時間：2022-04-17 05:42:08
序論：在您撰寫巖石力學(xué)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(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
摘要：為適應(yīng)我國土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)和教學(xué)改革的需要，針對土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課――巖石力學(xué)課程的教學(xué)特點，擬拓展實驗與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，增加巖石力學(xué)特性實驗與數(shù)值試驗及現(xiàn)場教學(xué)兩個部分，構(gòu)建集理論教學(xué)、物理實驗與數(shù)值試驗、現(xiàn)場教學(xué)于一體的巖石力學(xué)綜合教學(xué)模式，以期推動巖石力學(xué)課程實踐性教學(xué)邁上一個新臺階。
關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)；實驗教學(xué)；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(shè)的興起，傳統(tǒng)的巖石力學(xué)課程理論教學(xué)及授課內(nèi)容已經(jīng)無法滿足工程界對巖石力學(xué)知識的熱切需求，亟待開展《巖石力學(xué)》課程的教學(xué)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(xué)課程的教學(xué)經(jīng)驗與體會，并結(jié)合國內(nèi)其他高校巖石力學(xué)教學(xué)研究所取得的一些成果[1-5]，提出我校大學(xué)生《巖石力學(xué)》課程實踐性教學(xué)改革的總體構(gòu)想，即集成物理實驗與數(shù)值試驗、現(xiàn)場教學(xué)于一體的巖石力學(xué)課程實踐教學(xué)，以期推動巖石力學(xué)課程實踐性教學(xué)邁上一個新臺階。
一、巖石力學(xué)課程實踐性教學(xué)改革的必要性
巖石力學(xué)是運用力學(xué)方法與地質(zhì)學(xué)原理來研究巖石與巖體的力學(xué)行為的一門新興科學(xué)，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(yīng)用的科學(xué)[1]。它涉及到巖石的物理性質(zhì)、拉壓剪等強度特性、與時間有關(guān)的流變特性、巖石的單軸和三軸變形特性、巖石的動力學(xué)特性、巖石的各向異性本構(gòu)關(guān)系、巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)、由結(jié)構(gòu)面與巖石塊體包圍的巖體的力學(xué)特性、巖體不連續(xù)面的滲流性質(zhì)、地應(yīng)力環(huán)境、巖體力學(xué)中的各類數(shù)值方法、巖石力學(xué)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(zhì)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(xué)的研究對象不同于一般的材料，它是非均質(zhì)各向異性、含有多組結(jié)構(gòu)面組合的非連續(xù)介質(zhì)，其力學(xué)行為復(fù)雜多變，導(dǎo)致依托在這一地質(zhì)體上的各類巖石工程（如巖質(zhì)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(fù)雜。正是由于巖石或巖體的復(fù)雜性及特殊性，巖石力學(xué)服務(wù)的各類工程目前還是以工程經(jīng)驗、現(xiàn)場試驗與監(jiān)測為主，理論指導(dǎo)為輔，這給巖石力學(xué)課程的實踐性教學(xué)改革創(chuàng)造了條件、提供了難得的機遇。在理論教學(xué)基礎(chǔ)上強化實驗與實踐教學(xué)，通過參與室內(nèi)實驗和野外實踐，采用工程實用化或經(jīng)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(gòu)建集理論、實驗與實踐于一體的綜合教學(xué)改革，使學(xué)生既儲備較好的理論基礎(chǔ)，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(fù)雜巖石力學(xué)問題的高端技術(shù)人才。從這個意義上說，開展巖石力學(xué)課程的實踐性教學(xué)改革是十分必要的。
二、巖石力學(xué)課程實踐性教學(xué)改革的主要內(nèi)容
增加室內(nèi)實驗教學(xué)與計算機數(shù)值仿真實驗環(huán)節(jié)，并結(jié)合現(xiàn)場工程實例教學(xué)，探索適合現(xiàn)代巖石力學(xué)發(fā)展的新型實踐性教學(xué)方法。
1.增加實驗教學(xué)模塊環(huán)節(jié)。目前我校大學(xué)生巖石力學(xué)課程教學(xué)主要是理論教學(xué)為主（32學(xué)時），強化書本理論知識的學(xué)習(xí)，尚未安排實驗與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。通過本課程的多年課堂理論教學(xué)，結(jié)合本課程經(jīng)驗性、應(yīng)用性較強的突出特點，擬改革現(xiàn)有教學(xué)方式，增設(shè)巖石力學(xué)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)（模塊I），包括4個室內(nèi)實驗?zāi)K，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(nèi)實驗項目（模塊I）為巖石力學(xué)特性參數(shù)實驗，擬規(guī)劃6學(xué)時教學(xué)內(nèi)容，其中驗證性實驗占4個學(xué)時，綜合實驗和演示項目占2個學(xué)時，由學(xué)生先熟悉實驗方法、實驗步驟，再由教師指導(dǎo)，完成實驗；同時實驗室對學(xué)生也實行開放，鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生課后自己設(shè)計并開展相關(guān)實驗。
2.增加數(shù)值試驗教學(xué)環(huán)節(jié)。實踐教學(xué)把培養(yǎng)學(xué)生實驗技能放在首位，虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合，動手與動腦相結(jié)合?？紤]學(xué)生人數(shù)的增加，實驗場地、儀器設(shè)備、巖塊樣品不足等矛盾，將實驗教學(xué)與計算機數(shù)值仿真相結(jié)合，開展模塊Ⅱ教學(xué)，即增加數(shù)值模擬演示實驗2學(xué)時。應(yīng)用大型數(shù)值分析軟件ABAQUS進行巖石力學(xué)數(shù)值模擬實驗教學(xué)。由于巖石破裂過程現(xiàn)象的復(fù)雜性和巖石介質(zhì)的復(fù)雜性，在模塊Ⅰ的巖石力學(xué)教學(xué)實驗過程中，學(xué)生很難通過大量重復(fù)性實驗看到巖石破壞的各種類型的復(fù)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(xué)環(huán)節(jié)，對巖石力學(xué)實驗進行輔助教學(xué)，使學(xué)生參與教學(xué)活動的主動性、創(chuàng)造性大為增強。隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)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(fù)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(xué)實驗教學(xué)的重要補充，達(dá)到巖石力學(xué)實驗輔助教學(xué)的目的。但模塊Ⅱ數(shù)值試驗的應(yīng)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(xì)觀力學(xué)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(chǔ)上才能使用它進行巖石力學(xué)的數(shù)值試驗。此外，巖石力學(xué)數(shù)值試驗也可完成復(fù)雜巖石塊體的變形破壞過程的數(shù)值仿真。
3.預(yù)設(shè)工程問題教學(xué)模式?？紤]到巖石力學(xué)數(shù)值試驗方法在解決巖石力學(xué)問題時具有通用性強、可重復(fù)性等特點，感興趣的學(xué)生可以在任課教師的指導(dǎo)下，在課程開設(shè)初期（如5周內(nèi)）就擬定一個自己感興趣、與巖石力學(xué)與工程緊密相關(guān)的數(shù)值計算課題，帶著問題進行課程學(xué)習(xí)。課程的每個環(huán)節(jié)都使學(xué)生對問題的認(rèn)識更深入一步，當(dāng)專業(yè)知識和數(shù)值計算知識儲備到達(dá)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(xué)生答疑解惑，或一些共性問題可在課堂適當(dāng)講解，從而輔助學(xué)生完成預(yù)設(shè)的各類工程問題，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。
4.結(jié)合工程案例的現(xiàn)場實踐性教學(xué)。實踐性教學(xué)的核心應(yīng)是開展現(xiàn)場教學(xué)，將課堂教學(xué)與實際工程緊密結(jié)合，從而升華理論知識、室內(nèi)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(xué)進展?fàn)顩r，選擇有代表性的巖石工程作為典型教學(xué)案例進行現(xiàn)場教學(xué)，適時邀請現(xiàn)場的項目負(fù)責(zé)人就工程案例進行詳細(xì)講解，包括可能遇到的各類巖質(zhì)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(xué)習(xí)的針對性、提高學(xué)生分析和解決實際工程問題的能力。
三、結(jié)束語
通過上述建設(shè)，將豐富我校大學(xué)生巖石力學(xué)課程的實踐性教學(xué)內(nèi)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(chǔ)上，凝練巖石力學(xué)課程實踐性教學(xué)改革的創(chuàng)新手段與特色教學(xué)方法，推動本科巖石力學(xué)課程實踐性教學(xué)改革的深入發(fā)展。
摘要：《巖石力學(xué)》這門課程具有理論性和應(yīng)用性兩個方面均較強的特點。這不但需要教師和學(xué)生針對現(xiàn)有理論進行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，更為重要的是培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。應(yīng)用研討式教學(xué)方法可以達(dá)到這一目的。本文從海洋工程《巖石力學(xué)》課程的實際需要出發(fā)，對研討式教學(xué)法的應(yīng)用進行了探討。
關(guān)鍵詞：《巖石力學(xué)》；研討式教學(xué)；教師；提高能力
研討式教學(xué)發(fā)起源于早期的德國，現(xiàn)在已經(jīng)成為西方高校的一種普遍的教學(xué)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(xué)模式，開啟了國內(nèi)研討式教學(xué)的先河。研討式教學(xué)以學(xué)生為主體，教師提出問題，鼓勵學(xué)生查閱資料，研究討論后解決問題[3-5]。海洋工程《巖石力學(xué)》是一門新興的課程，這門課程與以往的《巖石力學(xué)》不同之處在于，它將巖石力學(xué)與海洋環(huán)境結(jié)合起來，重點關(guān)注實際鉆井和采油等過程中的巖石力學(xué)問題。這就需要培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。應(yīng)用研討式教學(xué)模式，可以充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，調(diào)動學(xué)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(xué)》這門課程的背景和實際需求出發(fā)，探討研討式教學(xué)法的優(yōu)越性和必要性。
一、海洋工程《巖石力學(xué)》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(xué)》也表現(xiàn)出明顯的特點。首先是海底環(huán)境非常復(fù)雜，不但土質(zhì)松軟，力學(xué)性質(zhì)十分弱，而且地貌多變，給海洋鉆采設(shè)備及工藝提出了巨大挑戰(zhàn)。近期國外內(nèi)出現(xiàn)的海洋油氣開發(fā)中的多個災(zāi)難性事故與海底復(fù)雜的巖土環(huán)境密切相關(guān)。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(chǎn)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(shè)《巖石力學(xué)》課程經(jīng)過兩年的教學(xué)實踐，表明這門課程的開設(shè)十分必要，學(xué)生對于《巖石力學(xué)》的學(xué)習(xí)積極性也較高，基本達(dá)到了課程開設(shè)的教學(xué)目標(biāo)。但是隨著學(xué)科的不斷發(fā)展，在《巖石力學(xué)》的教學(xué)中需要重點突出海洋石油開發(fā)過程中的巖石力學(xué)問題，而目前這一點做的不是很充分。另外，《巖石力學(xué)》這門課程具有理論性和應(yīng)用性兩個方面均較強的特點，這不但需要教師和學(xué)生針對現(xiàn)有理論進行系統(tǒng)地學(xué)習(xí)，更為重要的是培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。
二、研討式教學(xué)模式的優(yōu)勢
