行教學，其中“本科教育要創(chuàng)造條件使用英語等外語進行公共課和專業(yè)課教學”，近年來我國內陸許多高校增開了一系列雙語課，也就是在教學過程中既有英語授課部分，又有漢語授課部分。不少人認為，雙語教學可以促進高等教育的國際化[3]。巖石力學是運用力學原理和方法來研究巖體的力學以及力學相關現(xiàn)象的一門新興科學，也就是研究巖體在各種力場作用下變形與破壞規(guī)律的理論及其實際應用的科學[4]。為了達到良好的教學效果，在調查分析國內外高校尤其是石油類高校教學過程中存在的問題，我們對巖石力學建設雙語課程的必要性進行了探索。
一、目前巖石力學課程存在的問題
1.教材陳舊，內容落后。隨著我國在基礎設施建設方面的投資和發(fā)展，巖石力學的理論研究取得了長足進展，建造出了三峽工程、青藏鐵路、南水北調等許多高難度、劃時代的標志性工程，使得我國在巖石力學的理論研究、室內外試驗、現(xiàn)場監(jiān)測和經驗積累方面獲得了舉世矚目的成果[5]。然而，作為培養(yǎng)巖石力學高級人才的大學，普遍存在著所采教材陳舊，內容嚴重落后于目前巖石力學的實際發(fā)展水平的現(xiàn)象，在一定程度上出現(xiàn)理論與現(xiàn)實脫節(jié)的現(xiàn)象。
2.教學手段單調，教學模式枯燥。巖石力學的理論比較枯燥，容易導致學生的學習興趣不高、主動性不強。僅僅以傳統(tǒng)的傳授書本知識為主的板書和PPT課堂教學模式已不能滿足應用型本科人才培養(yǎng)的需求[6～9]。另外，該課設置的課時量相對于要講授的內容來說偏少，按照傳統(tǒng)的教學方式進行，容易出現(xiàn)讓學生對知識只能寬泛了解而掌握不牢的現(xiàn)象，同時也容易讓老師被迫放棄部分教學內容的現(xiàn)象。巖石力學包含的力學知識點較多，存在很多公式的推導過程，僅僅靠板書和PPT的形式，不能讓學生高效地接受知識。
二、采用雙語進行巖石力學的教學的必要性
21世紀是知識、信息和經濟一體化的時代。隨著我國對外開放的深入，特別是成功加入WTO以后，各個行業(yè)積極引入國外的先進技術和實驗設備，對外交流與合作日益密切，與巖石力學相關的行業(yè)也不例外，我國高校教育正面臨著更加嚴酷的國際競爭環(huán)境，在一定程度上需求具有一定的專業(yè)外語知識的人才。
1.采用多種教學手段，增強教學效果。雖然也有單獨開設了土木工程專業(yè)英語等專業(yè)外語課，但是仍存在一些內容交叉重復的問題，給教學帶來了困難[4]。所以在巖石力學課程教學改革方案中，不應局限于教授專業(yè)外語知識，也可以在漢語授課過程中普及相應的專業(yè)外語詞匯。所以，可以在師資條件具備的情況下，巖石力學采取專業(yè)教學與外語教學相結合的雙語教學辦法，教材可以采用外文教材或者添加外文輔助教材以跟進國內外進展，從而保證內容的先進性。教學過程中，可以在每一章增加相應的專業(yè)詞匯的英文注解及相關解釋。另外，還應提供外文資料供學生參考。這樣多途徑的教學方式，讓學生在學習專業(yè)課程的同時，又學習了專業(yè)外語。既避免了專業(yè)課程專業(yè)詞匯零散的缺點，也增加了學生們學習專業(yè)外語的興趣。
2.增強英語的閱讀和表達能力。（1）實施雙語教學可以為學生打好堅實的專業(yè)詞匯基礎，補充公共外語教學的不足，促進國際學習交流的效果。隨著國際化交流的日益頻繁，除了查閱國際期刊，學生們有越來越多的機會出席各類國際會議，直接聆聽外國專家的演講報告，并且參與到國際學術交流中去；而更有相當一部分的同學將可能去國外留學或者工作。因此課堂上采取雙語教學可以使學生們提前熟悉掌握該專業(yè)的名詞術語，達到與國際同行順利進行學術交流的目的；而一般的公共外語考試并無法涉及這些專業(yè)內容，經驗表明只接受公共外語教育不能滿足專業(yè)交流的需要，這就更加體現(xiàn)出雙語教學的必要性。
（2）實施雙語教學可以通過中英文對照，采取優(yōu)勢互補，以加深對內容的理解和辨析。專業(yè)詞匯或者定義、表述等由于英語語言習慣與漢語的不同，有時在翻譯成漢語的過程中會出現(xiàn)生硬、不準確，甚至有歧義的地方，而直接在英語的環(huán)境下學習反而更加有利于內容的理解和知識點的掌握。另一方面，有些專業(yè)詞匯是由學生并不熟悉的詞根組合而成的，這時通過與漢語書本內容進行比較可以在學習專業(yè)知識的同時加深對于英語的構詞方式的理解，對類似的生詞觸類旁通，從而達到舉一反三的效果。（3）實施雙語教學學生不但可以掌握巖石力學的專業(yè)詞匯，也可以對其他一些基本的科技用語有所了解。比如基本的數(shù)學物理符號的讀法、縮寫的含義，石油生產過程中的常見設備的英文說法等，同樣這些也是公共外語所沒有包含的內容。
三、采用雙語進行巖石力學的教學的可行性
1.高校教師的英文水平可以勝任雙語教學的要求。目前高校中有許多在國外學習訪問并且用英文發(fā)表文章和進行講座經歷的老師，他們的外語能力可以充分保證雙語教學的實施效果。
2.巖石力學的教學資源有許多國內外經典的原版教材。這些教材既包括側重原理、概念講授的基礎教材，也有充分反映最新研究成果的專著。在授課過程中可以選擇其中的一部分作為指定的教材及參考書，以滿足不同的教學需要。
總之，以強調理論聯(lián)系實際、重點培養(yǎng)學生的英語能力為該課程的主要建設目標，進一步提高教師教學水平，加強教材等教學資源的建設，不斷優(yōu)化教學內容及教學方法，最終讓學生掌握本門課程教學內容，實現(xiàn)英語水平的提高。實現(xiàn)讓學生掌握絕大部分專業(yè)詞匯，勝任該專業(yè)領域的國際交流，學習跟蹤近期國內外反應重要學術和生產動態(tài)的文獻，了解學科前沿發(fā)展情況及最新成果的最終目標。
摘要：巖石力學是一門理論性和實踐性均較強的課程，如何開展教學活動，以確保教學質量，是值得深思的問題。從教材內容、課堂教學方法、課程教學手段、實踐教學、行業(yè)現(xiàn)狀等方面對巖石力學課程的教學進行了全面的探討。通過教學改革實踐結果表明：在全面掌握該課程的基礎上，學生課上更加積極主動，興趣更加濃厚，取得了良好的效果，為巖石力學教學改革提供了借鑒。
關鍵詞：巖石力學；教學方法；教學實踐；教學目標
《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010～2020年）》[1]指出，我國高等教育的發(fā)展，將定位于以全面提高高等教育質量為重點，更加注重提高人才質量、提升教學研究水平和增強社會服務能力、特別強調了高等教育要“優(yōu)化結構辦出特色”，發(fā)揮政策指導和資源配置的作用，引導高校合理定位，克服同質化傾向，[2]形成各自辦學理念和風格，在不同層次、不同領域辦出特色，爭創(chuàng)一流。
巖石力學是研究巖石力學形態(tài)的理論和應用的科學，是探討巖石對周圍物理環(huán)境中力場反應的學科，是一門應用型基礎學科，其理論基礎廣泛，涉及工程地質學、固體力學、彈塑性力學、計算數(shù)學、構造地質學、地球物理學、建筑結構學等多門學科。通過對巖石力學形態(tài)的理論和實驗研究，解決巖土工程領域的破壞和穩(wěn)定問題，主要圍繞工程地質研究方法、數(shù)學和力學分析法以及綜合評價法展開，衍生出各種應用手段和試驗方法，較好地解決了巖土工程中所遇到的問題?；诒菊n程的特點和重要性，有必要采取行之有效的措施提高“巖石力學”課程的教學水平，進一步增強內蒙古科技大學（以下簡稱“我?！保r土與地下工程方向本科生的核心競爭力，以便能夠培出更多基礎扎實、知識面廣養(yǎng)、素質高、能力強、有創(chuàng)新意識和較強工程實踐能力的高級技術人才。
一、“巖石力學”課程教學現(xiàn)狀
土木工程是內蒙古科技大學歷史較為悠久的專業(yè)之一，專業(yè)下設建筑工程、道路與橋梁、鋼結構、巖土與地下工程四個方向。巖石力學是2006年新增設的一門巖土與地下工程方向必修課，其開設時間短，基礎較為薄弱，由于一些主觀及客觀的原因，課程教學存在著很多問題。
隨著經濟和社會的發(fā)展，巖石力學新理論、新工藝也如雨后春筍般出現(xiàn)，這對于廣大教學工作者提出了更高的要求。然而教材內容較為陳舊，現(xiàn)代新理論、新工藝多沒有涉及，如課程中關于地應力測量方法[3]章節(jié)中壓磁應力解除法、HTPT法等則沒有描述。部分章節(jié)存在著與工程實際脫節(jié)的現(xiàn)象，學生重視程度不夠，如巖石力學數(shù)值分析方法章節(jié)。同時巖石力學由于其理論基礎廣泛，教師課上需要做大量的公式推導及理論的串聯(lián)工作，但有些教師拋繁就簡，關鍵部分不做詳細闡述，忽視了學生能力參差不齊的特點；某些涉及工程應用部分的講述雖然采用了現(xiàn)代多媒體手段，但是手段單一，多為圖文課件，缺少動畫素材及現(xiàn)場視頻。另外，不同規(guī)范之間同樣問題的描述不一致使學生感到極為困惑。如對于巖石、巖體（圍巖）的分類，《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2001）（附錄A）中將巖體基本質量等級分為I～V（好～差）級，而在其他規(guī)范中，如《公路工程地質勘查規(guī)范》（JTJ 064-98）（附錄G）中將隧道圍巖分為I～VI（差～好）級，兩者之間存在截然不同的差別。規(guī)范之間諸如此類問題較多。
二、巖石力學課程教學改革
1.改善教學方法，培養(yǎng)創(chuàng)新思維
巖石力學課程傳統(tǒng)的教學方式是教師以講授為主，學生則被動接受知識，這種教學方式遏制了學生學習和思考問題的積極性，為了改變這種狀態(tài)，形成教師和學生互動學習的氣氛，必須改革原有的教學方法。根據(jù)教學內容的難易程度，采用啟發(fā)式、研究式、討論式等多種教學方法。對部分偏理論或純理論章節(jié)，教師應對其來源、本質、對工程的意義和重要性以及與其相關理論的關聯(lián)做深入的解剖，使學生有一個較為清楚的認識。當學生弄清基本概念和原理，再把握大的研究方向，則不難培養(yǎng)出學生思考問題的積極性以及創(chuàng)新意識。利用本校的文獻檢索平臺，可結合課本及工程實際布置課后任務，讓學生充分利用其中資源，了解前人的研究成果和在時代大環(huán)境下某個研究內容的進展，引導學生大膽說出自己的見解。課上讓學生各抒已見，適當引入討論課的形式，使教師和學生之間、學生和學生之間互動交流。
2.豐富教學手段，緊跟時代步伐
基于巖石力學本身的特點以及傳統(tǒng)“黑板+粉筆”書寫速度慢、單一、呆板、信息量小的缺點，課程教學適當結合現(xiàn)代多媒體手段，充分利用多媒體課件授課內容多、圖文并茂、表現(xiàn)力豐富的優(yōu)點，提高授課效率，調動學生課堂情緒。當遇到重點公式推導時，采用傳統(tǒng)板書的方式，教師一步步推導，使學生易于理解，加深印象，也避免了因學生素質良莠不齊，導致教師錯估教學效果，造成惡性循環(huán)的局面。教師對于多媒體課件的制作，應盡可能提高課件制作能力，隨時準備大量的圖片和影像素材，特別是以往代表性的工程案例、近期的工程現(xiàn)場視頻以及新工藝、新技術、新設備等的詳細情況，從而使學生充分關注本專業(yè)領域最新動態(tài)，培養(yǎng)其獨立思考問題的能力，擴展學生的知識面。另外，培養(yǎng)學生在課下利用內蒙古科技大學教學綜合網絡平臺的習慣，發(fā)揮平臺上的資源優(yōu)勢，通過師生討論區(qū)、答疑區(qū)、通知等，形成網絡教與學的互動。
3.學與用的結合，理論與實踐的統(tǒng)一
