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工程力學教學中采礦工程實例的運用論文
摘 要：探討了工程力學課程的特點，基于工程力學“力學”理論與“工程”實踐兼而有之的本質特性，分析了采礦工程中的頂板穩定性、中深孔采礦技術、膠結充填開采三個典型案例力學建模實例，研究了采礦工程案例在工程力學課程教學中的運用。實踐表明，采礦工程案例與工程力學課堂教學的結合，激發了學生學習的興趣和熱情，培養了學生的創新思維能力，取得了良好的效果。
關鍵詞：工程力學；采礦工程；案例教學。
工程力學是一門廣泛應用于各類工程領域的技術基礎課，是現代工程技術的基礎理論，也是機械、汽車、材料、紡織、車輛工程等專業的重要專業基礎課。 工程力學包括理論力學部分和材料力學部分，工程力學課程關乎學生知識體系的構建和創新思維能力的培養，學好工程力學可以為后續課程的學習打下堅實的基礎。
課堂是知識學習的主陣地，為了提高工程力學課程課堂教學效果，訓練學生力學專業素養和運用所學力學知識解決工程問題的能力，進而為培養學生的創新能力提供條件，國內眾多研究者從工程力學教學的手段、方法、理念等方面進行了多角度探索和實踐。 如劉巍[1]對工程力學教材的建設方面提出了幾點建議，鄒良浩和蔣寅軍[2]探討了 PPT（Pow-erPoint Teaching）在工程力學專業相關課程教學中的應用。小班多組學生的合作教學法[3]. 以力學競賽為切入點的課堂教學實踐[4]、問題式教學法[5]、案例教學法[6-7]、依托網絡數字化資源的微課[8]和 MOOC（Massive Open Online Course）[9]等教學方法或模式。
工程力學的學科內在形態[10]決定了 “力學”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工程力學的“力學”理論與“工程”實踐相結合的重要橋梁紐帶，也是將書本力學知識與工程實踐相結合的有效途徑。 同時，工程力學作為煤礦開采科學的重要應用領域， 關系到國家能源的安全高效環保問題，因此很有必要讓學生了解到最新的科學研究成果。
面對目前工程力學課程學時壓縮、 內容精簡、要求提高等難題，為了保證良好的教學效果，必須著力改善教學內容和方法，促使學生做到“課堂有興趣、學習有收獲、知識學扎實”,最終達到對知識學以致用、融會貫通的目的。 工程案例教學要求教師能夠實現自身知識更新、 掌握最新前沿研究成果， 注重優化工程力學課程內容與教學過程設計，將案例很好地引入到課堂教學中，注重學生應用研究能力的培養， 有助于學生創新思維的形成與鍛煉。
1 工程案例教學法。
工程力學課程理論性較強， 學生學習難度大，為了提高學生對課程學習的興趣[12],可采用工程案例教學方法，以解決工程實際問題為主線。 這種帶著問題和興趣教學的方法具有良好的教學效果，所以，工程案例教學法是解決當前工程力學教與學矛盾的有力措施。
多數工程實踐案例并非單一知識點的應用，更多的是多知識點的綜合交叉融合。 工程實例不僅讓學生更深入理解所學知識，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習興趣和學習信心，實踐性和趣味性兼而有之，能使學生深刻體會到“每所學，必有用”
的哲理，切身體會到課堂所學力學知識的應用價值所在，激發學生學習的主觀能動性，有助于培養學生的邏輯思維能力和科研創新的積極性，提升教學質量， 增強學生在未來工作崗位的預見性和適應性。 同時，教師通過課堂教學與最新科學研究成果的結合，達到了教學相長的目的。
2 采礦工程教學案例。
文章以井工采礦工程中的頂板穩定性力學問題、中深孔采礦技術力學問題和膠結充填開采方法頂板力學問題這三個具體問題為分析對象，依據各具體問題抽象出與其對應的力學模型。 課堂上先對產生每種力學問題的工程背景進行介紹，之后再考慮其力學本質，進而抽象出力學模型。
2.1 頂煤穩定性分析。
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本質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， 因此將覆巖右側視為活動鉸鏈約束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，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頂板。 因此，深孔開采力學模型簡化力學模型圖（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 膠結充填開采分析。
膠體充填采礦技術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間 7 d 內強度上升較快， 之后充填材料強度緩慢增長，28 d 后強度恒定， 故將充填區劃分為 B 區 （強度快速增長區）、C區（強度緩慢增長區）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，充填體接頂良好時的采場力學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 區充填體產生的最大支撐力，q3為 E 位置的支撐力。
3 結語。
1）對上述典型的采礦工程案例抽象出力學模型后，綜合運用工程力學靜力學、幾何學和物理學三方面條件進行分析求解。
2）工程案例教學體現了學為主體，教師學習教授最新科研成果， 通過對采礦工程案例的分析，抽象出工程力學模型， 再聯系課程基本理論與方法，鍛煉了學生運用工程力學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，加深了工程力學知識的理解和運用，使學生不僅了解了采礦行業相關知識， 而且發揮了學生自主學習的熱情，培養了學生創新思維能力，為今后的崗位工作打下來基礎，取得了良好的效果。
參考文獻：
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