傳統(tǒng)的教育理念是以教師為主體，學(xué)生為客體，主客關(guān)系非常明確。學(xué)生被動的吸取知識，這就容易造成：學(xué)生很難在學(xué)習(xí)中產(chǎn)生主動學(xué)習(xí)的興趣，知識的獲取僅限于課堂，失去了學(xué)習(xí)的動力，壓抑個性，限制了學(xué)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(xué)模式提倡以人為本的理念[6]。從學(xué)生的發(fā)展角度出發(fā)，教師從單一的知識傳授者轉(zhuǎn)變成學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者。與傳統(tǒng)的課堂模式相比，研討式教學(xué)具有明顯的互動性，提高學(xué)生的參與性，更加強了師生之間的平等交流的關(guān)系，活躍了課堂氣氛，有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。這些特點體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）以學(xué)生為主體的討論式教學(xué)可以調(diào)動學(xué)生的興趣，激發(fā)他們學(xué)習(xí)和探討問題的動力。在這一點上，教師的引導(dǎo)作用至關(guān)重要。它需要我們從學(xué)生的角度出發(fā)，構(gòu)建一套完整的引導(dǎo)學(xué)生進入研討境界的課程教學(xué)程序。（2）培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力。研討式教學(xué)改變了長久以來教師講課為主的教學(xué)模式，代之以個人自學(xué)為主，小組討論評比，然后由教師總結(jié)討論結(jié)果。這種教學(xué)方式符合學(xué)生的心理特征，肯定了他們的學(xué)習(xí)成果。（3）改善了學(xué)生與教師之間的關(guān)系，實現(xiàn)了學(xué)生和教師在課堂上的良性互動。
三、基于研討式教學(xué)方法的教學(xué)實施
海洋工程《巖石力學(xué)》是一門根據(jù)海洋油氣開發(fā)過程中的巖石力學(xué)問題衍生出來的相關(guān)課程，我們不能依照一般的巖石力學(xué)來授課。根據(jù)海洋工程《巖石力學(xué)》的課程性質(zhì)，我們從以下幾個方面來設(shè)計研討式授課內(nèi)容。
1.海洋環(huán)境及巖石力學(xué)的相關(guān)文獻閱讀指導(dǎo)方案。文獻閱讀與分析是從事科學(xué)研究的重要環(huán)節(jié)和基本功，讓學(xué)生在本科階段適當(dāng)結(jié)合學(xué)習(xí)內(nèi)容開展文獻閱讀的訓(xùn)練不但對本課程的學(xué)習(xí)十分有益，而且為以后進一步的發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。這是研討式教學(xué)的第一步。這個環(huán)節(jié)可以讓學(xué)生開闊視野，了解相關(guān)課題的最新研究動態(tài)。
2.結(jié)合海洋油氣開發(fā)的工程實際和巖石力學(xué)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(zhì)，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(zhì)，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(guān)鍵點，這可以是學(xué)術(shù)前沿，也可以是學(xué)術(shù)研究中的熱點問題。教師在這一環(huán)節(jié)起到至關(guān)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(xué)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(wù)必使學(xué)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(fù)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(xué)生對Matlab的學(xué)習(xí)和掌握較為容易。加入這一內(nèi)容是為了使學(xué)生能夠掌握實際解決問題的技能。通過認(rèn)真篩選，我們最終選擇了四個課題，用于研討式教學(xué)，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(xué)生分組，根據(jù)學(xué)生的人數(shù)和課時的安排，將學(xué)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(dǎo)。首先是學(xué)生查閱文獻，因為相關(guān)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(xué)生少走彎路，在此基礎(chǔ)上，也鼓勵學(xué)生自己查找資料補充，消化、歸納和總結(jié)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(xué)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(yīng)用情況。對于每個課題，我們要求學(xué)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(xué)習(xí)一門軟件技能。如圖1所示，是1組同學(xué)用Matlab設(shè)計的一個計算而為水力壓裂模型的界面，圖2是3組同學(xué)采用Abaqus計算的直井井壁圍巖的應(yīng)力分布情況。經(jīng)過這些練習(xí)，同學(xué)們對知識的理解更加深刻，教師也了解了學(xué)生知識的掌握情況。
報告的總結(jié)和歸納，是對所有工作的總結(jié)，包括組內(nèi)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(xué)生的文字表達(dá)和口頭表達(dá)的能力十分重要。教師在這個環(huán)節(jié)可以引導(dǎo)學(xué)生，如演講稿的版面要美觀大方，內(nèi)容必須簡潔明了。我們鼓勵學(xué)生在小組中先進行組內(nèi)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(xué)生代表根據(jù)自己選擇的課題在全班進行答辯，其他學(xué)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(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生，注意調(diào)節(jié)課堂氣氛，還要對演講同學(xué)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(jié)和歸納。
實踐表明，研討式教學(xué)對學(xué)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(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，研討的過程更是一個跨專業(yè)的交流和溝通，學(xué)生相互之間取長補短，開闊了大家的視野，使學(xué)生全方位的考慮問題，完善課程的認(rèn)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(xué)術(shù)交流模式，從而實現(xiàn)了學(xué)術(shù)水平的共同進步。
摘要：巖石力學(xué)不僅是一門重視理論的學(xué)科，也是一門實踐性很強的工程學(xué)科，是巖土工程等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程。針對目前中國高校巖石力學(xué)的內(nèi)容落后以及教學(xué)方式枯燥等問題，本文著重探究了建設(shè)巖石力學(xué)雙語課程的必要性及可行性，以促進雙語教學(xué)在高校的落實，發(fā)揮雙語教學(xué)在高校素質(zhì)教育中的作用，為高校培養(yǎng)巖石力學(xué)高層人才提供有效思路。
關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)；雙語教學(xué)；必要性
目前，我國絕大多數(shù)高校都采用普通話作為教學(xué)語言。而香港和新加坡的大學(xué)主要使用英語教學(xué)。臺灣也正在加強英語教學(xué)的力度。還有很多非英語國家的高校正在使用英語教學(xué)或開始設(shè)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(xué)術(shù)活動，如今英語已經(jīng)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(xué)的主要形式。雙語教學(xué)，即在課堂上增加使用第二中語言來進行學(xué)科的教授，它已經(jīng)是實施雙語教育的重要手段之一[2]。為了推動雙語教學(xué)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(xué)，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(xué)”，近年來我國內(nèi)陸許多高校增開了一系列雙語課，也就是在教學(xué)過程中既有英語授課部分，又有漢語授課部分。不少人認(rèn)為，雙語教學(xué)可以促進高等教育的國際化[3]。巖石力學(xué)是運用力學(xué)原理和方法來研究巖體的力學(xué)以及力學(xué)相關(guān)現(xiàn)象的一門新興科學(xué)，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(yīng)用的科學(xué)[4]。為了達(dá)到良好的教學(xué)效果，在調(diào)查分析國內(nèi)外高校尤其是石油類高校教學(xué)過程中存在的問題，我們對巖石力學(xué)建設(shè)雙語課程的必要性進行了探索。
一、目前巖石力學(xué)課程存在的問題
1.教材陳舊，內(nèi)容落后。隨著我國在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面的投資和發(fā)展，巖石力學(xué)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(diào)等許多高難度、劃時代的標(biāo)志性工程，使得我國在巖石力學(xué)的理論研究、室內(nèi)外試驗、現(xiàn)場監(jiān)測和經(jīng)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(xué)高級人才的大學(xué)，普遍存在著所采教材陳舊，內(nèi)容嚴(yán)重落后于目前巖石力學(xué)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(xué)手段單調(diào)，教學(xué)模式枯燥。巖石力學(xué)的理論比較枯燥，容易導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)模式已不能滿足應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的需求[6～9]。另外，該課設(shè)置的課時量相對于要講授的內(nèi)容來說偏少，按照傳統(tǒng)的教學(xué)方式進行，容易出現(xiàn)讓學(xué)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(xué)內(nèi)容的現(xiàn)象。巖石力學(xué)包含的力學(xué)知識點較多，存在很多公式的推導(dǎo)過程，僅僅靠板書和PPT的形式，不能讓學(xué)生高效地接受知識。
二、采用雙語進行巖石力學(xué)的教學(xué)的必要性
21世紀(jì)是知識、信息和經(jīng)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(shù)和實驗設(shè)備，對外交流與合作日益密切，與巖石力學(xué)相關(guān)的行業(yè)也不例外，我國高校教育正面臨著更加嚴(yán)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(xué)手段，增強教學(xué)效果。雖然也有單獨開設(shè)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(nèi)容交叉重復(fù)的問題，給教學(xué)帶來了困難[4]。所以在巖石力學(xué)課程教學(xué)改革方案中，不應(yīng)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(yīng)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(xué)采取專業(yè)教學(xué)與外語教學(xué)相結(jié)合的雙語教學(xué)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(nèi)外進展，從而保證內(nèi)容的先進性。教學(xué)過程中，可以在每一章增加相應(yīng)的專業(yè)詞匯的英文注解及相關(guān)解釋。另外，還應(yīng)提供外文資料供學(xué)生參考。這樣多途徑的教學(xué)方式，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課程的同時，又學(xué)習(xí)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(xué)生們學(xué)習(xí)專業(yè)外語的興趣。
2.增強英語的閱讀和表達(dá)能力。（1）實施雙語教學(xué)可以為學(xué)生打好堅實的專業(yè)詞匯基礎(chǔ)，補充公共外語教學(xué)的不足，促進國際學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)術(shù)交流中去；而更有相當(dāng)一部分的同學(xué)將可能去國外留學(xué)或者工作。因此課堂上采取雙語教學(xué)可以使學(xué)生們提前熟悉掌握該專業(yè)的名詞術(shù)語，達(dá)到與國際同行順利進行學(xué)術(shù)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(nèi)容，經(jīng)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(xué)的必要性。
（2）實施雙語教學(xué)可以通過中英文對照，采取優(yōu)勢互補，以加深對內(nèi)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(xí)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(zhǔn)確，甚至有歧義的地方，而直接在英語的環(huán)境下學(xué)習(xí)反而更加有利于內(nèi)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(xué)生并不熟悉的詞根組合而成的，這時通過與漢語書本內(nèi)容進行比較可以在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的同時加深對于英語的構(gòu)詞方式的理解，對類似的生詞觸類旁通，從而達(dá)到舉一反三的效果。（3）實施雙語教學(xué)學(xué)生不但可以掌握巖石力學(xué)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(xué)物理符號的讀法、縮寫的含義，石油生產(chǎn)過程中的常見設(shè)備的英文說法等，同樣這些也是公共外語所沒有包含的內(nèi)容。