一方面，鼓勵和指導學生參與大學生創(chuàng)新基金項目和教師的一些科研項目或其他工程現(xiàn)場，將巖石力學的知識點融入到項目中，使學生提前接觸生產實際，掌握一些在課堂上學不到的東西，增強學生運用科學知識和方法解決實際問題的能力。例如，我校東門在建的地下人行通道，學生從工作井的開挖到襯砌的完成，基本全程參與，學生對課堂上較為模糊的知識點多有了比較清晰的認識，現(xiàn)場學生和教師的“問”與“答”的互動，也取得了理想的效果。另一方面，充分利用計算機仿真技術，采用數(shù)值分析方法，如ANSYS有限元軟件和FLAC有限差分軟件，將之運用到實際工程中，通過輔助計算，改變學生“學無所用”的錯誤想法。[4]如在學生畢業(yè)設計的完成過程中，數(shù)值分析方法在某個問題中的必要性明顯，通過指導老師的指導和學生的努力，學生較好地模擬了一些工程問題，再加上學生較為扎實的理論基礎和將其運用到工程實際的能力，答辯通過率幾近100%。
4.了解行業(yè)現(xiàn)狀，明確教學目標
21世紀是地下空間的世紀。隨著我國城市化的進程，地下工程蓬勃發(fā)展趨勢不可阻擋，然而本行業(yè)還存在諸多問題制約著國家的發(fā)展和祖國的建設。例如，我國巖土工程技術規(guī)范標準方面，據(jù)初步統(tǒng)計，不包括各省市所編制的地方標準，我國巖土工程方向的國家標準和行業(yè)標準就有200余部，各行業(yè)規(guī)范自成體系，形成了名詞術語、巖土分類、參數(shù)、公式、設計理論高度不一致的局面，而重大工程的建設常常需要數(shù)名甚至數(shù)十名各專業(yè)技術人才，這就造成了各專業(yè)人員交流困難，工期拖延情況屢見不鮮。自國家實施西部大開發(fā)起，各類復雜性的工程技術問題常有報道，如青藏高原鐵路的建設，曾遇到過各類國際性的技術難題，多年凍土的影響一度困擾著大量學者和工程技術人員。內蒙古自治區(qū)作為西部GDP第二的省區(qū)，十年西部大開發(fā)發(fā)生了翻天覆地的變化，而內蒙古科技大學作為自治區(qū)高等院校，理應培養(yǎng)出見聞廣博、理論扎實、有較強工程實踐能力的高級技術人才，使之投身于西部建設，不怕艱難險阻，牢記校訓“百煉成鋼”，這是我校的教學目標，教師應牢記于心，以提高學生綜合素質并為此更加辛勤地努力。
三、結語
巖石力學是巖土與地下結構工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課，本次教改實施一年有余，已取得部分預期效果，在實施的過程中深深體會到教學工作的復雜性和重要性。綜合素質對于這個專業(yè)的人才培養(yǎng)是最重要的，教改的實施對于學生自身的發(fā)展，對社會都是有著重要意義的。
摘 要：做好地層三壓力預測工作，對保護油氣層，提高鉆井成功率，降低鉆井成本具有重要意義。蘇仁諾爾油田斷層、裂縫十分發(fā)育，儲層非均質性強，鉆井施工中噴、漏、卡等復雜事故時有發(fā)生。本文針對這樣的地質特點采用聲波時差法計算地層孔隙壓力；從巖石力學基本原理出發(fā)，根據(jù)庫倫-摩爾準則和拉伸破壞準則建立坍塌壓力和破裂壓力的計算模型。并開發(fā)了適應于蘇仁諾爾油田的地層三壓力剖面預測軟件。該軟件能夠對井身結構進行優(yōu)化設計，為鉆井液密度設計提供可靠依據(jù)；完鉆后利用實測壓力資料和測井資料對計算結果進行了驗證， 應用表明，該法預測精度較高，可滿足現(xiàn)場施工要求。
關鍵詞：巖石力學 孔隙壓力 坍塌壓力 破裂壓力 預測模型
在鉆井中，準確的預測地層孔隙壓力、破裂壓力和坍塌壓力，能夠確保鉆井液密度設計和井身結構設計的合理性[1]，對油氣層保護，提高鉆井成功率，降低鉆井成本也起到至關重要的作用。蘇仁諾爾油田地質情況比較復雜，斷層、裂縫十分發(fā)育，巖性復雜，儲層非均質性強。該地區(qū)以往，地層三壓力預測主要通過經驗和鉆后驗證，精確性和準確性都較差。鉆井施工中噴、漏、塌、卡等復雜事故時有發(fā)生，加大了鉆井風險，增加了鉆井成本，延長了鉆井周期，同時也給油氣層帶來更大的傷害。
結合蘇仁諾爾油田實際，在預測地層孔隙壓力方面，采用聲波時差法計算。本文從巖石力學角度出發(fā)，建立了地層破裂壓力和地層坍塌壓力預測模型；進而利用蘇仁諾爾油田的常規(guī)測井資料連續(xù)地計算了該區(qū)的地層坍塌壓力和破裂壓力，從而有效地指導了鉆井施工，收到了良好的效果。
一、三壓力預測模型的建立
1.地層孔隙壓力預測模型的建立
根據(jù)蘇仁諾爾油田的地質特點，分析表明采用聲波時差測井資料分析法預測地層孔隙壓力效果較好。
對于正常壓力泥頁巖地層，隨著埋深的增加，地層的孔隙度逐漸降低，聲波時差逐漸減小。出現(xiàn)異常壓力后，聲波時差不再隨埋深增加而減小，出現(xiàn)聲波時差異常增大現(xiàn)象。據(jù)此可以預測地層的異常壓力，預測過程如下：
從巖石力學角度看，井壁穩(wěn)定與否取決于井眼圍巖的應力大小與地層強度。若井眼圍巖的應力小于地層強度，井眼是穩(wěn)定的；若井眼圍巖的應力大于地層強度，井壁將產生破壞，導致井下復雜[4]。根據(jù)庫侖-摩爾準則和拉伸破壞準則推導地層坍塌壓力和破裂壓力的表達式。
2.1地層坍塌壓力表達式
研究中選擇了庫侖-摩爾準則作為剪切破壞的強度判據(jù)。這個準則認為巖石沿某一平面發(fā)生剪切破壞，不僅與該面上剪應力大小有關，而且與該面上的正應力有關。巖石并不沿著最大剪應力作用面產生破壞，而是沿著其剪應力與正應力達到最不利組合的某一面產生破裂。其表達式如下：
井眼圍巖的應力大小與井眼內的鉆井液密度有關，隨著鉆井液密度的降低，井眼圍巖的剪應力不斷提高，當超過巖石的抗剪強度時，巖石將發(fā)生剪切破壞。發(fā)生剪切破壞的臨界井眼液柱壓力稱為坍塌壓力，一般情況下簡稱為坍塌壓力[2]。
當井眼液柱壓力較低（即鉆井液密度較低）時，在井壁上會出現(xiàn)較大的剪切應力而使井眼發(fā)生坍塌[8]?？傻锰鷫毫Φ谋磉_式：
表達式中包含兩個變量：井眼液柱壓力 和圓周角 。在0～180°之間選擇圓周角 ，求解井眼液柱壓力最大值 ，即為保持井眼穩(wěn)定的井眼液柱壓力下限―坍塌壓力 。
2.2地層破裂壓力表達式
當鉆井液液柱壓力過高時，在井壁處會出現(xiàn)拉應力，當拉應力超過地層的抗拉強度時，就會出現(xiàn)拉伸破壞（拉伸破壞準則）。
2.3 計算模型相關參數(shù)的確定
利用地層坍塌壓力和地層破裂壓力計算模型求取地層的坍塌壓力和破裂壓力，必須已知地層的原地應力、彈性模量、泊松比、內聚力、內摩擦角、孔隙壓力、有效應力系數(shù)等參數(shù)[3]。由測井數(shù)據(jù)間接獲取地層的力學參數(shù)，可以計算出任意深度地層三壓力，進而可獲取地層三壓力剖面。
2.3.1地層彈性參數(shù)
通過巖石力學性能實驗可以把標準公式中的力學參數(shù)轉換成某一施工地區(qū)的力學參數(shù)，對蘇仁諾爾油田20塊巖心試樣進行了測試，共獲得430個數(shù)據(jù)，通過回歸處理得到了該地區(qū)的彈性模量、和泊松比計算公式。
二、壓力預測軟件
基于上述研究，利用所建立的模型編制了地層三壓力預測軟件，通過輸入聲波、密度等測井數(shù)據(jù)以及井眼軌跡參數(shù)和地應力參數(shù)計算得出地層三壓力剖面。進而應用該軟件預測地層三壓力，為合理設計井身結構、鉆井液密度提供可靠依據(jù)[6]。
三、現(xiàn)場應用
為了驗證地層三壓力剖面的預測精度，在蘇仁諾爾油田選取蘇3-1井、蘇301-1井和蘇20-2井3口新鉆井進行了鉆前預測，完鉆后利用實測壓力資料對預測精度進行了驗證。新鉆井現(xiàn)場實驗的基本過程是：首先利用鄰井測井資料通過外推法預測待鉆井的地層三壓力剖面[9]（如圖1），然后根據(jù)地層壓力剖面進行鉆井液密度設計和井身結構設計；完井后根據(jù)現(xiàn)場測壓數(shù)據(jù)和實測的測井資料檢驗壓力剖面的精度[5]。實測值均在預測值范圍內（見表1和表2），吻合程度較好，該方法的預測精度較高。
四、結論與認識
1.本文基于地層三壓力計算一般理論，從巖石力學和破環(huán)準則等角度出發(fā)，建立了適合蘇仁諾爾油田地質情況的地層三壓力預測模型，提高了地區(qū)適應性，實現(xiàn)了利用常規(guī)完井測井資料預測地層三壓力的目的。
2.利用所編制的三壓力預測軟件，處理工區(qū)測井資料，明顯提高了地層壓力預測的精度，為合理設計井身結構、鉆井液密度提供了可靠依據(jù)，對于安全高效鉆井具有重要的意義。
【摘要】大港油田深部地層巖性致密，研磨性強，抗壓強度大，可鉆性差，機械鉆速較低，嚴重影響了油田的鉆井周期和鉆井成本。本文通過實鉆巖心抗鉆特性試驗研究、巖石力學特性參數(shù)縱橫向分布規(guī)律及地層巖石抗鉆特性分析、地層巖石可鉆性分析、鉆頭動態(tài)數(shù)據(jù)庫的建立及鉆頭優(yōu)選評價等技術研究，優(yōu)選了適合大港油田不同地層的鉆頭，并針對深部特殊地層進行了鉆頭個性化設計，機械鉆速顯著提高。本文的研究為準確分析和預測大港油田深部地層巖石可鉆性提供新的技術手段，對提高大港油田的鉆井效率具有重要的促進作用。
【關鍵詞】測井資料 鉆頭 可鉆性 巖石力學 抗鉆特性
大港油田鉆井過程中主要鉆遇平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組和沙河街組，各區(qū)塊機械鉆速總體呈下降趨勢，特別是深部地層巖性致密，研磨性強，抗壓強度大，可鉆性差。實鉆結果表明進入東營組地層后隨著巖石強度的增加機械鉆速迅速降低，尤其是沙河街組地層深部機械鉆速明顯偏低，僅為沙河街上部的一半左右，嚴重制約了鉆井速度和勘探開發(fā)經濟效益的提升。為加快深部沙河街組地層鉆井速度，提高整體經濟效益，有必要針對大港油田地層巖石可鉆性開展研究，分析研究出其分布規(guī)律，進而優(yōu)選出適合該地區(qū)地層的鉆頭，以指導優(yōu)快鉆井技術方案的制定。
1 地層巖石力學特性參數(shù)的測定
為系統(tǒng)開展巖石力學性質參數(shù)及可鉆性的測試和分析，本文收集了17塊巖心，進行了聲學試驗、抗壓強度試驗、巖石硬度試驗和巖石可鉆性試驗，為準確掌握大港油田深部地層的巖石可鉆性規(guī)律提供了基本數(shù)據(jù)參考依據(jù)。巖石力學參數(shù)試驗結果如表1所示。
2 巖石力學特性參數(shù)縱橫向分布規(guī)律
2.1 彈性模量及泊松比
假設巖石為各向同性無限彈性體，根據(jù)縱波速度和橫波速度計算動泊松比和動彈性模量的關系式為：
3.3 地層巖石可鉆性剖面的確定
根據(jù)以上回歸得到的聲波時差與牙輪鉆頭和PDC鉆頭關系方程，結合聲波測井資料，計算并繪制出地層巖石可鉆剖面，由圖可以看出，沙河街組牙輪可鉆性級值主要分布在5-7 之間。根據(jù)巖石可鉆性與地層硬度的分類關系，可以確定該地層屬于中一中硬地層。
4 鉆頭動態(tài)數(shù)據(jù)庫的建立與鉆頭優(yōu)選及個性化設計
4.1 鉆頭優(yōu)選
為了方便查詢大港油田使用的鉆頭，為鉆井工作提供借鑒參考，收集了近四年探井使用過的鉆頭，建立了鉆頭資料數(shù)據(jù)庫。同時利用機械鉆速法對鉆頭進行了優(yōu)選。
機械鉆速法是將各層位大于該層位平均機械鉆速和進尺的鉆頭挑選出來，顯然大于平均機械鉆速和大于平均進尺的鉆頭使用效果較好，其他的鉆頭使用效果相對較差。選優(yōu)出的鉆頭應用后，井深大于4500m的深探井，機械鉆速提高了6.5%（由4.75m/h提高到5.06m/h）。4.2 PDC鉆頭個性化設計
為了提高鉆頭在硬夾層以及高研磨性地層切削效率，通過對大港油田深層鉆頭磨損情況，從以下幾個方面進行改進以個性化設計實現(xiàn)深層鉆井的提速：4.2.1？切削齒技術的改進
QuantecTM 系列PDC鉆頭自2010年在大港油田試用之后，取得了良好的使用效果。通過對其磨損分析，認為如果該鉆頭切削齒耐磨性能夠提高，該鉆頭還可以取得更長的單只進尺。故優(yōu)化設計了Q型齒的加強版Quantec ForceTM。該鉆頭系列具有以下特點：
（1）金剛石層相對更薄，在鉆壓相同的情況下，對比更厚的金剛石層，其吃入地層所需的能量更?。?