三、采用雙語進行巖石力學(xué)的教學(xué)的可行性
1.高校教師的英文水平可以勝任雙語教學(xué)的要求。目前高校中有許多在國外學(xué)習(xí)訪問并且用英文發(fā)表文章和進行講座經(jīng)歷的老師，他們的外語能力可以充分保證雙語教學(xué)的實施效果。
2.巖石力學(xué)的教學(xué)資源有許多國內(nèi)外經(jīng)典的原版教材。這些教材既包括側(cè)重原理、概念講授的基礎(chǔ)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(xué)需要。
總之，以強調(diào)理論聯(lián)系實際、重點培養(yǎng)學(xué)生的英語能力為該課程的主要建設(shè)目標(biāo)，進一步提高教師教學(xué)水平，加強教材等教學(xué)資源的建設(shè)，不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法，最終讓學(xué)生掌握本門課程教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)英語水平的提高。實現(xiàn)讓學(xué)生掌握絕大部分專業(yè)詞匯，勝任該專業(yè)領(lǐng)域的國際交流，學(xué)習(xí)跟蹤近期國內(nèi)外反應(yīng)重要學(xué)術(shù)和生產(chǎn)動態(tài)的文獻，了解學(xué)科前沿發(fā)展情況及最新成果的最終目標(biāo)。
摘要：巖石力學(xué)是一門理論性和實踐性均較強的課程，如何開展教學(xué)活動，以確保教學(xué)質(zhì)量，是值得深思的問題。從教材內(nèi)容、課堂教學(xué)方法、課程教學(xué)手段、實踐教學(xué)、行業(yè)現(xiàn)狀等方面對巖石力學(xué)課程的教學(xué)進行了全面的探討。通過教學(xué)改革實踐結(jié)果表明：在全面掌握該課程的基礎(chǔ)上，學(xué)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(xué)教學(xué)改革提供了借鑒。
關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)；教學(xué)方法；教學(xué)實踐；教學(xué)目標(biāo)
《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(zhì)量為重點，更加注重提高人才質(zhì)量、提升教學(xué)研究水平和增強社會服務(wù)能力、特別強調(diào)了高等教育要“優(yōu)化結(jié)構(gòu)辦出特色”，發(fā)揮政策指導(dǎo)和資源配置的作用，引導(dǎo)高校合理定位，克服同質(zhì)化傾向，[2]形成各自辦學(xué)理念和風(fēng)格，在不同層次、不同領(lǐng)域辦出特色，爭創(chuàng)一流。
巖石力學(xué)是研究巖石力學(xué)形態(tài)的理論和應(yīng)用的科學(xué)，是探討巖石對周圍物理環(huán)境中力場反應(yīng)的學(xué)科，是一門應(yīng)用型基礎(chǔ)學(xué)科，其理論基礎(chǔ)廣泛，涉及工程地質(zhì)學(xué)、固體力學(xué)、彈塑性力學(xué)、計算數(shù)學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、建筑結(jié)構(gòu)學(xué)等多門學(xué)科。通過對巖石力學(xué)形態(tài)的理論和實驗研究，解決巖土工程領(lǐng)域的破壞和穩(wěn)定問題，主要圍繞工程地質(zhì)研究方法、數(shù)學(xué)和力學(xué)分析法以及綜合評價法展開，衍生出各種應(yīng)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(xué)”課程的教學(xué)水平，進一步增強內(nèi)蒙古科技大學(xué)（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(chǔ)扎實、知識面廣養(yǎng)、素質(zhì)高、能力強、有創(chuàng)新意識和較強工程實踐能力的高級技術(shù)人才。
一、“巖石力學(xué)”課程教學(xué)現(xiàn)狀
土木工程是內(nèi)蒙古科技大學(xué)歷史較為悠久的專業(yè)之一，專業(yè)下設(shè)建筑工程、道路與橋梁、鋼結(jié)構(gòu)、巖土與地下工程四個方向。巖石力學(xué)是2006年新增設(shè)的一門巖土與地下工程方向必修課，其開設(shè)時間短，基礎(chǔ)較為薄弱，由于一些主觀及客觀的原因，課程教學(xué)存在著很多問題。
隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，巖石力學(xué)新理論、新工藝也如雨后春筍般出現(xiàn)，這對于廣大教學(xué)工作者提出了更高的要求。然而教材內(nèi)容較為陳舊，現(xiàn)代新理論、新工藝多沒有涉及，如課程中關(guān)于地應(yīng)力測量方法[3]章節(jié)中壓磁應(yīng)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(xué)生重視程度不夠，如巖石力學(xué)數(shù)值分析方法章節(jié)。同時巖石力學(xué)由于其理論基礎(chǔ)廣泛，教師課上需要做大量的公式推導(dǎo)及理論的串聯(lián)工作，但有些教師拋繁就簡，關(guān)鍵部分不做詳細(xì)闡述，忽視了學(xué)生能力參差不齊的特點；某些涉及工程應(yīng)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(xué)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(zhì)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(zhì)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(xué)課程教學(xué)改革
1.改善教學(xué)方法，培養(yǎng)創(chuàng)新思維
巖石力學(xué)課程傳統(tǒng)的教學(xué)方式是教師以講授為主，學(xué)生則被動接受知識，這種教學(xué)方式遏制了學(xué)生學(xué)習(xí)和思考問題的積極性，為了改變這種狀態(tài)，形成教師和學(xué)生互動學(xué)習(xí)的氣氛，必須改革原有的教學(xué)方法。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的難易程度，采用啟發(fā)式、研究式、討論式等多種教學(xué)方法。對部分偏理論或純理論章節(jié)，教師應(yīng)對其來源、本質(zhì)、對工程的意義和重要性以及與其相關(guān)理論的關(guān)聯(lián)做深入的解剖，使學(xué)生有一個較為清楚的認(rèn)識。當(dāng)學(xué)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(xué)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(jié)合課本及工程實際布置課后任務(wù)，讓學(xué)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(nèi)容的進展，引導(dǎo)學(xué)生大膽說出自己的見解。課上讓學(xué)生各抒已見，適當(dāng)引入討論課的形式，使教師和學(xué)生之間、學(xué)生和學(xué)生之間互動交流。
2.豐富教學(xué)手段，緊跟時代步伐
基于巖石力學(xué)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(xué)適當(dāng)結(jié)合現(xiàn)代多媒體手段，充分利用多媒體課件授課內(nèi)容多、圖文并茂、表現(xiàn)力豐富的優(yōu)點，提高授課效率，調(diào)動學(xué)生課堂情緒。當(dāng)遇到重點公式推導(dǎo)時，采用傳統(tǒng)板書的方式，教師一步步推導(dǎo)，使學(xué)生易于理解，加深印象，也避免了因?qū)W生素質(zhì)良莠不齊，導(dǎo)致教師錯估教學(xué)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(yīng)盡可能提高課件制作能力，隨時準(zhǔn)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(shù)、新設(shè)備等的詳細(xì)情況，從而使學(xué)生充分關(guān)注本專業(yè)領(lǐng)域最新動態(tài)，培養(yǎng)其獨立思考問題的能力，擴展學(xué)生的知識面。另外，培養(yǎng)學(xué)生在課下利用內(nèi)蒙古科技大學(xué)教學(xué)綜合網(wǎng)絡(luò)平臺的習(xí)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(wǎng)絡(luò)教與學(xué)的互動。
3.學(xué)與用的結(jié)合，理論與實踐的統(tǒng)一
一方面，鼓勵和指導(dǎo)學(xué)生參與大學(xué)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(xué)的知識點融入到項目中，使學(xué)生提前接觸生產(chǎn)實際，掌握一些在課堂上學(xué)不到的東西，增強學(xué)生運用科學(xué)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(xué)生從工作井的開挖到襯砌的完成，基本全程參與，學(xué)生對課堂上較為模糊的知識點多有了比較清晰的認(rèn)識，現(xiàn)場學(xué)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(shù)，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(xué)生“學(xué)無所用”的錯誤想法。[4]如在學(xué)生畢業(yè)設(shè)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(dǎo)老師的指導(dǎo)和學(xué)生的努力，學(xué)生較好地模擬了一些工程問題，再加上學(xué)生較為扎實的理論基礎(chǔ)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(xué)目標(biāo)
21世紀(jì)是地下空間的世紀(jì)。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(shè)。例如，我國巖土工程技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)方面，據(jù)初步統(tǒng)計，不包括各省市所編制的地方標(biāo)準(zhǔn)，我國巖土工程方向的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)就有200余部，各行業(yè)規(guī)范自成體系，形成了名詞術(shù)語、巖土分類、參數(shù)、公式、設(shè)計理論高度不一致的局面，而重大工程的建設(shè)常常需要數(shù)名甚至數(shù)十名各專業(yè)技術(shù)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(fù)雜性的工程技術(shù)問題常有報道，如青藏高原鐵路的建設(shè)，曾遇到過各類國際性的技術(shù)難題，多年凍土的影響一度困擾著大量學(xué)者和工程技術(shù)人員。內(nèi)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(nèi)蒙古科技大學(xué)作為自治區(qū)高等院校，理應(yīng)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(shù)人才，使之投身于西部建設(shè)，不怕艱難險阻，牢記校訓(xùn)“百煉成鋼”，這是我校的教學(xué)目標(biāo)，教師應(yīng)牢記于心，以提高學(xué)生綜合素質(zhì)并為此更加辛勤地努力。
三、結(jié)語
巖石力學(xué)是巖土與地下結(jié)構(gòu)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(yù)期效果，在實施的過程中深深體會到教學(xué)工作的復(fù)雜性和重要性。綜合素質(zhì)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(xué)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(yù)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(zhì)性強，鉆井施工中噴、漏、卡等復(fù)雜事故時有發(fā)生。本文針對這樣的地質(zhì)特點采用聲波時差法計算地層孔隙壓力；從巖石力學(xué)基本原理出發(fā)，根據(jù)庫倫-摩爾準(zhǔn)則和拉伸破壞準(zhǔn)則建立坍塌壓力和破裂壓力的計算模型。并開發(fā)了適應(yīng)于蘇仁諾爾油田的地層三壓力剖面預(yù)測軟件。該軟件能夠?qū)斫Y(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，為鉆井液密度設(shè)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(jié)果進行了驗證， 應(yīng)用表明，該法預(yù)測精度較高，可滿足現(xiàn)場施工要求。
關(guān)鍵詞：巖石力學(xué) 孔隙壓力 坍塌壓力 破裂壓力 預(yù)測模型
在鉆井中，準(zhǔn)確的預(yù)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(shè)計和井身結(jié)構(gòu)設(shè)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(guān)重要的作用。蘇仁諾爾油田地質(zhì)情況比較復(fù)雜，斷層、裂縫十分發(fā)育，巖性復(fù)雜，儲層非均質(zhì)性強。該地區(qū)以往，地層三壓力預(yù)測主要通過經(jīng)驗和鉆后驗證，精確性和準(zhǔn)確性都較差。鉆井施工中噴、漏、塌、卡等復(fù)雜事故時有發(fā)生，加大了鉆井風(fēng)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(jié)合蘇仁諾爾油田實際，在預(yù)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(xué)角度出發(fā)，建立了地層破裂壓力和地層坍塌壓力預(yù)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(dǎo)了鉆井施工，收到了良好的效果。
一、三壓力預(yù)測模型的建立
1.地層孔隙壓力預(yù)測模型的建立
根據(jù)蘇仁諾爾油田的地質(zhì)特點，分析表明采用聲波時差測井資料分析法預(yù)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(yù)測地層的異常壓力，預(yù)測過程如下：
從巖石力學(xué)角度看，井壁穩(wěn)定與否取決于井眼圍巖的應(yīng)力大小與地層強度。若井眼圍巖的應(yīng)力小于地層強度，井眼是穩(wěn)定的；若井眼圍巖的應(yīng)力大于地層強度，井壁將產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致井下復(fù)雜[4]。根據(jù)庫侖-摩爾準(zhǔn)則和拉伸破壞準(zhǔn)則推導(dǎo)地層坍塌壓力和破裂壓力的表達(dá)式。
2.1地層坍塌壓力表達(dá)式
研究中選擇了庫侖-摩爾準(zhǔn)則作為剪切破壞的強度判據(jù)。這個準(zhǔn)則認(rèn)為巖石沿某一平面發(fā)生剪切破壞，不僅與該面上剪應(yīng)力大小有關(guān)，而且與該面上的正應(yīng)力有關(guān)。巖石并不沿著最大剪應(yīng)力作用面產(chǎn)生破壞，而是沿著其剪應(yīng)力與正應(yīng)力達(dá)到最不利組合的某一面產(chǎn)生破裂。其表達(dá)式如下：
井眼圍巖的應(yīng)力大小與井眼內(nèi)的鉆井液密度有關(guān)，隨著鉆井液密度的降低，井眼圍巖的剪應(yīng)力不斷提高，當(dāng)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(dāng)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(yīng)力而使井眼發(fā)生坍塌[8]?？傻锰鷫毫Φ谋磉_(dá)式：
表達(dá)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(dá)式
當(dāng)鉆井液液柱壓力過高時，在井壁處會出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)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(zhǔn)則）。
2.3 計算模型相關(guān)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(yīng)力、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、孔隙壓力、有效應(yīng)力系數(shù)等參數(shù)[3]。由測井?dāng)?shù)據(jù)間接獲取地層的力學(xué)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(xué)性能實驗可以把標(biāo)準(zhǔn)公式中的力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換成某一施工地區(qū)的力學(xué)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(yù)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(yù)測軟件，通過輸入聲波、密度等測井?dāng)?shù)據(jù)以及井眼軌跡參數(shù)和地應(yīng)力參數(shù)計算得出地層三壓力剖面。進而應(yīng)用該軟件預(yù)測地層三壓力，為合理設(shè)計井身結(jié)構(gòu)、鉆井液密度提供可靠依據(jù)[6]。
三、現(xiàn)場應(yīng)用
為了驗證地層三壓力剖面的預(yù)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(yù)測，完鉆后利用實測壓力資料對預(yù)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(yù)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(shè)計和井身結(jié)構(gòu)設(shè)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(yù)測值范圍內(nèi)（見表1和表2），吻合程度較好，該方法的預(yù)測精度較高。
四、結(jié)論與認(rèn)識
1.本文基于地層三壓力計算一般理論，從巖石力學(xué)和破環(huán)準(zhǔn)則等角度出發(fā)，建立了適合蘇仁諾爾油田地質(zhì)情況的地層三壓力預(yù)測模型，提高了地區(qū)適應(yīng)性，實現(xiàn)了利用常規(guī)完井測井資料預(yù)測地層三壓力的目的。
2.利用所編制的三壓力預(yù)測軟件，處理工區(qū)測井資料，明顯提高了地層壓力預(yù)測的精度，為合理設(shè)計井身結(jié)構(gòu)、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(yán)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(xué)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(shù)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(shè)計，機械鉆速顯著提高。本文的研究為準(zhǔn)確分析和預(yù)測大港油田深部地層巖石可鉆性提供新的技術(shù)手段，對提高大港油田的鉆井效率具有重要的促進作用。
【關(guān)鍵詞】測井資料 鉆頭 可鉆性 巖石力學(xué) 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(jié)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(yán)重制約了鉆井速度和勘探開發(fā)經(jīng)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(jīng)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(dǎo)優(yōu)快鉆井技術(shù)方案的制定。
1 地層巖石力學(xué)特性參數(shù)的測定
為系統(tǒng)開展巖石力學(xué)性質(zhì)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(xué)試驗、抗壓強度試驗、巖石硬度試驗和巖石可鉆性試驗，為準(zhǔn)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(xué)參數(shù)試驗結(jié)果如表1所示。
2 巖石力學(xué)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(shè)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(guān)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(guān)系方程，結(jié)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(guān)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(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)計實現(xiàn)深層鉆井的提速：4.2.1？切削齒技術(shù)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(rèn)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(shè)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(jié)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(shù)，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(shè)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(dāng)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(dāng)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(fēng)險。4.2.4？鉆頭布齒技術(shù)和獨特后傾角設(shè)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(nèi)到外依次提高后傾角角度以達(dá)到平滑切削的目的。
[摘 要]在一組巖石力學(xué)性質(zhì)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(jié)果更加準(zhǔn)確，仍缺乏理論上的依據(jù)。文中簡要介紹了應(yīng)用誤差理論的方法，對巖石力學(xué)性質(zhì)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(yīng)用使巖石力學(xué)性質(zhì)實驗結(jié)果更加可靠。
[關(guān)鍵詞]誤差理論 巖石力學(xué)性質(zhì) 試驗 數(shù)據(jù)處理 異常值 剔除
一 引言
在測巖石力學(xué)性質(zhì)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(shù)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(dāng)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(yīng)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(yīng)用誤差理論方法分析巖石力學(xué)性質(zhì)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(yīng)停止試驗，分析原因，及時糾正錯誤。
（2）試驗結(jié)束后，在分析試驗結(jié)果時，如發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，則應(yīng)先找出產(chǎn)生差異的原因，再對其進行取舍。
（3）分析試驗結(jié)果時，如不清楚產(chǎn)生差異的確切原因，應(yīng)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，在處理巖石力學(xué)性質(zhì)試驗數(shù)據(jù)異常值用的統(tǒng)計方法有拉依達(dá)（Pauta）準(zhǔn)則、格拉布斯（Grubbs）準(zhǔn)則、狄克遜（Dixon）準(zhǔn)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(yīng)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(dá)準(zhǔn)則檢驗煤樣的抗壓強度異常數(shù)值
依達(dá)準(zhǔn)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(zhǔn)則只有在測量次數(shù)較大時才適用，至少應(yīng)使次才行，否則使用該準(zhǔn)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(dá)準(zhǔn)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(dāng)時，用作界限，即使有異常也無法剔除：若用作界限，則次以內(nèi)的試驗次數(shù)無法舍去異常數(shù)據(jù)。
（二）用格拉布斯準(zhǔn)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(zhǔn)則檢驗可疑數(shù)據(jù)XP時，應(yīng)用的前提條件：首先認(rèn)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(shè)……，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(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差；然后計算出統(tǒng)計量與臨界值。
四 結(jié)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(jié)果可以為測巖石力學(xué)的性質(zhì)提供科學(xué)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(yīng)用，許多新的理論和方法將不斷產(chǎn)生，處理各類巖石力學(xué)性質(zhì)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(xué)性質(zhì)實驗數(shù)據(jù)的能力已有很大提高，為許多復(fù)雜統(tǒng)計方法的實際應(yīng)用創(chuàng)造了條件，必將加速數(shù)據(jù)統(tǒng)計在巖石力學(xué)性質(zhì)實驗中的推廣應(yīng)用。
[摘要]巖石力學(xué)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(xué)試驗技術(shù)，分析了深層巖石的力學(xué)特征，為其在石油工程中的應(yīng)用有指導(dǎo)意義。
[關(guān)鍵詞]深層 巖石力學(xué) 石油工程
在深層巖石力學(xué)研究中，所涉及的地層深度大多在2 000～8 000 m范圍內(nèi)，研究對象以沉積巖層為主體，巖石處于較高的圍壓（可達(dá)200MPa）、較高的溫度（可達(dá)200℃）和較高的孔隙壓力（可達(dá)200MPa）作用下。這與水電站的壩基設(shè)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(xué)問題不同，也不同于以火成巖和變質(zhì)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(xué)問題。20世紀(jì)60年代以來，隨著我國大慶油田等油田的開發(fā)，巖石力學(xué)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(yīng)力測量理論與技術(shù)；