（2）金剛石層顆粒以及組分進行優(yōu)化，抗研磨性能提升了15%；
（3）金剛石層與碳化鎢基座的幾何膠結形狀進行優(yōu)化，減少了由于金剛石層被沖擊破壞而剝落的概率，提高了切削齒的抗沖擊性。
4.2.2？鉆頭穩(wěn)定性加強
通過加入貝克休斯專利的“D”技術，提高鉆頭在井底工作時的穩(wěn)定性。同時，增加心部布齒密度減少切削齒暴露深度。
4.2.3？鉆頭攻擊性設計
（1）針對鉆頭芯部切削齒磨損輕微的特點，減少切削深度控制力度，即適當增加芯部切削齒的出露。從磨損情況來看，芯部齒完好，且沒有發(fā)生崩齒現(xiàn)象。
（2）適當減少鼻部和外肩部的切削齒后傾角度，從磨損情況來看，角度更小，速度更快，但是還是存在外肩部輕微崩齒的風險。4.2.4？鉆頭布齒技術和獨特后傾角設計
選用更加平滑的鉆頭剖面，針對深層鉆頭吃入困難，夾層頻繁穩(wěn)定性差的特點進行電腦軟件模擬，優(yōu)化鉆頭切削齒的安放位置使鉆頭合力指向中心。鉆頭心部，鼻部到外肩部和保徑部的切削齒傾角優(yōu)化模擬，從內到外依次提高后傾角角度以達到平滑切削的目的。
[摘 要]在一組巖石力學性質試驗數(shù)據(jù)中，有時候會出現(xiàn)個別的異常數(shù)值，從直觀上看，該數(shù)據(jù)與其它數(shù)據(jù)有較大差異。然而如何處理這些異常數(shù)據(jù)，使實驗結果更加準確，仍缺乏理論上的依據(jù)。文中簡要介紹了應用誤差理論的方法，對巖石力學性質試驗數(shù)據(jù)異常值進行分析處理并進行計算，該方法的成功應用使巖石力學性質實驗結果更加可靠。
[關鍵詞]誤差理論 巖石力學性質 試驗 數(shù)據(jù)處理 異常值 剔除
一 引言
在測巖石力學性質的一組試驗數(shù)據(jù)中，會出現(xiàn)個別的異常數(shù)值，從直觀上看，該數(shù)據(jù)與其它數(shù)據(jù)差異很大。在處理試驗數(shù)據(jù)時，對于這樣的個別異常值，是否要別除？如果單純憑直覺判斷，似乎缺乏理論上的依據(jù)。首先要從技術上找原因，分析其是由于試驗過失誤差，還是其他什么原因造成的。當不易找到其他原因時，可以采用誤差理論的方法進行檢驗，通常取顯著性水平0.05或置信度為95%，然后判斷這個異常數(shù)據(jù)是否應剔除。用誤差理論的方法進行檢驗是非常必要的，檢驗方法也很多，這里應用誤差理論方法分析巖石力學性質試驗數(shù)據(jù)的異常值[1-7]。
二 異常值的檢驗
在整理試驗數(shù)據(jù)時，往往會遇到這種情況，即在一組實驗數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)少數(shù)幾個偏差特別大的可疑數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)又稱為離群值或異常值，它們往往是由于過失誤差引起的。對于可疑數(shù)據(jù)的取舍一定要慎重，一般處理原則如下。
（1）試驗過程中，若發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，應停止試驗，分析原因，及時糾正錯誤。
（2）試驗結束后，在分析試驗結果時，如發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，則應先找出產生差異的原因，再對其進行取舍。
（3）分析試驗結果時，如不清楚產生差異的確切原因，應對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，在處理巖石力學性質試驗數(shù)據(jù)異常值用的統(tǒng)計方法有拉依達（Pauta）準則、格拉布斯（Grubbs）準則、狄克遜（Dixon）準則[8]，若數(shù)據(jù)較少，則可重做一組數(shù)據(jù)。
（4）對于舍去的數(shù)據(jù)，在試驗報告中應注明舍去的原因或所選用的統(tǒng)計方法。
三 用誤差理論的方法判斷并剔除異常試驗數(shù)據(jù)
（一）用拉依達準則檢驗煤樣的抗壓強度異常數(shù)值
依達準則剔除異常值雖在科研上普遍采用，但對其使用范圍和如何簡便快捷地剔除異常值很少涉及。為此，首先需要明確，該準則只有在測量次數(shù)較大時才適用，至少應使次才行，否則使用該準則無效。因為如果時，即使測量列中存在含有粗大誤差的異常值，也不能判斷出來予以剔除。下面用拉依達準則檢驗主焦煤礦煤樣的抗壓強度異常數(shù)值
該檢驗法適用于試驗次數(shù)較多或要求不高時，這是因為， 當時，用作界限，即使有異常也無法剔除：若用作界限，則次以內的試驗次數(shù)無法舍去異常數(shù)據(jù)。
（二）用格拉布斯準則檢驗粗煤巖樣抗拉強度的異常數(shù)值
檢驗粗煤巖樣的抗拉強度的異常數(shù)值，四次測得數(shù)值為（/Mpa）：問是否有數(shù)據(jù)被剔除？
用格拉布斯準則檢驗可疑數(shù)據(jù)XP時，應用的前提條件：首先認為隨機樣本來自正態(tài)總體，并服從正態(tài)分布[1-7]按它們的大小，從小到大的順序排列，設……，即最小，最大，如果懷疑，或者為異常數(shù)值，那么可以這樣來進行判定。先求出它們的算術平均值和標準偏差；然后計算出統(tǒng)計量與臨界值。
四 結論
通過以上檢驗得到巖樣、煤樣、粗煤巖樣的抗壓，抗拉強度試驗數(shù)據(jù)皆為正常值。誤差理論分析結果可以為測巖石力學的性質提供科學的依據(jù)，隨著煤礦科研發(fā)展的需要，誤差理論必定還將得到廣泛的應用，許多新的理論和方法將不斷產生，處理各類巖石力學性質實驗數(shù)據(jù)的方法體系日趨完善，隨著計算機的普及，處理巖石力學性質實驗數(shù)據(jù)的能力已有很大提高，為許多復雜統(tǒng)計方法的實際應用創(chuàng)造了條件，必將加速數(shù)據(jù)統(tǒng)計在巖石力學性質實驗中的推廣應用。
[摘要]巖石力學在石油工程中日益顯示了其重要性。本文作者從專業(yè)角度分析了深層巖石力學試驗技術，分析了深層巖石的力學特征，為其在石油工程中的應用有指導意義。
[關鍵詞]深層 巖石力學 石油工程
在深層巖石力學研究中，所涉及的地層深度大多在2 000～8 000 m范圍內，研究對象以沉積巖層為主體，巖石處于較高的圍壓（可達200MPa）、較高的溫度（可達200℃）和較高的孔隙壓力（可達200MPa）作用下。這與水電站的壩基設計、高邊坡穩(wěn)定、隧道和巷道的開挖及支護、建筑的樁基工程、地下洞室、城市地鐵建造等不超過1 000 m深度的地表或淺層巖石力學問題不同，也不同于以火成巖和變質巖為研究主體，深度超過萬米的下地殼、上地幔巖石物理力學問題。20世紀60年代以來，隨著我國大慶油田等油田的開發(fā)，巖石力學在石油工程中日益顯示了其重要性。
主要研究范圍包括：
（1）深層地應力測量理論與技術；
（2）深部地層環(huán)境下的巖石力學性質；
（3）巖石應力、滲透性的聲學響應特性及巖石物理力學性質的地球物理解釋；
（4）構造應力場的數(shù)值模擬及其在油氣勘探與開發(fā)中的應用；
（5）深層巖石中天然裂縫的形態(tài)、分布和預測理論。
1深層巖石力學參數(shù)的室內試驗測定
巖石的力學特性參數(shù)包括強度參數(shù)和彈性參數(shù)。涉及的參數(shù)主要為抗壓強度、內摩擦力、內摩擦角、泊松比和楊氏模量。
目前，巖石力學特性參數(shù)的測定主要有2種方法：靜態(tài)法和動態(tài)法。
靜態(tài)法是通過對巖樣進行加載試驗測得其變形而得到參數(shù)，所得參數(shù)為巖石靜態(tài)力學特性參數(shù)。
動態(tài)法是通過測定超聲波穿過巖樣的速度得到參數(shù)，所得參數(shù)為巖石動態(tài)力學特性參數(shù)。
根據(jù)實際受載情況，巖石的靜態(tài)力學特性參數(shù)更適合工程需要。迄今為止，巖石的靜態(tài)力學特參數(shù)的測定方法已比較成熟，有了一套規(guī)范的試驗程序和數(shù)據(jù)處理程序。但靜態(tài)法需從4地下取出待研究井段的巖芯，在室內做單軸或三軸應力試驗，其缺點是成本高、時效性差、資料的代表性較差；而動態(tài)法利用聲波測井資料，可直接求出原地應力下的動態(tài)力學特性參數(shù)，獲得巖層沿深度的連續(xù)的力學特性資料。
靜態(tài)法一般采用常規(guī)三軸壓縮試驗方法。試驗機包括2種：柔性試驗機和剛性試驗機，柔性試驗機適用于金屬材料。
由于柔性試驗機在試驗過程中要儲存大量的彈性能量，要得到巖石材料的全應力-應變曲線必須使用剛性試驗機。
一般剛性試驗機性能精密，造價昂貴，目前，國內引進的美國MTS815，MTS816和Terra Tek巖石力學試驗測試系統(tǒng)，具備全面準確的行為控制、測試、數(shù)據(jù)后處理功能。溫度、壓力指標均可滿足深層巖石力學基礎試驗的要求。
2靜態(tài)和動態(tài)巖石力學參數(shù)的關系
巖石力學特性參數(shù)的靜態(tài)值和動態(tài)值存在著一定的差異，靜態(tài)彈性模量普遍小于動態(tài)彈性模量，而靜態(tài)泊松比有的大于動態(tài)泊松比，有的小于動態(tài)泊松比。根據(jù)實際受載情況，巖石的靜態(tài)力學特性參數(shù)更適合工程需要，利用聲波法得到的巖石動態(tài)力學特性參數(shù)不能直接用于工程分析中。
因此，利用現(xiàn)場提供的縱波測井、密度測井、地層壓力、部分巖芯等資料，尋找動、靜態(tài)力學特性參數(shù)之間的關系以及靜態(tài)參數(shù)之間的關系有著積極的意義。通過我國各主要油田砂泥巖的三軸試驗研究發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)泊松比隨圍壓增大而增大，巖石的泊松比、彈性模量同所處的深度有關，并提出了巖石泊松比、彈性模量和強度隨地層深度、聲波速度變化的規(guī)律。
3分層地應力
地層間或層內不同巖性巖石的物理特性、力學特性和地層孔隙壓力異常等方面的差別，造成了層間或層內地應力分布的非均勻性。某些地層特別強烈的地應力各向異性對井壁穩(wěn)定有著非常顯著的影響，層間應力差對水力壓裂裂縫的擴展也起著重要的約束作用，同時，對定向鉆井和防斜打直也有著重要的影響。
目前，對于分層地應力主要采用以下幾類預測模型：單軸應變模式：假設地層在沉積過程中，水平向的變形受到限制，則水平方向的地應力由上覆壓力產生，主要包括如下模型：Mattens-Kelly模型，Terzaghi模型，Anderson模型，Newberry模型。單軸應變模式沒有包括構造應力項，適用于弱構造運動地層。
石油大學“六五”模式：假設地下巖層的地應力主要由上覆巖層壓力與水平方向的構造應力產生，且水平方向的構造應力與上覆壓力成正比，該模式考慮了構造應力的影響，但沒有考慮彈性地層和巖性對地應力的影響。石油大學“七五”模式：在石油大學“六五”模式的基礎上，假設地層為勻質各向同性的線彈性體，并假定在沉積后期地質構造運動過程中，地層與地層之間不發(fā)生相對位移，所有地層2個水平方向的應變均為常量。這種模式意味著地應力與地層的彈性模量和泊松比均有關系，此模式可解釋砂巖地層比相鄰頁巖地層有更高地應力的現(xiàn)象。
4深部地層斷裂韌性的測量與預測
斷裂韌性又稱臨界應力強度因子，是裂紋體分析中的關鍵參量，表征了線彈性裂縫尖端場（應力和應變）的奇異性程度，其數(shù)值與裂紋體的幾何形狀和所受載荷一般無關，因而，是物質材料的一個基本屬性。根據(jù)試件加工的嚴格要求以及可能存在的問題，專門設計了巖石斷裂韌性測試巖芯制作加工裝置和斷裂韌性試驗儀。深入地研究了斷裂韌性與其他物理力學參數(shù)間的關系。因為由測井資料可以得到地層密度、聲波時差或聲波速度以及泥質含量，再根據(jù)上述的試驗資料統(tǒng)計關系，巖石的斷裂韌性就可以通過聲波測井資料、密度測井資料以及伽馬測井資料計算得到。
[摘要] 巖石力學以巖石為主要的研究對象，但其原材料-巖石，卻和其他工程材料有較大區(qū)別，具有較明顯的特殊性，而其主要目標則是探討巖石的力學性能。文章首先分析了巖石力學與地質力學之間的關系，并在此基礎上，從巖石的物質性與次生演化方面入手對巖石的地質本質性進行了研究，再對巖石的力學本構性等特性作了相關探討，旨在建立一種巖石地質學與石力學相互認識及深入結合的知識通道。
[關鍵字]巖石 地質本質性 石力學
0引言
巖石是一種經過了漫長的地質歷史和多種地球動力作用而形成的一種自然造物，并因此具有了其特殊的本質性。本文先對巖石力學與地質學的關系、巖石的地質本質性進行了相關分析，再對巖石力學本構性作了闡述，以期為巖石力學的進一步發(fā)展提供有利依據(jù)。
1 巖石力學和地質學的相關分析
1.1巖石力學和地質學的學科關系分析
巖石力學該門學科發(fā)展的研究目標是力學理論，其研究對象則是巖石。巖石屬于地質產物，又稱地質體[1]。從廣義上理解巖石力學，巖石力學實質是力學和地質學結合而成的交叉學科，若從側重點的角度看，巖石力學更側重于力學和巖石地質的結合。巖石力學是一門應用基礎學科，其研究任務主要是巖石的工程建設及地質資源的開發(fā)工程。從巖石力學的發(fā)展趨勢看，更具深度與廣度的力學、地質學勢必會和和工程學科相結合。所以，地質學一定會變?yōu)閹r石力學和巖石工程學科的一門支柱性基礎學科。
1.2地質學的相關分析
地質學以地球為研究對象，特別是對地殼的研究，主要研究任務是對其物質組成與結構、形成、演化的地質動力作用及其過程進行研究，而地質學的核心研究思路則是地質歷史的時空重建，通過以層序與構造分析為基礎，采用一些現(xiàn)代的物理化科學方法、技術方法，使傳統(tǒng)的地質學科進入到了現(xiàn)代科學行列[2]。
1.3工程地質學的相關分析
工程地質學該門學科的應用性較強，主要研究任務對工程建設的地質條件、出現(xiàn)的問題及治理措施進行研究，重點是對工程的地質作用進行研究，包括人類工程活動與地質環(huán)境之間的相互作用與制約。工程地質學的主要學科領域包括工程地質力學、工程巖土學、工程環(huán)境地質學、地質災害學、資源地質工程學等[3]。
2 巖石的地質本質性分析
物體的本質性指的是物體本身的物理特性及結構而形成的內在本性。許多巖石力學家都認為巖石屬于一種較特殊的材料，而其特殊性主要決定于地質本質性，同時，巖石還具有演化性。
2.1巖石的物質性分析
巖石屬于礦物的結合體，是由礦物組合而成，而其物質性主要由成巖及其演化過程中所形成的礦物組合情況決定。
2.1.1原巖物質的相關分析
巖漿巖屬于原始巖類，而其物質組成部分主要是由巖漿的成分決定；同時，因為變質巖與沉積巖都是次生巖類，所以巖漿巖也是地殼巖石的基本組成物質，常見的造巖礦物包括石英、云母、長石等暗色的礦物，這些造巖礦物的力學硬度與強度差異較大，其中以石英的強度最高、長石次之，那些暗色且呈鱗片狀或者針狀的礦物，不僅剛度小，強度也較低。礦物力學特性的差異會對巖石力學性能造成直接的影響。
在巖石中，較典型的巖漿巖則為花崗巖，該巖石一般含有較多的長石與石英，所占的比例約分別為40%～50%，但暗色礦物一般只占15%左右。不同巖類的礦物由于比例不相同及所含的礦物成分也不盡相同，因此使巖石具有多樣性。沉積巖是次生巖類，其礦物組成是對原巖次生變化以及在沉積前發(fā)生于地面和水面的變化的反映。除了較典型的造巖物以外，巖石中還包括大量的巖類、黏土以及次生蝕變礦物等?；瘜W沉積巖則主要是碳酸鹽或者其他的巖類組成。同時，變質巖也是次生巖類，而淺變質巖的組成基本還和原巖一樣，且原巖經過高溫作用會出現(xiàn)熔融與再結晶的現(xiàn)象，最終形成深變質巖，常見的如花崗片麻巖。
在巖石的構成中，礦物晶體或者原巖顆粒之間一般是由基質充填；在結晶中，其物質組成與顆粒相似，但主要是以隱晶或者非晶質的物態(tài)呈現(xiàn)出來。在沉積巖中，其充填物主要是泥質、硅質與鈣質，尤以硅質最強，泥質最軟弱，其中硅質與鈣質都是堅硬充填物。
因此，巖石在成巖之后其力學強度便會具有顯著差異，軟弱組分主要是降低巖石的強度，并增大巖石的環(huán)境敏感性，在后期的演化中容易發(fā)生變異。
2.1.2關于次生演化的相關分析
在后期的演化過程中，巖石會出現(xiàn)兩種轉化情況：①由堅硬組分向軟弱物質轉化；②由軟弱組分向堅硬物質轉化，兩者皆屬于原生礦物向次生礦物轉化。從巖石工程力學性能的角度看，重點的考察對象則是巖石軟化。
由上述可知，巖石的物質性主要包括礦物的組成與變異。盡管造巖礦物居于主導地位，但從巖石力學與工程研究的角度看，重點是研究軟弱組分，特別是對粘土化的判定，其中以高嶺石化與蒙脫石化的測定最為重要，而在某些時候，當巖石出現(xiàn)粘土化時，不僅會降低力學參數(shù)，還會對其均一性造成影響，甚至會改變力學的本構模型。
2.2巖石結構性的相關分析
巖石結構性指的是尺度不同的結構體其形態(tài)、排列及相互間的連接特征，是其對巖石力學特性的影響作出的一種反映[4]。巖石的結構是隨著成巖而形成的，且會在后期的構造作用及次生演化中得到強化與確立。巖石的結構一般有原生結構與次生結構之分，而兩種結構的構造特點有著較大的區(qū)別，并在后期的演化過程中發(fā)揮著不同的作用。
3關于巖石力學本構性分析
可以通過兩個不同類型觀點幫助認識巖石本構性：其中一個就是不連續(xù)力學觀點，另外一個是連續(xù)力學觀點。如果從使用目的方面而言，通常采用斷續(xù)性觀點，因為這一觀點能滿足實際地質具有的屬性及本質。但是在研究普適性的相關方法及理論知識方面做得不夠，需要進行深入了解。本文認為從巖石地質本質性角度進行分析，其結構比較復雜，因此可以選用多元耦合力學模型幫助表示。在實際中，大部分已有巖石力學本構模型也在不斷嘗試在某一類已有模型前提下將另外一類模型要素添加進來，以便獲得滿足實際需求。
不同巖石，即便是小型的手標本巖石，也會存在差異。對于含有較軟弱的膠結物，或者是脆性較強的巖質顆粒的巖石，在處于風化作用或局部蝕變作用下也可含有軟弱性較強的蒙脫石和伊利石等黏土礦物。在應變以及應力不斷發(fā)展中，該類物質結構要素在這一階段中體現(xiàn)出應力分布情況不均勻，在出現(xiàn)三個方向的外荷載作用下也會出現(xiàn)拉應力以及偏應力。若外荷載三個方向不等壓情況時，在巖石中出現(xiàn)拉應力、局部偏應力強度也會增大。如果外荷載作用達到一定程度時，可以使巖石中一些成分材料出現(xiàn)屈服，導致某部分裂面結構出現(xiàn)滑移、張開情況，此時結束了全部彈性變形情況。
4 分析巖石物質結構情況以及巖石具備的工程力學性能情況
對巖石形成及演變過程進行綜合分析，并結合主要形成物質的結構和成分，以及其工程特性，能將工程巖體類型分成3種：層狀巖體類型、節(jié)理狀巖體類型以及碎裂巖體類型[5]。
4.1層狀巖體類型
其是主要表現(xiàn)是層狀沉積巖，組成成分是巖質顆粒，因為泥質膠結物質含有大量黏土物，所以存在膠結連接。黏土物質分布情況是按照層進行分布，而薄層軟巖則共同組成了軟弱層巖體。其在構造作用下會出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，并在已有裂縫情況下繼續(xù)演變，然后出現(xiàn)構造斷裂現(xiàn)象，一般為場地的第三和第四級別結構面。很少出現(xiàn)貫穿第一和第二級軟弱結構或是斷裂結構面情況。
4.2節(jié)理狀巖體類型
其主要是結晶巖類型，組成成分是造巖礦物，存在結晶連接，具有的軟弱片狀礦物質相對比較少，黏土物質也比較少。已有裂縫也會在一定基礎情況下繼續(xù)發(fā)展，然后承受一定構造作用，并出現(xiàn)小斷層、節(jié)理裂隙情況等，一般為場地的第三、四級結構面，穿過場地的第一、第二級斷裂結構、軟弱面情況比較少，出現(xiàn)淺層演化以及次生演化不強。
4.3碎裂巖體類型
給類型巖體是由層狀巖體、原生塊狀巖體遭受嚴重構造作用，或者是遇到嚴重淺層、次生演變情況，從而出現(xiàn)嚴重碎裂情況以及變形現(xiàn)象，使巖石松弛而造成裂隙情況。
5結論
總之，巖石具備的三大屬性分別是：①物理本屬性；②地質本質性；③力學本構性。三種屬性類型共同發(fā)揮作用可以幫助更好的深入了解巖石力學知識，提高工程研究水平。理論上認為巖石力學學科屬于一門多種學科知識相互交叉分布，不僅有合作，還具有分工工作的學科。因此，地質學者需要重視巖石具有的地質本質性方面內容，另一方面也不能忽視物理本屬性以及力學本構性方面內容的研究。如果巖石力學研究者可以了解及掌握更多巖石地質特征知識，并進行綜合分析，能幫組更好建立本構模型，以及進行力學參數(shù)的選擇工作，以便達到符合工程需要的相關要求。在自然資源開發(fā)工作中以及基礎工程建設施工中都會應用到巖石力學，所以其需要融匯多種不同學科知識才能很好的完成整個工作流程。
【摘要】本文詳細的講述了巖石力學的中心內容以及基礎特點，并且深入的研究了巖石力學在金屬礦山采礦工程中的應用。其中包括了巖石力學與地質學的結合，國內外工程采礦工程的現(xiàn)狀，工程實例等。
【關鍵詞】巖石力學，金屬礦山，采礦工程
前言
伴隨著人類文明的前進，越來越多的新型學術不斷出現(xiàn)。而巖石力學是一門就目前來說比較邊緣的學科之一。而且其實踐性非常強，適用的范圍非常的廣泛。例如建筑類、鐵道通路類、石油、地下工程、海洋等等。巖石力學領域已經與我們的日常生活愈發(fā)的息息相關。
二、巖石力學與地質學的結合
1.巖石力學與地質學的學科關系
巖石力學將力學理論作為學科發(fā)展的研究目標，而巖石則是巖石力學研究的對象。巖石是一種地質產物，也可稱地質體。廣義上講，巖石力學應是力學與地質學相結合的交叉學科，若更有針對性地來看，巖石力學側重于固體力學與巖石地質學的結合。巖石力學屬于應用基礎學科，它的研究任務是以巖石工程建設為己任，也包括地質資源的開發(fā)工程。更廣更深的力學、地質學，與工程學科的結合勢在必行。因此，地質學必然成為巖石力學與巖石工程學科的支柱性基礎學科之一。
那么，巖石力學與巖石工程學科從地質學中究竟能有何得益，地質學在哪些領域對巖石力學與巖石工程學科的研究和發(fā)展可能做出貢獻，這就是本文所試圖回答的主要問題。地質學是地球科學的一個分支學科。地球科學包括大氣、海洋、地理和固體地球科學等固體地球科學則包含地質學、地球物理學和地球化學。