（2）深部地層環(huán)境下的巖石力學(xué)性質(zhì)；
（3）巖石應(yīng)力、滲透性的聲學(xué)響應(yīng)特性及巖石物理力學(xué)性質(zhì)的地球物理解釋；
（4）構(gòu)造應(yīng)力場的數(shù)值模擬及其在油氣勘探與開發(fā)中的應(yīng)用；
（5）深層巖石中天然裂縫的形態(tài)、分布和預(yù)測理論。
1深層巖石力學(xué)參數(shù)的室內(nèi)試驗測定
巖石的力學(xué)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(nèi)摩擦力、內(nèi)摩擦角、泊松比和楊氏模量。
目前，巖石力學(xué)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(xué)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(xué)特性參數(shù)。
根據(jù)實際受載情況，巖石的靜態(tài)力學(xué)特性參數(shù)更適合工程需要。迄今為止，巖石的靜態(tài)力學(xué)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(nèi)做單軸或三軸應(yīng)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(yīng)力下的動態(tài)力學(xué)特性參數(shù)，獲得巖層沿深度的連續(xù)的力學(xué)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(yīng)力-應(yīng)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(nèi)引進的美國MTS815，MTS816和Terra Tek巖石力學(xué)試驗測試系統(tǒng)，具備全面準(zhǔn)確的行為控制、測試、數(shù)據(jù)后處理功能。溫度、壓力指標(biāo)均可滿足深層巖石力學(xué)基礎(chǔ)試驗的要求。
2靜態(tài)和動態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)的關(guān)系
巖石力學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)特性參數(shù)之間的關(guān)系以及靜態(tài)參數(shù)之間的關(guān)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(guān)，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(yīng)力
地層間或?qū)觾?nèi)不同巖性巖石的物理特性、力學(xué)特性和地層孔隙壓力異常等方面的差別，造成了層間或?qū)觾?nèi)地應(yīng)力分布的非均勻性。某些地層特別強烈的地應(yīng)力各向異性對井壁穩(wěn)定有著非常顯著的影響，層間應(yīng)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(yīng)力主要采用以下幾類預(yù)測模型：單軸應(yīng)變模式：假設(shè)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(yīng)力由上覆壓力產(chǎn)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(yīng)變模式?jīng)]有包括構(gòu)造應(yīng)力項，適用于弱構(gòu)造運動地層。
石油大學(xué)“六五”模式：假設(shè)地下巖層的地應(yīng)力主要由上覆巖層壓力與水平方向的構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生，且水平方向的構(gòu)造應(yīng)力與上覆壓力成正比，該模式考慮了構(gòu)造應(yīng)力的影響，但沒有考慮彈性地層和巖性對地應(yīng)力的影響。石油大學(xué)“七五”模式：在石油大學(xué)“六五”模式的基礎(chǔ)上，假設(shè)地層為勻質(zhì)各向同性的線彈性體，并假定在沉積后期地質(zhì)構(gòu)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(yīng)變均為常量。這種模式意味著地應(yīng)力與地層的彈性模量和泊松比均有關(guān)系，此模式可解釋砂巖地層比相鄰頁巖地層有更高地應(yīng)力的現(xiàn)象。
4深部地層斷裂韌性的測量與預(yù)測
斷裂韌性又稱臨界應(yīng)力強度因子，是裂紋體分析中的關(guān)鍵參量，表征了線彈性裂縫尖端場（應(yīng)力和應(yīng)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(guān)，因而，是物質(zhì)材料的一個基本屬性。根據(jù)試件加工的嚴(yán)格要求以及可能存在的問題，專門設(shè)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(xué)參數(shù)間的關(guān)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(zhì)含量，再根據(jù)上述的試驗資料統(tǒng)計關(guān)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(xué)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(biāo)則是探討巖石的力學(xué)性能。文章首先分析了巖石力學(xué)與地質(zhì)力學(xué)之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上，從巖石的物質(zhì)性與次生演化方面入手對巖石的地質(zhì)本質(zhì)性進行了研究，再對巖石的力學(xué)本構(gòu)性等特性作了相關(guān)探討，旨在建立一種巖石地質(zhì)學(xué)與石力學(xué)相互認(rèn)識及深入結(jié)合的知識通道。
[關(guān)鍵字]巖石 地質(zhì)本質(zhì)性 石力學(xué)
0引言
巖石是一種經(jīng)過了漫長的地質(zhì)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(zhì)性。本文先對巖石力學(xué)與地質(zhì)學(xué)的關(guān)系、巖石的地質(zhì)本質(zhì)性進行了相關(guān)分析，再對巖石力學(xué)本構(gòu)性作了闡述，以期為巖石力學(xué)的進一步發(fā)展提供有利依據(jù)。
1 巖石力學(xué)和地質(zhì)學(xué)的相關(guān)分析
1.1巖石力學(xué)和地質(zhì)學(xué)的學(xué)科關(guān)系分析
巖石力學(xué)該門學(xué)科發(fā)展的研究目標(biāo)是力學(xué)理論，其研究對象則是巖石。巖石屬于地質(zhì)產(chǎn)物，又稱地質(zhì)體[1]。從廣義上理解巖石力學(xué)，巖石力學(xué)實質(zhì)是力學(xué)和地質(zhì)學(xué)結(jié)合而成的交叉學(xué)科，若從側(cè)重點的角度看，巖石力學(xué)更側(cè)重于力學(xué)和巖石地質(zhì)的結(jié)合。巖石力學(xué)是一門應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，其研究任務(wù)主要是巖石的工程建設(shè)及地質(zhì)資源的開發(fā)工程。從巖石力學(xué)的發(fā)展趨勢看，更具深度與廣度的力學(xué)、地質(zhì)學(xué)勢必會和和工程學(xué)科相結(jié)合。所以，地質(zhì)學(xué)一定會變?yōu)閹r石力學(xué)和巖石工程學(xué)科的一門支柱性基礎(chǔ)學(xué)科。
1.2地質(zhì)學(xué)的相關(guān)分析
地質(zhì)學(xué)以地球為研究對象，特別是對地殼的研究，主要研究任務(wù)是對其物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)、形成、演化的地質(zhì)動力作用及其過程進行研究，而地質(zhì)學(xué)的核心研究思路則是地質(zhì)歷史的時空重建，通過以層序與構(gòu)造分析為基礎(chǔ)，采用一些現(xiàn)代的物理化科學(xué)方法、技術(shù)方法，使傳統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)科進入到了現(xiàn)代科學(xué)行列[2]。
1.3工程地質(zhì)學(xué)的相關(guān)分析
工程地質(zhì)學(xué)該門學(xué)科的應(yīng)用性較強，主要研究任務(wù)對工程建設(shè)的地質(zhì)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(zhì)作用進行研究，包括人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境之間的相互作用與制約。工程地質(zhì)學(xué)的主要學(xué)科領(lǐng)域包括工程地質(zhì)力學(xué)、工程巖土學(xué)、工程環(huán)境地質(zhì)學(xué)、地質(zhì)災(zāi)害學(xué)、資源地質(zhì)工程學(xué)等[3]。
2 巖石的地質(zhì)本質(zhì)性分析
物體的本質(zhì)性指的是物體本身的物理特性及結(jié)構(gòu)而形成的內(nèi)在本性。許多巖石力學(xué)家都認(rèn)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(zhì)本質(zhì)性，同時，巖石還具有演化性。
2.1巖石的物質(zhì)性分析
巖石屬于礦物的結(jié)合體，是由礦物組合而成，而其物質(zhì)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(zhì)的相關(guān)分析
巖漿巖屬于原始巖類，而其物質(zhì)組成部分主要是由巖漿的成分決定；同時，因為變質(zhì)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(zhì)，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(xué)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(xué)特性的差異會對巖石力學(xué)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。化學(xué)沉積巖則主要是碳酸鹽或者其他的巖類組成。同時，變質(zhì)巖也是次生巖類，而淺變質(zhì)巖的組成基本還和原巖一樣，且原巖經(jīng)過高溫作用會出現(xiàn)熔融與再結(jié)晶的現(xiàn)象，最終形成深變質(zhì)巖，常見的如花崗片麻巖。
在巖石的構(gòu)成中，礦物晶體或者原巖顆粒之間一般是由基質(zhì)充填；在結(jié)晶中，其物質(zhì)組成與顆粒相似，但主要是以隱晶或者非晶質(zhì)的物態(tài)呈現(xiàn)出來。在沉積巖中，其充填物主要是泥質(zhì)、硅質(zhì)與鈣質(zhì)，尤以硅質(zhì)最強，泥質(zhì)最軟弱，其中硅質(zhì)與鈣質(zhì)都是堅硬充填物。
因此，巖石在成巖之后其力學(xué)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(guān)于次生演化的相關(guān)分析
在后期的演化過程中，巖石會出現(xiàn)兩種轉(zhuǎn)化情況：①由堅硬組分向軟弱物質(zhì)轉(zhuǎn)化；②由軟弱組分向堅硬物質(zhì)轉(zhuǎn)化，兩者皆屬于原生礦物向次生礦物轉(zhuǎn)化。從巖石工程力學(xué)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(zhì)性主要包括礦物的組成與變異。盡管造巖礦物居于主導(dǎo)地位，但從巖石力學(xué)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(dāng)巖石出現(xiàn)粘土化時，不僅會降低力學(xué)參數(shù)，還會對其均一性造成影響，甚至?xí)淖兞W(xué)的本構(gòu)模型。
2.2巖石結(jié)構(gòu)性的相關(guān)分析
巖石結(jié)構(gòu)性指的是尺度不同的結(jié)構(gòu)體其形態(tài)、排列及相互間的連接特征，是其對巖石力學(xué)特性的影響作出的一種反映[4]。巖石的結(jié)構(gòu)是隨著成巖而形成的，且會在后期的構(gòu)造作用及次生演化中得到強化與確立。巖石的結(jié)構(gòu)一般有原生結(jié)構(gòu)與次生結(jié)構(gòu)之分，而兩種結(jié)構(gòu)的構(gòu)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(guān)于巖石力學(xué)本構(gòu)性分析
可以通過兩個不同類型觀點幫助認(rèn)識巖石本構(gòu)性：其中一個就是不連續(xù)力學(xué)觀點，另外一個是連續(xù)力學(xué)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(zhì)具有的屬性及本質(zhì)。但是在研究普適性的相關(guān)方法及理論知識方面做得不夠，需要進行深入了解。本文認(rèn)為從巖石地質(zhì)本質(zhì)性角度進行分析，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此可以選用多元耦合力學(xué)模型幫助表示。在實際中，大部分已有巖石力學(xué)本構(gòu)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(biāo)本巖石，也會存在差異。對于含有較軟弱的膠結(jié)物，或者是脆性較強的巖質(zhì)顆粒的巖石，在處于風(fēng)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(yīng)變以及應(yīng)力不斷發(fā)展中，該類物質(zhì)結(jié)構(gòu)要素在這一階段中體現(xiàn)出應(yīng)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(yīng)力以及偏應(yīng)力。若外荷載三個方向不等壓情況時，在巖石中出現(xiàn)拉應(yīng)力、局部偏應(yīng)力強度也會增大。如果外荷載作用達(dá)到一定程度時，可以使巖石中一些成分材料出現(xiàn)屈服，導(dǎo)致某部分裂面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑移、張開情況，此時結(jié)束了全部彈性變形情況。
4 分析巖石物質(zhì)結(jié)構(gòu)情況以及巖石具備的工程力學(xué)性能情況
對巖石形成及演變過程進行綜合分析，并結(jié)合主要形成物質(zhì)的結(jié)構(gòu)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(zhì)顆粒，因為泥質(zhì)膠結(jié)物質(zhì)含有大量黏土物，所以存在膠結(jié)連接。黏土物質(zhì)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(gòu)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(gòu)造斷裂現(xiàn)象，一般為場地的第三和第四級別結(jié)構(gòu)面。很少出現(xiàn)貫穿第一和第二級軟弱結(jié)構(gòu)或是斷裂結(jié)構(gòu)面情況。
4.2節(jié)理狀巖體類型
其主要是結(jié)晶巖類型，組成成分是造巖礦物，存在結(jié)晶連接，具有的軟弱片狀礦物質(zhì)相對比較少，黏土物質(zhì)也比較少。已有裂縫也會在一定基礎(chǔ)情況下繼續(xù)發(fā)展，然后承受一定構(gòu)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(jié)構(gòu)面，穿過場地的第一、第二級斷裂結(jié)構(gòu)、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(yán)重構(gòu)造作用，或者是遇到嚴(yán)重淺層、次生演變情況，從而出現(xiàn)嚴(yán)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(jié)論
總之，巖石具備的三大屬性分別是：①物理本屬性；②地質(zhì)本質(zhì)性；③力學(xué)本構(gòu)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(xué)知識，提高工程研究水平。理論上認(rèn)為巖石力學(xué)學(xué)科屬于一門多種學(xué)科知識相互交叉分布，不僅有合作，還具有分工工作的學(xué)科。因此，地質(zhì)學(xué)者需要重視巖石具有的地質(zhì)本質(zhì)性方面內(nèi)容，另一方面也不能忽視物理本屬性以及力學(xué)本構(gòu)性方面內(nèi)容的研究。如果巖石力學(xué)研究者可以了解及掌握更多巖石地質(zhì)特征知識，并進行綜合分析，能幫組更好建立本構(gòu)模型，以及進行力學(xué)參數(shù)的選擇工作，以便達(dá)到符合工程需要的相關(guān)要求。在自然資源開發(fā)工作中以及基礎(chǔ)工程建設(shè)施工中都會應(yīng)用到巖石力學(xué)，所以其需要融匯多種不同學(xué)科知識才能很好的完成整個工作流程。
【摘要】本文詳細(xì)的講述了巖石力學(xué)的中心內(nèi)容以及基礎(chǔ)特點，并且深入的研究了巖石力學(xué)在金屬礦山采礦工程中的應(yīng)用。其中包括了巖石力學(xué)與地質(zhì)學(xué)的結(jié)合，國內(nèi)外工程采礦工程的現(xiàn)狀，工程實例等。
【關(guān)鍵詞】巖石力學(xué)，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(xué)術(shù)不斷出現(xiàn)。而巖石力學(xué)是一門就目前來說比較邊緣的學(xué)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(xué)領(lǐng)域已經(jīng)與我們的日常生活愈發(fā)的息息相關(guān)。
二、巖石力學(xué)與地質(zhì)學(xué)的結(jié)合
1.巖石力學(xué)與地質(zhì)學(xué)的學(xué)科關(guān)系
巖石力學(xué)將力學(xué)理論作為學(xué)科發(fā)展的研究目標(biāo)，而巖石則是巖石力學(xué)研究的對象。巖石是一種地質(zhì)產(chǎn)物，也可稱地質(zhì)體。廣義上講，巖石力學(xué)應(yīng)是力學(xué)與地質(zhì)學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科，若更有針對性地來看，巖石力學(xué)側(cè)重于固體力學(xué)與巖石地質(zhì)學(xué)的結(jié)合。巖石力學(xué)屬于應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，它的研究任務(wù)是以巖石工程建設(shè)為己任，也包括地質(zhì)資源的開發(fā)工程。更廣更深的力學(xué)、地質(zhì)學(xué)，與工程學(xué)科的結(jié)合勢在必行。因此，地質(zhì)學(xué)必然成為巖石力學(xué)與巖石工程學(xué)科的支柱性基礎(chǔ)學(xué)科之一。
那么，巖石力學(xué)與巖石工程學(xué)科從地質(zhì)學(xué)中究竟能有何得益，地質(zhì)學(xué)在哪些領(lǐng)域?qū)r石力學(xué)與巖石工程學(xué)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(zhì)學(xué)是地球科學(xué)的一個分支學(xué)科。地球科學(xué)包括大氣、海洋、地理和固體地球科學(xué)等固體地球科學(xué)則包含地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)和地球化學(xué)。
從廣義和實用的角度看，地質(zhì)學(xué)同其他地球科學(xué)的分支有著密切的交叉，因而也含有與它們相關(guān)的研究內(nèi)容。地質(zhì)學(xué)的研究對象是地球，尤其是地殼，重點在于研究它的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)，以及其形成、演化的地質(zhì)動力作用和過程。地質(zhì)學(xué)的核心研究思路是地質(zhì)歷史的時空重建，在層序和構(gòu)造分析的基礎(chǔ)上，地質(zhì)學(xué)家采用了許多現(xiàn)代數(shù)理化科學(xué)和技術(shù)方法，從而使傳統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)科步入現(xiàn)代科學(xué)行列。
巖石力學(xué)與地質(zhì)學(xué)結(jié)合的知識通道
巖石力學(xué)家大多認(rèn)識到地質(zhì)學(xué)是巖石力學(xué)的重要基礎(chǔ)學(xué)科，在巖石力學(xué)的本構(gòu)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(zhì)條件，但是地質(zhì)科學(xué)涵蓋著大量分支學(xué)科，從何入手仍是很大的問題。
地質(zhì)學(xué)家也很熱心于為巖石工程建設(shè)做出自己的貢獻，然而難于確定適當(dāng)?shù)那腥朦c和深入的方向。顯然，構(gòu)建一條地質(zhì)學(xué)和巖石力學(xué)間相互溝通的知識通道是必要的。事實上，巖石力學(xué)及土力學(xué)同地質(zhì)學(xué)的結(jié)合從一開始就被認(rèn)為是學(xué)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(jì)以來，國際巖石力學(xué)學(xué)會、土力學(xué)與巖土工程學(xué)會及工程地質(zhì)與環(huán)境學(xué)會合作構(gòu)建了國際地質(zhì)巖土工程學(xué)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(zhì)做出地質(zhì)建模，巖土力學(xué)進行計算分析，巖土工程開展設(shè)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(nèi)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(dá)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(chǎn)國際等8座礦山采準(zhǔn)深度達(dá)910m，開拓深度到1570m，預(yù)計將來達(dá)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(chǎn)煤國家從20世紀(jì)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(jīng)達(dá)650m，1987年己將近達(dá)900m；原蘇聯(lián)在20世紀(jì)8O年代末就有一半以上產(chǎn)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(shè)計開拓水平750m，距地表達(dá)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。可以預(yù)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(cè)重技術(shù)、注重個案，深層次的基礎(chǔ)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(chǔ)理論研究迫在眉睫。
金屬礦山開采工程中的巖石力學(xué)問題由于處于“三高一擾動”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境，使得金屬礦山巖石力學(xué)行為以及深部災(zāi)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)雜的拉壓復(fù)合狀態(tài)，即徑向產(chǎn)生卸載，而切向產(chǎn)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(fù)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(yīng)力水平比較低，工程開挖后，圍巖一般不會產(chǎn)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(chǎn)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(shè)計理論在淺部開采條件下，由于工程圍巖所處的力學(xué)環(huán)境比較簡單，因此，在進行穩(wěn)定性控制設(shè)計時，采用傳統(tǒng)的線性設(shè)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(xué)特性，使得在進行穩(wěn)定性控制設(shè)計時，就不能簡單的采用一次線性設(shè)計，而必須考慮采用二次以至更復(fù)雜的多次非線性大變形力學(xué)穩(wěn)定性控制設(shè)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(xué)問題，今后主要研究方向集中在深部巖石力學(xué)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(xué)基本特性研究深部“三高一擾動”的復(fù)雜環(huán)境，使深部巖體的組織結(jié)構(gòu)、基本行為特征和工程響應(yīng)均發(fā)生根本性變化，也是導(dǎo)致深部開采中災(zāi)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(xué)行為是金屬礦山資源開采所面臨的核心科學(xué)問題。其中，金屬礦山高應(yīng)力場成因及多個應(yīng)力場的藕合作用狀態(tài)研究、深部復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下巖體拉壓復(fù)合強度確定方法及其災(zāi)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(dá)到二次穩(wěn)定的復(fù)雜力學(xué)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(jié)構(gòu)與支架相互作用，達(dá)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(chǎn)生塑性大變形后與支護體系相互作用達(dá)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(yīng)力場與巷道掘進形成的開挖應(yīng)力場相互藕合疊加，形成了復(fù)雜的三維應(yīng)力場，其采動應(yīng)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(yīng)力等也將產(chǎn)生很大變化，因此，應(yīng)在深入分析金屬礦山采場及巷道圍巖采動應(yīng)力時空分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合金屬礦山巖體非線性力學(xué)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(xué)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(jié)構(gòu)、力學(xué)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(chǎn)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(jié)構(gòu)運動力學(xué)模型，分析其結(jié)構(gòu)運動全過程對采場礦壓、巷道礦壓、巖層內(nèi)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(guān)鍵。
五、結(jié)束語
如果巖石力學(xué)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(xué)在采礦事業(yè)中更多的廣泛利用起來。
【摘 要】巖體力學(xué)不是一門系統(tǒng)的學(xué)科，它屬于地質(zhì)學(xué)與力學(xué)之間的一門邊緣學(xué)科，現(xiàn)如今在采礦工程中的應(yīng)用也比較廣泛。本文首先介紹了巖體力學(xué)的時代背景，其次又從三方面探討了巖石力學(xué)在采礦工程中的應(yīng)用，分別是：對于深部開采所帶來的災(zāi)害預(yù)測、礦山地應(yīng)力場測量、大型深凹露天礦邊坡設(shè)計優(yōu)化。
【關(guān)鍵詞】巖石力學(xué)；采礦工程；應(yīng)用
1.簡述采礦工程中巖體力學(xué)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(nèi)；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(biāo)準(zhǔn)；③礦山地質(zhì)條件復(fù)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(xué)具有復(fù)雜性的特點。