從廣義和實用的角度看，地質學同其他地球科學的分支有著密切的交叉，因而也含有與它們相關的研究內容。地質學的研究對象是地球，尤其是地殼，重點在于研究它的物質組成和結構，以及其形成、演化的地質動力作用和過程。地質學的核心研究思路是地質歷史的時空重建，在層序和構造分析的基礎上，地質學家采用了許多現(xiàn)代數(shù)理化科學和技術方法，從而使傳統(tǒng)的地質學科步入現(xiàn)代科學行列。
巖石力學與地質學結合的知識通道
巖石力學家大多認識到地質學是巖石力學的重要基礎學科，在巖石力學的本構建模及巖石工程分析計算中試圖盡可能地考慮巖石特性及地質條件，但是地質科學涵蓋著大量分支學科，從何入手仍是很大的問題。
地質學家也很熱心于為巖石工程建設做出自己的貢獻，然而難于確定適當?shù)那腥朦c和深入的方向。顯然，構建一條地質學和巖石力學間相互溝通的知識通道是必要的。事實上，巖石力學及土力學同地質學的結合從一開始就被認為是學科發(fā)展的要點之一。
Terzaghi和Muller教授皆為后人做出了楷模。進入2l世紀以來，國際巖石力學學會、土力學與巖土工程學會及工程地質與環(huán)境學會合作構建了國際地質巖土工程學會聯(lián)合會(FederationofInternationalGeo—engineeringSocieties，F(xiàn)IGS)。聯(lián)合會約定的分工如下：工程地質做出地質建模，巖土力學進行計算分析，巖土工程開展設計和施工。這一方案思路簡潔可行，但要融合成為整體尚有很大空間，需做大量工作。
國內外深部工程現(xiàn)狀
據(jù)不完全統(tǒng)計，國外開采超千米深的金屬礦山有80多座，其中最多為南非。南非絕大多數(shù)金礦的開采深度大都在l000m以下。其中，Anglogold有限公司的西部深井金礦，采礦深度達3700m，WestDriefovten金礦礦體賦存于地下600m，并一直延伸至6000m以下。印度的Kolar金礦區(qū)，己有三座金礦采深超2400m，其中錢皮恩里夫金礦共開拓ll2個階段，總深3260m。俄羅斯的克里沃羅格鐵礦區(qū)，已有捷爾任斯基、基洛夫、共產國際等8座礦山采準深度達910m，開拓深度到1570m，預計將來達到2000-2500m。
另外，加拿大、美國、澳大利亞的一些有色金屬礦山采深亦超過l000m。國外一些主要產煤國家從20世紀60年代就開始進入深井開采。1960年前，西德平均開采深度已經達650m，1987年己將近達900m；原蘇聯(lián)在20世紀8O年代末就有一半以上產量來自600m以下深部。根據(jù)目前資源開采狀況，我國金屬礦山開采深度以每年8～12m的速度增加，東部礦井正以100t250m／(1Oa)的速度發(fā)展。近年己有一批礦山進入深部開采。
其中，在金屬開采方面，沈陽采屯礦開采深度為l197m、開灤趙各莊礦開采深度為l159m、徐州張小樓礦開采深度為l100m、北票冠山礦開采深度為l059m、新汶孫村礦開采深度為l055m、北京門頭溝開采深度為l008m、長廣礦開采深度為l000m。在金屬礦開采方面，紅透山銅礦目前開采己進入900到l100m深度，冬瓜山銅礦現(xiàn)已建成2條超l000m豎井來進行深部開采，弓長嶺鐵礦設計開拓水平750m，距地表達l000m，夾皮溝金礦二道溝坑口礦體延深至l050m，湘西金礦開拓38個中段，垂深超過850m。此外，還有壽王墳銅礦、凡口鉛缽礦、金川鎳礦、乳山金礦等許多礦山都將進行深部開采?？梢灶A計在未來20年我國很多金屬礦山將進入到l000～l500m的深度。
四、金屬礦山開采工程今后的研究重點
雖然目前對于金屬礦山開采工程研究己取得了一部分成果，總的來看，側重技術、注重個案，深層次的基礎研究重視不夠，因此，根據(jù)我國金屬礦山資源開采情況，要保證我國主體后備資源供給，深入開展100一1500m礦山開采基礎理論研究迫在眉睫。
金屬礦山開采工程中的巖石力學問題由于處于“三高一擾動”的復雜力學環(huán)境，使得金屬礦山巖石力學行為以及深部災害特征與淺部明顯不同，基于淺部開采建立起來的傳統(tǒng)理論己不再適合于深部開采，主要表現(xiàn)在：
1、強度確定在淺部開采條件下，由于所處的地應力水平比較低，其工程巖體強度一般采用巖塊的強度即可，即在實驗室對巖塊進行加載直至破壞所確定的強度。而在金屬礦山開采條件下，由于地應力水平比較高，工程開挖后，工程巖體在高圍壓作用下，一個或兩個方向上應力狀態(tài)的改變所表現(xiàn)出的強度變化，并不是簡單的表現(xiàn)在受拉或受壓，而是復雜的拉壓復合狀態(tài)，即徑向產生卸載，而切向產生加載，因此，其工程巖體強度就不能簡單的用巖塊強度來確定，必須建立符合金屬礦山開采特點的工程巖體拉壓復合強度確定理論。
2、穩(wěn)定性控制理論在淺部開采條件下，由于所處的地應力水平比較低，工程開挖后，圍巖一般不會產生破壞，因此，采用一次支護即可實現(xiàn)工程的穩(wěn)定性。而深部開采條件下，工程開挖后，在高于工程圍巖強度的圍壓作用下，工程圍巖就會產生破壞，此時采用簡單的一次支護就不能滿足工程穩(wěn)定要求，必須采用二次支護或多次支護才能實現(xiàn)工程的穩(wěn)定性。因此，由淺部建立起來的穩(wěn)定性控制理論己不再適合，必須建立適合金屬礦山開采工程的二次(支護)穩(wěn)定性控制理論。
3、設計理論在淺部開采條件下，由于工程圍巖所處的力學環(huán)境比較簡單，因此，在進行穩(wěn)定性控制設計時，采用傳統(tǒng)的線性設計理論即可奏效。而金屬礦山開采環(huán)境下，由于工程圍巖所表現(xiàn)出的非線性力學特性，使得在進行穩(wěn)定性控制設計時，就不能簡單的采用一次線性設計，而必須考慮采用二次以至更復雜的多次非線性大變形力學穩(wěn)定性控制設計理論。
今后研究重點針對金屬礦山開采工程中存在的巖石力學問題，今后主要研究方向集中在深部巖石力學基本特性、深部開采工程穩(wěn)定性控制、金屬礦山開采地表環(huán)境損傷控制等方面。
深部巖石力學基本特性研究深部“三高一擾動”的復雜環(huán)境，使深部巖體的組織結構、基本行為特征和工程響應均發(fā)生根本性變化，也是導致深部開采中災變事故出現(xiàn)多發(fā)性和突發(fā)性的根本原因所在。因此，金屬礦山巖體長期處于“三高”環(huán)境下，由于采掘擾動所表現(xiàn)出的特殊力學行為是金屬礦山資源開采所面臨的核心科學問題。其中，金屬礦山高應力場成因及多個應力場的藕合作用狀態(tài)研究、深部復雜應力狀態(tài)下巖體拉壓復合強度確定方法及其災變機理將是今后研究的重點。
金屬礦山開采工程穩(wěn)定性研究與一般地表工程不允許進入塑性破壞狀態(tài)不同，金屬礦山開采工程穩(wěn)定性問題是研究開采圍巖破壞后與支護系統(tǒng)相互作用達到二次穩(wěn)定的復雜力學問題，包括金屬礦山礦層采動引起頂板破斷后，采場局部頂板結構與支架相互作用，達到二次穩(wěn)定的作用機理以及與采場相配套的巷道圍巖產生塑性大變形后與支護體系相互作用達到二次穩(wěn)定的作用機理。同時，由于金屬礦山采動條件下工作面回采所形成的采動應力場與巷道掘進形成的開挖應力場相互藕合疊加，形成了復雜的三維應力場，其采動應力分布及其與回采空間多維、動態(tài)的時空規(guī)律以及支承壓力區(qū)范圍及峰值應力等也將產生很大變化，因此，應在深入分析金屬礦山采場及巷道圍巖采動應力時空分布規(guī)律的基礎上，結合金屬礦山巖體非線性力學特性的研究，探討金屬礦山開采采場及巷道一體化穩(wěn)定性非線性力學控制對策。
金屬礦山開采與地表環(huán)境損傷控制對策研究金屬礦山條件下，由于巖體的結構、力學特性及破碎斷裂規(guī)律都將發(fā)生較大變化，因此，采動過程中巖體的變形、破斷、移動規(guī)律也會產生明顯的不同。如何建立描述金屬礦山采動覆巖變形一破斷一移動全過程的結構運動力學模型，分析其結構運動全過程對采場礦壓、巷道礦壓、巖層內部裂隙分布、巖層移動與地表沉陷的動態(tài)影響，是控制深部開采對地表環(huán)境影響最小化的關鍵。
五、結束語
如果巖石力學的研究者能夠更加的考慮巖石的本身獨特特征，那么必將會更加有益與未來的采礦發(fā)展。讓巖石力學在采礦事業(yè)中更多的廣泛利用起來。
【摘 要】巖體力學不是一門系統(tǒng)的學科，它屬于地質學與力學之間的一門邊緣學科，現(xiàn)如今在采礦工程中的應用也比較廣泛。本文首先介紹了巖體力學的時代背景，其次又從三方面探討了巖石力學在采礦工程中的應用，分別是：對于深部開采所帶來的災害預測、礦山地應力場測量、大型深凹露天礦邊坡設計優(yōu)化。
【關鍵詞】巖石力學；采礦工程；應用
1.簡述采礦工程中巖體力學的特點
①采礦工程多處于地下較深處，而其它地下工程多在距地表較近（幾十米）的范圍內；②對礦山工程，只要求在開采期間不破壞，在采后能維持平衡狀態(tài)不影響地表安全即可，故其計算精度、安全系數(shù)及加固等方面均低于國防、水利工程的標準；③礦山地質條件復雜，又受礦床賦存條件限制，故采礦工程的位置選擇性不大，同時采掘工作面不斷變化，因而采礦工程巖石力學具有復雜性的特點。
在巖體表面或其內部進行任何工程活動，都必須符合安全、經濟和正常運營的原則。以露天采礦邊坡坡角選擇為例，坡角選擇過陡，會使邊坡不穩(wěn)定，無法正常采礦作業(yè)，坡角選擇過緩，又會加大其剝采量，增加其采礦成本。然而，要使巖體工程既安全穩(wěn)定又經濟合理，必須通過準確地預測工程巖體的變形與穩(wěn)定性、正確的工程設計和良好的施工質量等來保證。其中，準確地預測巖體在各種應力場作用下的變形與穩(wěn)定性，進而從巖體力學觀點出發(fā)，選擇相對優(yōu)良的工程場址，防止重大事故，為合理的工程設計提供巖體力學依據(jù)，是工程巖體力學研究的根本目的和任務。
2.巖石力學在采礦工程中的應用
巖石力學理論服務于采礦活動，其目的有四個方面。
（1）充分利用地殼內部各種應力來進行落礦、運礦以減少崩礦費用。
（2）盡可能地減少工程量，降低采礦成本。
（3）控制崩落礦石塊度，減少二次破碎
（4）最大限度地提高生產規(guī)模，創(chuàng)造礦山經濟效益。
2.1礦山地應力場測量
地應力是存在于底層中的天然應力，它是引起采礦水利水電、土木建筑、鐵道、公路和其他各種地下或露天沿途開挖工程變形和破壞的根本作用力，是實現(xiàn)采礦和巖土開挖設計和決策科學化的必要前提。對于礦山設計來講，只有掌握了具體工程區(qū)域的地應力條件，才能合理確定礦山的總體布置，選取適當?shù)牟傻V方法，確定巷道和采場的最佳斷面形狀、斷面尺寸、開挖步驟、直呼形式、支護結構參數(shù)、直呼時間等，從而在保證圍巖穩(wěn)定性的前提下，最大限度地增加礦石產量，提高礦山經濟效益，實現(xiàn)采礦工程的優(yōu)化。
目前普遍采用的地應力測量方法有應力解除法和水壓致裂法兩大類。其中，套孔應力解除法是發(fā)展時間最長，技術比較成熟的映眾地應力測量方法。在測定原始應力的適用性和可靠性方面，目前還沒有那種方法可以與之相比。據(jù)統(tǒng)計，在全世界已經獲得的地應力測量資料中，有80%是有應力解除法測得的。對于礦山來講，采用應力接觸法更有得天獨厚的條件。因為礦山有系列的航道、硐室可接近地下測點，而不需要向水壓致裂法那樣必須打專門的鉆孔才能到達測點。因而對礦山地應力測量而言，采用應力解除法是最經濟和可靠的。
2.2地下礦山采礦設計優(yōu)化
礦床的形成過程、賦存狀態(tài)和開采穩(wěn)定性均受地應力場的控制。為此，必須以地應力為切入點進行采礦設計優(yōu)化。即：根據(jù)實測地應力和扎實的工程地質、水文地質及礦巖物理力學性質等基礎資料，以及實際的礦體賦存和開采條件，通過定量計算和分析，選擇合理的采礦方法，確定最佳的開采總體布置、采場結構管參數(shù)、開采順序、直呼加固和地壓控制措施，實現(xiàn)安全高效的開采目標。
2.3大型深凹露天礦邊坡設計優(yōu)化
我國一大批大中型露天礦山已經或即將由山坡露天開采轉為深凹開采。隨著邊坡的價高架豆，邊坡穩(wěn)定性維護的難度越來越大，邊坡滑移和傾倒破壞事故的發(fā)生日益頻繁，嚴重威脅礦山的安全生產，制約礦山生產能力的提高。但是另一方面，對于大型露天礦山，提高邊坡角有事減少剝離和生產成本的重要手段。
國內外邊坡穩(wěn)定性分析和設計的傳統(tǒng)方法是極限平衡法，這是一種靜態(tài)的確定性分析方法，而實際的邊坡狀況是歲開采過程不斷變化的，是動態(tài)的不確定性的；該方法是基于土力學理論提出來的，不能考慮實際的巖體條件，如斷層、節(jié)理的存在，同時也不考慮地應力。而實際上這些對邊坡的穩(wěn)定性和破壞起控制作用。因而該方法度山坡露天礦設計可能是適用的，但對深凹露天礦設計并不適用。
為了克服傳統(tǒng)的極限平衡分析方法的不足，必須采用現(xiàn)代的科學技術，充分考慮地應力的作用和實際的工程巖體條件，通過定量的計算分析，實現(xiàn)邊坡設計的優(yōu)化。具體的試試路線為：采用數(shù)值模擬和極限平衡分析相結合的方法，對不同邊坡角和邊坡設計方案進行定量的計算和分析，在保證安全的前提下，盡可能低提高邊坡角，減少剝離量，盡可能地減少生產成本，增加礦石產量和礦山效益。
2.4深部開采動力災害預測與防治
深部開采動力災害，包括巖爆、礦震、沖擊地壓，是深部開采中可能遇到的突出問題。
目前的研究技術路線為：從扎實的現(xiàn)場地應力測量、工程地質調查、巖石力學實驗和現(xiàn)場檢測資料的采集入手，以能量聚集和演化為主線，揭示巖爆發(fā)生的機理及其與采礦過程、地質構造和巖體特性的關系，對巖爆發(fā)生的時間、空間和強度進行定量的預測；將預測和防治、地下河地面、生產安全和環(huán)境安全融為一體進行評價和研究。
3.巖石力學在采礦工程中的發(fā)展趨勢
巖石力學已經廣泛應用到了采礦工程中的各個領域，而且其研究理論正在不斷創(chuàng)新，研究手段也日新月異。隨著我國礦產資源的續(xù)開發(fā)，在采礦工程終將會遇到條件更復雜、拿督更大的巖石力學問題，因此，巖石力學與工程學科的理論水平和工程能力都有待進一步提高。
巖體力學的發(fā)展是和人類工程實踐分不開的。起初，由于巖體工程數(shù)量少，規(guī)模也小，人們多憑經驗來解決工程中遇到的巖體力學問題。因此，巖體力學的形成和發(fā)展要比土力學晚得多。隨著生產力水平及工程建筑事業(yè)的迅速發(fā)展，提出了大量的巖體力學問題。由于巖體中具有天然應力、地下水等，并發(fā)育有各種結構面，所以它不僅具有彈性、脆性、塑性和流變性，而且還具有非線彈性、非連續(xù)性，以及非均質和各向異性等特征。對于這樣一種復雜的介質，不僅研究內容非常復雜，而且其研究方法和手段也應與連續(xù)介質力學有所不同。
今天，由于礦產資源勘探開采、能源開發(fā)及地球動力學研究等的需要，工程規(guī)模越來越大，所涉及的巖體力學問題也越來越復雜。這對巖體力學提出了更高的要求。
摘要：
巖石是地球上分布最廣，總量最大（地球99%以上的材料構成是巖石）的一種自然地質材料[1]，它構成了地球四大圈層之一的巖石圈，因此與巖石有關的各項工程活動將與人類乃至其他生物的生活環(huán)境密切相關， 開展巖石力學及工程應用的研究具有重要的理論及現(xiàn)實意義。
關鍵詞：巖石隨機模糊
自從1963年意大利Vajont大壩上游左岸的庫岸邊坡滑坡造成毀滅性的災難以來，巖石的工程力學性質開始被人們所重視，并由此開始了現(xiàn)代巖石力學的工程應用研究。隨著全球工業(yè)化的快速發(fā)展，世界各地都開展了許多大規(guī)模的巖石工程，涉及能源和資源開發(fā)的各個方面。在過去的半個世紀，人們更多的是將經典的力學方法及確定性理論應用于巖石力學的研究，在這方面已經取得了相當矚目的科研成就[3]。由于巖石的組構、礦物成分，賦存的力學和地質環(huán)境的不同，所以巖石的物理力學性質相差極大，通常都不能作為均一的材料，除非研究對象的幾何尺度遠遠超過巖石的特征尺度。這個特征尺度可以是巖石的微細觀的REV或者是巖體的宏觀REV尺度。
隨著巖石力學及工程應用研究的深入，人們越來越發(fā)現(xiàn)確定性理論在描述巖石力學及某些工程問題時存在的不足，因此亟需引入隨機模糊理論的研究方法，來描述巖石的幾何、物理、力學以及工程性質[4]。這就需要從數(shù)學模型的角度，對巖石工程遇到的不確定因素進行分類，這些因素可分為3種[2]：隨機性、模糊性以及未確知性。這些不確定性因素主要是由于巖石材料的非均一性、空間組成礦物材料的不確定性、以及反應巖石性質的信息、數(shù)據(jù)的不全面、不完整而導致的不確定性。目前接觸較多、研究相對也比較成熟的是力學隨機性問題。由此而專門發(fā)展出一套有關巖石力學性質的隨機力學。另外，從工程角度進行分類，不確定因素還可體現(xiàn)在以下幾方面[2]：荷載的不確定性、材料物理力學參數(shù)的不確定性、幾何尺寸的不確定性、初始條件和邊界條件的不確定性和計算模型的不確定性。
針對巖石力學與工程的這些不確定性問題，研究人員已經從多個方面開展了模糊巖石力學與隨機巖石力學的研究。本文將總結這些方面的研究成果，以期對隨機理論和模糊數(shù)學在巖石力學與工程中的應用有一個全面而系統(tǒng)的認識，并通過對文獻的解讀，指出目前研究的熱點，存在的不足以及未來研究的展望。
2. 巖石及巖體裂隙結構的隨機模擬
巖石及巖體都是賦存于自然地質條件中的初始損傷體。在巖石內部通常都會由于礦物顆粒的沉積作用以及動力變質作用而形成初始微裂隙，這些微裂隙的存在極大地改變和決定了巖石的微細觀結構以及力學性質（包括巖石的初始各向異性和誘發(fā)各向異性）。在描述巖石微細裂隙結構方面，X光衍射儀和掃描電鏡[5]是這方面的強有力研究手段。朱珍德 等人[6]引入隨機數(shù)學及模糊數(shù)學理論，在Matlab開發(fā)平臺上，采用Monte-Carlo隨機理論描述大理石細觀結構體積表征單元，通過計算機對其細觀SEM掃描電鏡照片進行二值化分析，提取出微裂隙的長度、方位角、寬度、面積和周長等細觀信息，測定了大理石顆粒及礦物組構的幾何尺度，并得到大理石微細觀裂隙的幾何尺寸的概率密度及分布函數(shù)形式，最后采用分形理論，得到巖石微結構的分形盒維數(shù)，并與Swoboda損傷理論相結合，描述了大理巖考慮損傷效應的應力應變關系。
巖體中包含大量的節(jié)理裂隙，這些節(jié)理裂隙形成的網絡系統(tǒng)對巖體的力學性質，如：變形、破壞具有控制性的作用，它們是巖體非連續(xù)性、非均勻性和各向異性的根源。要明確工程巖體的變形和破壞模式必須對巖體的節(jié)理裂隙網絡以及巖體的結構有比較清晰的認識，這就需要對節(jié)理裂隙進行產狀和幾何尺寸的現(xiàn)場統(tǒng)計和調查分析。隨著電子計算機的發(fā)展，人們期望能夠將現(xiàn)場統(tǒng)計的節(jié)理裂隙地質資料在計算機上再現(xiàn)，然后將建立的幾何模型應用于數(shù)值模擬和計算分析。數(shù)值分析方法確定節(jié)理巖體等效參數(shù)的主要特點是充分利用現(xiàn)場地質調查、節(jié)理裂隙統(tǒng)計、室內及現(xiàn)場巖樣和節(jié)理結構面試驗等巖體已知信息，建立不同尺度的節(jié)理巖體裂隙網絡模型[7]。這樣就可以實現(xiàn)從現(xiàn)場調查的地質資料到計算機的模擬再現(xiàn)和三維地質模型的建立，進而利用連續(xù)等效應變和節(jié)理損傷張量理論，可以確定宏觀巖體的等效力學參數(shù)。采用這種數(shù)值手段模擬任意尺度下的巖體力學試驗，可以在一定程度上彌補不能開展大尺度巖體力學試驗的問題。張貴科 等人[8]在前人的研究基礎上，對節(jié)理巖體裂隙網絡的計算機模擬進行了深入的研究，提出采用平面四邊形來模擬巖體結構面的方法，這種處理與實際情況更為接近。采用解析代數(shù)的方法，[8]中給出了平面四邊形的數(shù)學描述及其與空間點的關系，并在此基礎上，研究了巖體的REV尺度，開發(fā)了巖體三維裂隙網絡圖形的模擬程序。圖1是該軟件生成的巖體結構圖。張貴科 等[9]在此研究的基礎長，利用巖體裂隙網絡和等效連續(xù)應變理論，推導考慮初始應力條件的節(jié)理巖體等效應變的計算方法，并根據(jù)正交各向異性的彈性本構模型，將節(jié)理巖體在REV尺度上等效為正交各向異性連續(xù)材料，進而計算其等效變形參數(shù)。文獻[8, 9]為節(jié)理巖體的等效連續(xù)模型的建立提供了很好的思路和方法。
圖1節(jié)理巖體裂隙網絡的計算機模擬[8]
3. 巖質邊坡模糊穩(wěn)定性分析方法
巖質邊坡的穩(wěn)定性很大程度上取決于巖體中的節(jié)理強度及分布形式。由于節(jié)理在空間中的分布形式，形成不同產狀，將完整巖石切割分塊。不同的節(jié)理空間分布形式決定了巖質邊坡的破壞形式。在實際的邊坡工程中，巖質邊坡主要展現(xiàn)出四種破壞形式[10]：平面滑動破壞、楔形體破壞、傾倒破壞和大規(guī)模密集節(jié)理切割后形成散體結構的圓弧滑動破壞。在工程實踐中，采用赤平極射投影法進行統(tǒng)計分析可以獲得邊坡的節(jié)理分布規(guī)律，確定優(yōu)勢節(jié)理組的產狀，結合邊坡面的產狀可以大致確定邊坡的破壞模式。但事實上獲得邊坡巖體的地質資料通常都只具有統(tǒng)計學上的規(guī)律，并不能給出一個唯一確定的穩(wěn)定性參數(shù)，因此，有必要在巖質邊坡中引入模糊數(shù)學的方法對邊坡的穩(wěn)定性做性的穩(wěn)定性評價。