在巖體表面或其內(nèi)部進行任何工程活動，都必須符合安全、經(jīng)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(jīng)濟合理，必須通過準(zhǔn)確地預(yù)測工程巖體的變形與穩(wěn)定性、正確的工程設(shè)計和良好的施工質(zhì)量等來保證。其中，準(zhǔn)確地預(yù)測巖體在各種應(yīng)力場作用下的變形與穩(wěn)定性，進而從巖體力學(xué)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(shè)計提供巖體力學(xué)依據(jù)，是工程巖體力學(xué)研究的根本目的和任務(wù)。
2.巖石力學(xué)在采礦工程中的應(yīng)用
巖石力學(xué)理論服務(wù)于采礦活動，其目的有四個方面。
（1）充分利用地殼內(nèi)部各種應(yīng)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(chǎn)規(guī)模，創(chuàng)造礦山經(jīng)濟效益。
2.1礦山地應(yīng)力場測量
地應(yīng)力是存在于底層中的天然應(yīng)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(shè)計和決策科學(xué)化的必要前提。對于礦山設(shè)計來講，只有掌握了具體工程區(qū)域的地應(yīng)力條件，才能合理確定礦山的總體布置，選取適當(dāng)?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(jié)構(gòu)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(chǎn)量，提高礦山經(jīng)濟效益，實現(xiàn)采礦工程的優(yōu)化。
目前普遍采用的地應(yīng)力測量方法有應(yīng)力解除法和水壓致裂法兩大類。其中，套孔應(yīng)力解除法是發(fā)展時間最長，技術(shù)比較成熟的映眾地應(yīng)力測量方法。在測定原始應(yīng)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(jīng)獲得的地應(yīng)力測量資料中，有80%是有應(yīng)力解除法測得的。對于礦山來講，采用應(yīng)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?qū)ｉT的鉆孔才能到達(dá)測點。因而對礦山地應(yīng)力測量而言，采用應(yīng)力解除法是最經(jīng)濟和可靠的。
2.2地下礦山采礦設(shè)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(yīng)力場的控制。為此，必須以地應(yīng)力為切入點進行采礦設(shè)計優(yōu)化。即：根據(jù)實測地應(yīng)力和扎實的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及礦巖物理力學(xué)性質(zhì)等基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)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(biāo)。
2.3大型深凹露天礦邊坡設(shè)計優(yōu)化
我國一大批大中型露天礦山已經(jīng)或即將由山坡露天開采轉(zhuǎn)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(yán)重威脅礦山的安全生產(chǎn)，制約礦山生產(chǎn)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(chǎn)成本的重要手段。
國內(nèi)外邊坡穩(wěn)定性分析和設(shè)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(xué)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(yīng)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(shè)計可能是適用的，但對深凹露天礦設(shè)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(xué)技術(shù)，充分考慮地應(yīng)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(shè)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(jié)合的方法，對不同邊坡角和邊坡設(shè)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(chǎn)成本，增加礦石產(chǎn)量和礦山效益。
2.4深部開采動力災(zāi)害預(yù)測與防治
深部開采動力災(zāi)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(shù)路線為：從扎實的現(xiàn)場地應(yīng)力測量、工程地質(zhì)調(diào)查、巖石力學(xué)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(zhì)構(gòu)造和巖體特性的關(guān)系，對巖爆發(fā)生的時間、空間和強度進行定量的預(yù)測；將預(yù)測和防治、地下河地面、生產(chǎn)安全和環(huán)境安全融為一體進行評價和研究。
3.巖石力學(xué)在采礦工程中的發(fā)展趨勢
巖石力學(xué)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了采礦工程中的各個領(lǐng)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(chǎn)資源的續(xù)開發(fā)，在采礦工程終將會遇到條件更復(fù)雜、拿督更大的巖石力學(xué)問題，因此，巖石力學(xué)與工程學(xué)科的理論水平和工程能力都有待進一步提高。
巖體力學(xué)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(jīng)驗來解決工程中遇到的巖體力學(xué)問題。因此，巖體力學(xué)的形成和發(fā)展要比土力學(xué)晚得多。隨著生產(chǎn)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(xué)問題。由于巖體中具有天然應(yīng)力、地下水等，并發(fā)育有各種結(jié)構(gòu)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(zhì)和各向異性等特征。對于這樣一種復(fù)雜的介質(zhì)，不僅研究內(nèi)容非常復(fù)雜，而且其研究方法和手段也應(yīng)與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)有所不同。
今天，由于礦產(chǎn)資源勘探開采、能源開發(fā)及地球動力學(xué)研究等的需要，工程規(guī)模越來越大，所涉及的巖體力學(xué)問題也越來越復(fù)雜。這對巖體力學(xué)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(gòu)成是巖石）的一種自然地質(zhì)材料[1]，它構(gòu)成了地球四大圈層之一的巖石圈，因此與巖石有關(guān)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(guān)， 開展巖石力學(xué)及工程應(yīng)用的研究具有重要的理論及現(xiàn)實意義。
關(guān)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(zāi)難以來，巖石的工程力學(xué)性質(zhì)開始被人們所重視，并由此開始了現(xiàn)代巖石力學(xué)的工程應(yīng)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(jì)，人們更多的是將經(jīng)典的力學(xué)方法及確定性理論應(yīng)用于巖石力學(xué)的研究，在這方面已經(jīng)取得了相當(dāng)矚目的科研成就[3]。由于巖石的組構(gòu)、礦物成分，賦存的力學(xué)和地質(zhì)環(huán)境的不同，所以巖石的物理力學(xué)性質(zhì)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過巖石的特征尺度。這個特征尺度可以是巖石的微細(xì)觀的REV或者是巖體的宏觀REV尺度。
隨著巖石力學(xué)及工程應(yīng)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(xué)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(xué)以及工程性質(zhì)[4]。這就需要從數(shù)學(xué)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(yīng)巖石性質(zhì)的信息、數(shù)據(jù)的不全面、不完整而導(dǎo)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(xué)隨機性問題。由此而專門發(fā)展出一套有關(guān)巖石力學(xué)性質(zhì)的隨機力學(xué)。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(xué)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(xué)與工程的這些不確定性問題，研究人員已經(jīng)從多個方面開展了模糊巖石力學(xué)與隨機巖石力學(xué)的研究。本文將總結(jié)這些方面的研究成果，以期對隨機理論和模糊數(shù)學(xué)在巖石力學(xué)與工程中的應(yīng)用有一個全面而系統(tǒng)的認(rèn)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(jié)構(gòu)的隨機模擬
巖石及巖體都是賦存于自然地質(zhì)條件中的初始損傷體。在巖石內(nèi)部通常都會由于礦物顆粒的沉積作用以及動力變質(zhì)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(xì)觀結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性質(zhì)（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(xì)裂隙結(jié)構(gòu)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(xué)及模糊數(shù)學(xué)理論，在Matlab開發(fā)平臺上，采用Monte-Carlo隨機理論描述大理石細(xì)觀結(jié)構(gòu)體積表征單元，通過計算機對其細(xì)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(xì)觀信息，測定了大理石顆粒及礦物組構(gòu)的幾何尺度，并得到大理石微細(xì)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(jié)構(gòu)的分形盒維數(shù)，并與Swoboda損傷理論相結(jié)合，描述了大理巖考慮損傷效應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對巖體的力學(xué)性質(zhì)，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(wǎng)絡(luò)以及巖體的結(jié)構(gòu)有比較清晰的認(rèn)識，這就需要對節(jié)理裂隙進行產(chǎn)狀和幾何尺寸的現(xiàn)場統(tǒng)計和調(diào)查分析。隨著電子計算機的發(fā)展，人們期望能夠?qū)F(xiàn)場統(tǒng)計的節(jié)理裂隙地質(zhì)資料在計算機上再現(xiàn)，然后將建立的幾何模型應(yīng)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(zhì)調(diào)查、節(jié)理裂隙統(tǒng)計、室內(nèi)及現(xiàn)場巖樣和節(jié)理結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)模型[7]。這樣就可以實現(xiàn)從現(xiàn)場調(diào)查的地質(zhì)資料到計算機的模擬再現(xiàn)和三維地質(zhì)模型的建立，進而利用連續(xù)等效應(yīng)變和節(jié)理損傷張量理論，可以確定宏觀巖體的等效力學(xué)參數(shù)。采用這種數(shù)值手段模擬任意尺度下的巖體力學(xué)試驗，可以在一定程度上彌補不能開展大尺度巖體力學(xué)試驗的問題。張貴科 等人[8]在前人的研究基礎(chǔ)上，對節(jié)理巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)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(xué)描述及其與空間點的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上，研究了巖體的REV尺度，開發(fā)了巖體三維裂隙網(wǎng)絡(luò)圖形的模擬程序。圖1是該軟件生成的巖體結(jié)構(gòu)圖。張貴科 等[9]在此研究的基礎(chǔ)長，利用巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)和等效連續(xù)應(yīng)變理論，推導(dǎo)考慮初始應(yīng)力條件的節(jié)理巖體等效應(yīng)變的計算方法，并根據(jù)正交各向異性的彈性本構(gòu)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(wǎng)絡(luò)的計算機模擬[8]
3. 巖質(zhì)邊坡模糊穩(wěn)定性分析方法