眾多學者[11, 12, 13, 15]的研究表明，各種力學參數(shù)的模糊性、隨機性對工程穩(wěn)定性的評價有著至關重要的影響，并且受到越來越多的重視。在這方面，徐衛(wèi)亞 等人[14]對節(jié)理巖體邊坡模糊穩(wěn)定性評價方法做了系統(tǒng)而深入的研究。在此文中報道了節(jié)理巖體邊坡模糊安全系數(shù)的計算公式，以及編制的基于潛在滑動面自動搜索邊坡模糊穩(wěn)定性研究程序。利用模糊數(shù)學區(qū)間參數(shù)的計算原則，對各個參數(shù)隸屬函數(shù)引入水平截集，得到各個模糊數(shù)的模糊區(qū)間，再根據(jù)擴展原理計算出模糊安全系數(shù)的隸屬度函數(shù)，進而利用節(jié)理巖體邊坡的安全系數(shù)的計算方法可以確定安全系數(shù)。此研究針對節(jié)理巖體邊坡中節(jié)理和巖塊力學參數(shù)的模糊性進行研究，并提出考慮力學參數(shù)模糊性影響的節(jié)理巖體邊坡穩(wěn)定性分析方法，為節(jié)理巖體邊坡工程設計提供更全面的參考依據(jù)，盡可能避免由于計算參數(shù)模糊性給工程實踐帶來的影響[14]。
4. 巖石力學參數(shù)的模糊識別
由于巖石的非均一性和材料組分的多樣性，似的巖石的物理力學參數(shù)存在較大的變異區(qū)間。因為受試驗防范和條件的限制，巖石的力學的試驗結果具有一定的不確定性其不確定性包含隨機性和模糊性，這是由于巖石試樣性態(tài)和類屬是確定的；而模糊性則是巖石試樣特性內在的不確定性。隨機性只涉及信息的量，通過對同一巖體反復抽樣，進行大量試驗就可以逼近該巖體的力學參數(shù)特性；模糊性則關系到信息的意義，它反映的是巖石樣本對工程地巖體的隸屬程度[16]。最小二乘法和隨機—模糊法是確定巖石力學參數(shù)的基本方法，唐杰軍 等[16]將這兩種方法進行了結合和分別應用，得到了一個確定巖石抗剪強度參數(shù)的樸實方法，并將其應用于實際的巖石力學參數(shù)測定。巖石工程由于參數(shù)難以確定，通常可以采用位移反演的方式，根據(jù)現(xiàn)場的位移監(jiān)測資料反演巖石的力學參數(shù)。當目前的研究絕大多數(shù)屬于確定性反分析。但是在眾多的巖石工程中，由于量測技術和方法的限制和外界偶然擾動因素，如工程爆破開挖、機械振動的作用，不可避免地，使得測定的位移不可能是真的變形值。因而測量的位移本身就是一個隨機變量。工程巖體的變形過程也就是一個隨機過程所以只能用一個隨機變量來使其再現(xiàn)?；诖?，劉世君 等人[18]和徐衛(wèi)亞 等人[17]，指出應該從概率的角度來研究變形，反演出參數(shù)。通過實際工程的應用研究，他們建立了一套17方法并將其應用于實際的水電工程中。通常將目標參數(shù)作為隨機變量來考慮，通過對實際工程中監(jiān)測到的現(xiàn)場位移數(shù)據(jù)進行分析，最后給定巖石的力學參數(shù)的區(qū)間取值。由于實際的巖石工程通常都存在流變變形以及長期穩(wěn)定性的問題。這就需要在實際應用中使用黏彈塑性模型來描述其力學行為。同樣地，與彈塑性性的參數(shù)反演類似，巖石流變本構模型也存在參數(shù)的模糊反演的問題。為此，劉世君 等人[19]提出了巖石粘彈性模型的辨識及參數(shù)反演的方法。利用蠕變柔量的概念，根據(jù)位移和蠕變柔量兩步反分析法，從流變性模型的一般表達式中辨識出適用的本構模型。由相應的位移實測值用解析法反演巖石的蠕變柔量，再由巖石的蠕變柔量運用非線性技術辨識出巖石本構模型的最終表達式，最后進一步由模型參數(shù)反算出巖體的粘彈性參數(shù)。應用平面復變影射、保角變換方法可得圍巖內任一點在曲線坐標中的位移和滿足應力邊界條件的復勢函數(shù)。再利用復變函數(shù)分析方法確定曲線坐標下的蠕變柔量和廣義蠕變柔量的線性方程組。這種方法可以在一定程度上避免參數(shù)不確定的問題，并可以使用辨識得到的模型和反演出來的參數(shù)對巖體工程的長期流變穩(wěn)定性進行數(shù)值計算和預測。
5. 巖石材料的隨機本構模型
前述的巖石力學問題都涉及到隨機模糊理論在巖石力學與工程中的應用，這種應用集中在對巖石的幾何以及物理力學參數(shù)模糊識別與計算機的再現(xiàn)。另外還有學者將隨機模糊理論應用于巖石的本構模型，用于描述和解決巖石應力應變關系的不確定性問題。徐衛(wèi)亞和韋立德[21, 22]在這方面做了一些卓有成效的研究工作。他們基于概率論和損傷力學，對巖石在荷載作用下的破壞、損傷和彈塑性變形進行了深入的探討。在其模型的損傷演化方程中全部采用有效應力，這樣的處理更能反映巖石的真實剩余強度。將發(fā)生破壞的微元占微元總體的比例定義為損傷變量，這樣損傷變量就背定義成破壞概率，這與以往的處理方式不同。在進行損傷變量處理時，假設巖石微元破壞服從Weibull分布；處理巖石的屈服時使用了德魯克-普拉格屈服準則。最后建立了彈塑性損傷耦合的本構模型，并將其應用于巖石的應力應變描述。該模型能夠很好的反應巖石經過峰值破壞后的殘余強度。
6. 隨機有限元法在巖石力學中的應用
隨著計算機的快速發(fā)展，數(shù)值方法已成為研究和解決巖石力學問題的一種必不可少的方法。有限元法是計算巖石力學的常用方法。經過數(shù)十年的發(fā)展有限元理論已發(fā)展成熟，并有很多大型商業(yè)軟件推出。隨著隨機模糊理論的應用和隨機力學的發(fā)展，這些理論被逐步引入并應用到有限元方法中，由此形成了隨機有限元理論。隨機有限元法作為隨機力學的一個主要部分。經過20余年的發(fā)展，目前已成為分析隨機因素影響下結構隨機響應的強有力的工具[20, 23]。目前出現(xiàn)的隨機有限元法可分為[2]：直接Monte-Carlo法、改進Monte-Carlo法、攝動法、直接偏微分法、加權積分法和響應面法等。其中直接Monte-Carlo法由于太費時而顯得很不實用，改進的Monte-Carlo法雖在上比直接Monte-Carlo法有了較大的提高，但一般仍難應用于大型工程問題；加權積分法對于隨機場特性比較顯著的情形精度較高，但由于公式比較繁瑣，很難在三維地質模型中推廣應用。
針對不同的巖石力學研究領域，目前眾多的研究人員開展了大量有關隨機有限元的應用研究。何翔[24]在研究巖體滲流應力耦合的問題時，將巖體滲流、力學參數(shù)視為空間隨機場，這樣可以較好地反映參數(shù)的空間變異性；采用的普通克立格估值法和泛克立格估值法能保證估值的無偏性和有效性。他在等效連續(xù)介質模型的基礎上，采用隨機有限元法對含隨機耦合場進行數(shù)值模擬，可得到孔壓、應力、位移等場變量的隨機分布特征。也可以方便的分析耦合場內孔壓、位移等變量對參數(shù)的靈敏度。王亞軍[25]研究了模糊隨機損傷有限元在巖土工程中的應用問題。他基于模糊分解定理建立了模糊空間上的模糊變分理論，然后依據(jù)擴張原則在廣義非確定性空間上提出了模糊隨機變分列式；由隨機變分列式在經典隨機有限元理論基礎上，建立了線性一次逼近隨機有限元模型，并對實際工程進行了模擬應用。李濤[26]在處理軟土路基的工程問題時，提出了考慮大變形的固結隨機有限元格式。并在實際工程中取得了較好的應用。
摘 要：由于我國經濟的發(fā)展對資源的需求旺盛，對金屬礦的需求也越來越多，本文介紹了現(xiàn)代巖石力學的核心內容和本質特征及其在金屬礦山采礦工程中的應用，包括礦山地應力場測量，地下礦山采礦設計優(yōu)化，大型深凹露天礦邊坡設計優(yōu)化和深部開采動力災害預測與防治，介紹了金屬礦山地應力的規(guī)律性及地下礦山采礦設計優(yōu)化方法。
關鍵詞：巖石力學；金屬礦山；采礦工程；應用
1 巖石力學的特點
隨著人類文明的不斷進步，以及科學技術的不斷發(fā)展，許多新的學科應運而生。巖石力學是近展起來的一門應用性和實踐性很強的新興學科和邊緣學科，它的應用范圍涉及采礦、土木建筑、水利水電、鐵道、公路、地質、地震、石油、地下工程、海洋工程等眾多的與巖石工程相關的工程領域。一方面，巖石力學是上述工程領域的理論基礎；另一方面，正是上述工程領域的實踐促使了巖石力學的誕生和發(fā)展。
1966年，美國科學院巖石力學委員會對巖石力學給予以下定義：“巖石力學是研究巖石的力學性狀的一門理論和應用科學，它是力學的一個分支，是探討巖石對其周圍物理環(huán)境中力場的反應?！边@一定義是從“材料”的概念出發(fā)的，帶有材料力學或固體力學的深深烙印。隨著巖石力學理論研究和工程實踐的不斷深入和發(fā)展，人們對“巖石”的認識有了突破。首先，不能把“巖石”看成固體力學中的一種材料，所有巖石工程中的“巖石”是一種天然地質體，或者叫做巖體，它具有復雜的地質結構和賦存條件，是一種典型的“不連續(xù)介質”。其次，巖體中存在地應力，它是由于地質構造和重力作用等形成的內應力。由于巖石工程的開挖引起地應力的釋放，正是這種“釋放荷載”才是引起巖石工程變形和破壞的根本作用力。因此巖石力學的研究思路和研究方法與以研究“外荷載作用”為特征的材料力學、結構力學等有本質的不同。最近的研究表明，無論是巖體結構，還是其賦存狀況、賦存條件均存在大量的不確定性。因此，必須改變傳統(tǒng)的固體力學的確定性研究方法，而從“系統(tǒng)”的概念出發(fā)，采用不確定性方法來進行巖石力學的研究?！皫r體”是自然系統(tǒng)，“工程巖體”是人地系統(tǒng)，其行為和功能與施工因素密切相關。
根據(jù)上述分析，現(xiàn)在可以重新定義：巖石力學是一門認識和控制巖石系統(tǒng)的力學行為和工程功能的科學。采礦工程涉及的巖石力學問題主要有如下幾個方面。
(1)礦山地應力場測量
(2)露天采礦邊坡設計及穩(wěn)定加固技術
(3)井下開采中巷道和采場圍巖穩(wěn)定性問題，特別是軟巖巷道和深部開采地壓控制問題
(4)采礦設計優(yōu)化，包括采礦方法選擇、開采總體布置、采場結構、開采順序、開挖步驟、地壓控制、支護加固的優(yōu)化等
(5)巖爆、煤與瓦斯突出、礦井突水預測、預報及預處理理論和技術
(6)采空區(qū)處理及地面沉降問題。
2 礦山地應力場測量
2. 1 地應力測量的重要性
地應力是存在于地層中的天然應力，它是引起采礦、水利水電、土木建筑、鐵道、公路和其他各種地下或露天巖土開挖工程變形和破壞的根本作用力，是實現(xiàn)采礦和巖土工程開挖設計和決策科學化的必要前提。因為對礦山設計來講，只有掌握了具體工程區(qū)域的地應力條件，才能合理確定礦山總體布置，選取適當?shù)牟傻V方法，確定巷道和采場的最佳斷面形狀、斷面尺寸、開挖步驟、支護形式、支護結構參數(shù)、支護時間等，從而在保證圍巖穩(wěn)定性的前提下，最大限度地增加礦石產量，提高礦山經濟效益，實現(xiàn)采礦工程的優(yōu)化。
根據(jù)彈性力學理論，巷道和采場的最佳形狀主要由其斷面內的2個主應力的比值來決定，為了減少巷道和采場周邊的應力集中現(xiàn)象，它們最理想的斷面形狀應是一個橢圓，而這個橢圓在水平和垂直方向的兩個半軸的長度之比應與該斷面內水平主應力和垂直主應力之比相等。在此情況下，巷道和采場周邊將處于均勻等壓應力狀態(tài)。這是一種最穩(wěn)定的受力狀態(tài)。在確定巷道和采場走向時，也應考慮地應力的狀態(tài)，最理想的走向是與最大主應力方向相平行。
由于采礦工程的復雜性和形狀多樣性，利用理論解析的方法進行工程穩(wěn)定性的分析和計算幾乎是不可能的。但是，近20年來大型電子計算機的應用和各種數(shù)值分析方法的不斷發(fā)展，使采礦工程成為一門可以進行定量設計計算和分析的工程科學。所有的計算和分析都必須在已知地應力的前提下進行。如果對工程區(qū)域的實際原始應力狀態(tài)一無所知，那么任何計算和分析都將失去其應有的真實性和實用價值。
2. 2 地應力測量的主要方法
測量原始地應力就是確定存在于擬開挖巖體及其周圍區(qū)域的未受擾動的三維應力狀態(tài)，這種測量通常是通過一點一點的量測來完成的。巖體中一點的三維應力狀態(tài)可由選定坐標系中的6個分量(Rx，Ry，Rz，Sxy，Syz，Sxz)來表示，這種坐標系是可以根據(jù)需要和方便任意選擇的，但一般取地球坐標系作為測量坐標系。由6個應力分量可求得該點的3個主應力(R1，R2，R3)的大小和方向，這是唯一的。在實際測量中，每一測點所涉及的巖石可能從幾立方厘米到幾千立方米，這取決于采用何種測量方法。但不管是幾立方厘米還是幾千立方米，對于整個巖體而言，仍可視為一點。由于地應力狀態(tài)的復雜性和多變性，要比較準確地測定某一礦區(qū)的地應力狀態(tài)，就必須進行充足數(shù)量的“點”測量。在此基礎上，才能借助數(shù)值分析和數(shù)理統(tǒng)計、灰色建模、人工智能等方法，建立礦區(qū)的地應力場模型。
目前，應力解除法已形成一套標準的測量程序，具體步驟如下：
第一步：從巖體表面，一般是從地下巷道、隧道、峒室表面向巖體內部打大孔，直至位于巖體內的測點部位。大孔直徑為130~ 150 mm，深度為巷道、隧道或峒室跨度的2. 5倍以上，從而保證測點是在未受巖體開挖擾動的原巖應力區(qū)。
第二步：從大孔底打同心小孔，供安裝探頭用。小孔直徑一般為36~ 38 mm，深度一般為孔徑的10倍左右，從而保證小孔中央部位處于平面應變狀態(tài)。
第三步：用一套專用裝置將測量探頭安裝(固定或膠結)到小孔中央部位；空心包體應變計是目前國內外采用最廣泛的應力解除法測量儀器(探頭)。
第四步：用第一步打大孔用的薄壁鉆頭繼續(xù)延深大孔，從而使小孔周圍巖芯實現(xiàn)應力解除。由于應力解除引起的小孔變形或應變由測量探頭測定并通過儀器記錄下來。根據(jù)測得的小孔變形或應變通過有關公式即可求出小孔周圍巖體的原巖應力狀態(tài)。
3 地下礦山采礦設計優(yōu)化
金屬礦床的形成過程、賦存狀況和開采穩(wěn)定性均受地應力場的控制。為此，必須以地應力為切入點進行金屬礦采礦設計優(yōu)化。
(1)采用盤區(qū)上向高分層連續(xù)回采充填采礦工藝，顯著提高了采場生產能力和采礦強度，減少了采準工作量，降低了生產成本；實現(xiàn)了各采場連續(xù)回采，大大增加了盤區(qū)內同時回采的采場數(shù)目，大幅度提高了盤區(qū)生產能力，充分發(fā)揮了機械化無軌作業(yè)的優(yōu)越性；大大增加了采場安全性，顯著降低了采礦損失率和貧化率。
(2)采用數(shù)值模擬等多種方法進行了采礦設計的定量計算、分析，實現(xiàn)了采場結構參數(shù)和開采順序的優(yōu)化；盤區(qū)呈“品”字型布置采場進路的免壓拱開采技術獲得成功，使采場圍巖的應力分布趨于合理，采場地壓得到有效控制。在應力降低區(qū)的下方進行開采，肯定是有利于安全的。
(3)實現(xiàn)了采場鑿巖爆破參數(shù)的優(yōu)化，提高了爆破效率和質量，增大了采場生產能力，節(jié)省了鑿巖爆破成本，同時使采場作業(yè)環(huán)境大大改善。
(4)實現(xiàn)了無軌采掘設備的優(yōu)化配置和全盤機械化，提高了無軌采掘設備的作業(yè)效率和機械化作業(yè)水平。提高了礦山生產能力，降低了生產成本。
(5)采用多種手段進行現(xiàn)場地壓實時監(jiān)測，為地壓控制和生產安全提供了保障。通過研究，使盤區(qū)生產能力增加了88%，采場勞動生產率提高了61. 6%，采礦總損失率下降了51%，礦石總貧化率下降了25%，黃金產量增加了75. 5%，采礦技術經濟指標全面達到世界先進水平。
結束語
隨著我國經濟的持續(xù)發(fā)展，以及科學技術的不斷進步，巖石力學在金屬礦山采礦工程中的應用會更加廣泛。
摘要：隨著焦家金礦寺莊礦區(qū)礦床開采深度的增加，礦巖的破碎程度也越來越嚴重，礦巖的穩(wěn)固性越來越差，為確保采場安全，對寺莊礦區(qū)礦巖力學性質進行巖石的物理性質試驗、巖石抗壓強度、巖石剪切強度、巖石抗拉強度的測試分析，為礦山采場結構參數(shù)的優(yōu)化奠定基礎。
關鍵詞：寺莊礦區(qū)；巖石力學；測試分析；礦床開采；采場結構參數(shù)
寺莊礦區(qū)是山東黃金礦業(yè)股份有限公司焦家金礦的分礦山，生產能力近1500t/d，為山東黃金的發(fā)展做出了重要貢獻。目前，隨著礦床開采深度的增加，礦體所受的地應力越來越大，礦巖的破碎程度也越來越嚴重，礦巖的穩(wěn)固性越來越差，冒頂片幫現(xiàn)象越來越多，甚至出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。因此，為確保采場安全，提高礦山經濟效應和安全效應，對寺莊礦區(qū)礦巖物理力學性質進行測試分析，為礦山采場結構參數(shù)的優(yōu)化奠定基礎。
1 巖石取樣地點及礦巖性質
巖石物理力學實驗的目的是為山東黃金礦業(yè)股份有限公司焦家金礦寺莊礦區(qū)-220m以上7-2號礦體的回采提供依據(jù)，分別對上盤、下盤和礦體進行取樣。將取好的巖樣進行試件的加工，加工試件的尺寸均嚴格按照巖石物理力學試驗國家標準進行，將加工好的試件，抗壓強度試驗和劈裂試驗均按照GB/T 50266-99規(guī)范進行試驗，剪切試驗按MT48-87規(guī)范進行試驗。在礦區(qū)選取具有代表性的塊石樣，上盤：黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖；礦體：黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖；下盤：黃鐵絹英巖化花崗巖、絹英巖化花崗質碎裂巖。
2 巖石力學試驗
單軸抗壓試驗和抗剪試驗采用SANS微機控制電液伺服萬能試驗機，最大載荷為2000kN；劈裂試驗采用上海華龍測試儀器有限公司生產的微機控制全自動壓力試驗機，最大載荷為200kN。巖石抗壓、剪切、劈裂試驗見圖1至圖3，圖4至圖6為上盤、礦體、下盤巖樣單軸壓縮試驗應力-應變曲線，測試后的巖石力學參數(shù)見表1。
3 結語
（1）巖石試驗的物理性質：上盤密度2.726t/m3，礦體密度2.769t/m3，下盤密度2.688t/m3。
（2）抗壓強度試驗：上盤硬度較小，節(jié)理裂隙發(fā)育，在抗壓試驗過程中大多數(shù)都完全破碎，且中間含泥質充填物。試件單軸抗壓強度為39.73MPa，彈性模量為8.94GPa。礦體硬度較大，節(jié)理裂隙不發(fā)育。單軸抗壓強度為49.1MPa，彈性模量為6.14Gpa。下盤強度大，巖樣斷面為45°角；單軸抗壓強度50.2MPa，彈性模量為4.65GPa。
（3）剪切強度試驗：上盤內摩擦角為34.38°，粘結力為18.42。礦體內摩擦角為38.38°，粘結力為21.69。下盤內摩擦角為35.9°，粘結力為37.09。
（4）抗拉強度試驗：上盤抗拉強度為3.7MPa，在試驗過程中，上盤巖樣斷裂不是很明顯，節(jié)理裂隙較發(fā)育，一般沿節(jié)理面破壞。礦體抗拉強度為8.32MPa，在試驗中，發(fā)生脆性破壞，且斷裂面比較平整。下盤抗拉強度為9.64MPa，在試驗過程中，發(fā)生脆性破壞，且斷裂面比較平整。
12月15日，中國巖石力學與工程學會舉辦了“中國科協(xié)會員日京區(qū)學生會員座談參觀活動”，此次活動是該學會首次參與實施中國科協(xié)會員日活動。中國巖石力學與工程學會副理事長何滿潮、楊強，中國科協(xié)學會學術部顏利民，中國科學院地質與地球物理所所長助理郭敬輝，國際巖石力學學會國家小組秘書長李仲奎，巖體數(shù)學模擬專業(yè)委員會秘書長林鵬等出席活動。來自中國礦業(yè)大學（北京）、北京科技大學、清華大學、中國石油大學、北京交通大學、鐵道科學研究院、中科院地質與地球物理所、北京地質所、北京水工資環(huán)公司等大專院校、科研單位及團體會員單位的學生會員121人參加了此次會員日活動。
中國科協(xié)會員日中國巖石力學與工程學會活動現(xiàn)場
中國巖石力學與工程學會常務副秘書長方祖烈主持會議。何滿潮致開幕詞，他說，中國科協(xié)決定每年12月15日為中國科協(xié)會員日，通過集中開展形式多樣、內容豐富的會員日活動，增強學會凝聚力，把學會這個科技工作者之“家”建設的更好！他號召青年科技工作者，認真踐行科學發(fā)展觀、樹立正確的成才觀、人生觀，為全國建成小康社會而努力奮斗！
顏利民首先向學會會員表示節(jié)日的祝賀，并介紹了中國科協(xié)會員日的來歷和意義，對中國巖石力學與工程學會舉辦的會員日活動表示肯定，并希望廣大青年科技工作者、會員不斷進取，通過學會這個平臺，為我國巖石力學事業(yè)的發(fā)展貢獻一份力量，希望學會通過這樣的活動增強對會員的凝聚力，為學會事業(yè)的發(fā)展做出新的更大的
貢獻。
學會第一支撐單位中國科學院地質與地球物理所郭敬輝代表支撐單位對會員日的舉辦表示歡迎，他介紹了研究所有關專業(yè)研究的情況，他說，作為學會的第一支撐單位，研究所將一如既往的對學會工作大力支持，并希望大家經常來研究所進行學術交流。
方祖烈介紹了“全國十佳優(yōu)秀科技工作者”和學會獲得“全國優(yōu)秀科技工作者”稱號的楊強、李術才的事跡，并以此鼓勵與會的青年科技工作者。受中國科協(xié)委托，由何滿潮、郭敬輝向楊強教授和李術才教授頒發(fā)了獎勵證書及獎章。
學會新任秘書長劉大安向會員作了題為《提升學會創(chuàng)新服務能力，打造青年會員溫馨之家》的講座，他向與會的青年學生會員介紹了我學會的基本情況以及在提升創(chuàng)新服務能力方面的舉措、指出要為青年學者提供豐富的學術交流平臺、通過建設“精品期刊”吸引青年學者、注重青年科技獎評選、提升國際地位，推動青年國際交流等，希望青年會員能夠加入到學會中，發(fā)展壯大學會人才隊伍，享受學會大家庭的快樂。中國科學院地質與地球物理所研究員李曉作了題為《新型深部地質工程中的巖石力學問題》的報告，從學科的最前沿介紹了研究所的最新研究成果和一些新的國際水平的創(chuàng)新方向，并詳細介紹了深部巖石力學控制巖體壓裂技術發(fā)展方向，以及廣泛的應用前景。不僅開闊了與會者的視野，同時也為年輕科技工作者指明了研究的方向。他鼓勵廣大青年科技工作者，不懈努力，為解決巖石力學發(fā)展中面臨的關鍵技術，做出自己的貢獻。
活動當天，學員們還參觀了中國科學院地質與地球物理研究所重點實驗室重大儀器裝備和自主研發(fā)的巖石力學試驗設備，參觀活動激發(fā)了青年會員投身科技工作的信心和決心。此外，中國巖石力學與工程學會為會員準備了內容豐富、具有重要閱讀和參考價值的科技圖書，包括由該學會出版的8種800多本價值15萬元的科技圖書及2種245本學會刊物，受到與會學生的熱烈歡迎。（責任編輯：董大偉）
（來源：中國巖石力學與工程學會供稿）