巖質(zhì)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(chǎn)狀，將完整巖石切割分塊。不同的節(jié)理空間分布形式?jīng)Q定了巖質(zhì)邊坡的破壞形式。在實際的邊坡工程中，巖質(zhì)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(jié)構(gòu)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(chǎn)狀，結(jié)合邊坡面的產(chǎn)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(zhì)資料通常都只具有統(tǒng)計學(xué)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(zhì)邊坡中引入模糊數(shù)學(xué)的方法對邊坡的穩(wěn)定性做性的穩(wěn)定性評價。
眾多學(xué)者[11, 12, 13, 15]的研究表明，各種力學(xué)參數(shù)的模糊性、隨機性對工程穩(wěn)定性的評價有著至關(guān)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(xué)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(xué)參數(shù)的模糊性進行研究，并提出考慮力學(xué)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(shè)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(xué)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(xué)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(xué)的試驗結(jié)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(nèi)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(fù)抽樣，進行大量試驗就可以逼近該巖體的力學(xué)參數(shù)特性；模糊性則關(guān)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(xué)參數(shù)的基本方法，唐杰軍 等[16]將這兩種方法進行了結(jié)合和分別應(yīng)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(yīng)用于實際的巖石力學(xué)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(xué)參數(shù)。當(dāng)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(shù)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)。基于此，劉世君 等人[18]和徐衛(wèi)亞 等人[17]，指出應(yīng)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(yīng)用研究，他們建立了一套17方法并將其應(yīng)用于實際的水電工程中。通常將目標(biāo)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(xué)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(yīng)用中使用黏彈塑性模型來描述其力學(xué)行為。同樣地，與彈塑性性的參數(shù)反演類似，巖石流變本構(gòu)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?nèi)崃康母拍?，根?jù)位移和蠕變?nèi)崃績刹椒捶治龇?，從流變性模型的一般表達(dá)式中辨識出適用的本構(gòu)模型。由相應(yīng)的位移實測值用解析法反演巖石的蠕變?nèi)崃浚儆蓭r石的蠕變?nèi)崃窟\用非線性技術(shù)辨識出巖石本構(gòu)模型的最終表達(dá)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(yīng)用平面復(fù)變影射、保角變換方法可得圍巖內(nèi)任一點在曲線坐標(biāo)中的位移和滿足應(yīng)力邊界條件的復(fù)勢函數(shù)。再利用復(fù)變函數(shù)分析方法確定曲線坐標(biāo)下的蠕變?nèi)崃亢蛷V義蠕變?nèi)崃康木€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(yù)測。
5. 巖石材料的隨機本構(gòu)模型
前述的巖石力學(xué)問題都涉及到隨機模糊理論在巖石力學(xué)與工程中的應(yīng)用，這種應(yīng)用集中在對巖石的幾何以及物理力學(xué)參數(shù)模糊識別與計算機的再現(xiàn)。另外還有學(xué)者將隨機模糊理論應(yīng)用于巖石的本構(gòu)模型，用于描述和解決巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(xué)，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(yīng)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(shè)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(zhǔn)則。最后建立了彈塑性損傷耦合的本構(gòu)模型，并將其應(yīng)用于巖石的應(yīng)力應(yīng)變描述。該模型能夠很好的反應(yīng)巖石經(jīng)過峰值破壞后的殘余強度。
6. 隨機有限元法在巖石力學(xué)中的應(yīng)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(xué)問題的一種必不可少的方法。有限元法是計算巖石力學(xué)的常用方法。經(jīng)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(yīng)用和隨機力學(xué)的發(fā)展，這些理論被逐步引入并應(yīng)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(xué)的一個主要部分。經(jīng)過20余年的發(fā)展，目前已成為分析隨機因素影響下結(jié)構(gòu)隨機響應(yīng)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(quán)積分法和響應(yīng)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(yīng)用于大型工程問題；加權(quán)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(zhì)模型中推廣應(yīng)用。
針對不同的巖石力學(xué)研究領(lǐng)域，目前眾多的研究人員開展了大量有關(guān)隨機有限元的應(yīng)用研究。何翔[24]在研究巖體滲流應(yīng)力耦合的問題時，將巖體滲流、力學(xué)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(zhì)模型的基礎(chǔ)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(yīng)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(nèi)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(yīng)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(jīng)典隨機有限元理論基礎(chǔ)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(yīng)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(jié)隨機有限元格式。并在實際工程中取得了較好的應(yīng)用。
摘 要：由于我國經(jīng)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(xué)的核心內(nèi)容和本質(zhì)特征及其在金屬礦山采礦工程中的應(yīng)用，包括礦山地應(yīng)力場測量，地下礦山采礦設(shè)計優(yōu)化，大型深凹露天礦邊坡設(shè)計優(yōu)化和深部開采動力災(zāi)害預(yù)測與防治，介紹了金屬礦山地應(yīng)力的規(guī)律性及地下礦山采礦設(shè)計優(yōu)化方法。
關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)；金屬礦山；采礦工程；應(yīng)用
1 巖石力學(xué)的特點
隨著人類文明的不斷進步，以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多新的學(xué)科應(yīng)運而生。巖石力學(xué)是近展起來的一門應(yīng)用性和實踐性很強的新興學(xué)科和邊緣學(xué)科，它的應(yīng)用范圍涉及采礦、土木建筑、水利水電、鐵道、公路、地質(zhì)、地震、石油、地下工程、海洋工程等眾多的與巖石工程相關(guān)的工程領(lǐng)域。一方面，巖石力學(xué)是上述工程領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)；另一方面，正是上述工程領(lǐng)域的實踐促使了巖石力學(xué)的誕生和發(fā)展。
1966年，美國科學(xué)院巖石力學(xué)委員會對巖石力學(xué)給予以下定義：“巖石力學(xué)是研究巖石的力學(xué)性狀的一門理論和應(yīng)用科學(xué)，它是力學(xué)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(yīng)?！边@一定義是從“材料”的概念出發(fā)的，帶有材料力學(xué)或固體力學(xué)的深深烙印。隨著巖石力學(xué)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(rèn)識有了突破。首先，不能把“巖石”看成固體力學(xué)中的一種材料，所有巖石工程中的“巖石”是一種天然地質(zhì)體，或者叫做巖體，它具有復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和賦存條件，是一種典型的“不連續(xù)介質(zhì)”。其次，巖體中存在地應(yīng)力，它是由于地質(zhì)構(gòu)造和重力作用等形成的內(nèi)應(yīng)力。由于巖石工程的開挖引起地應(yīng)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(xué)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(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等有本質(zhì)的不同。最近的研究表明，無論是巖體結(jié)構(gòu)，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(xué)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(xué)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(guān)。
根據(jù)上述分析，現(xiàn)在可以重新定義：巖石力學(xué)是一門認(rèn)識和控制巖石系統(tǒng)的力學(xué)行為和工程功能的科學(xué)。采礦工程涉及的巖石力學(xué)問題主要有如下幾個方面。
(1)礦山地應(yīng)力場測量
(2)露天采礦邊坡設(shè)計及穩(wěn)定加固技術(shù)
(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(shè)計優(yōu)化，包括采礦方法選擇、開采總體布置、采場結(jié)構(gòu)、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(yù)測、預(yù)報及預(yù)處理理論和技術(shù)
(6)采空區(qū)處理及地面沉降問題。
2 礦山地應(yīng)力場測量
2. 1 地應(yīng)力測量的重要性
地應(yīng)力是存在于地層中的天然應(yīng)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(shè)計和決策科學(xué)化的必要前提。因為對礦山設(shè)計來講，只有掌握了具體工程區(qū)域的地應(yīng)力條件，才能合理確定礦山總體布置，選取適當(dāng)?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(jié)構(gòu)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(chǎn)量，提高礦山經(jīng)濟效益，實現(xiàn)采礦工程的優(yōu)化。
根據(jù)彈性力學(xué)理論，巷道和采場的最佳形狀主要由其斷面內(nèi)的2個主應(yīng)力的比值來決定，為了減少巷道和采場周邊的應(yīng)力集中現(xiàn)象，它們最理想的斷面形狀應(yīng)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(yīng)與該斷面內(nèi)水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)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(yīng)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(yīng)考慮地應(yīng)力的狀態(tài)，最理想的走向是與最大主應(yīng)力方向相平行。
由于采礦工程的復(fù)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(yīng)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(shè)計計算和分析的工程科學(xué)。所有的計算和分析都必須在已知地應(yīng)力的前提下進行。如果對工程區(qū)域的實際原始應(yīng)力狀態(tài)一無所知，那么任何計算和分析都將失去其應(yīng)有的真實性和實用價值。
2. 2 地應(yīng)力測量的主要方法
測量原始地應(yīng)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(yīng)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(yīng)力狀態(tài)可由選定坐標(biāo)系中的6個分量(Rx，Ry，Rz，Sxy，Syz，Sxz)來表示，這種坐標(biāo)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(biāo)系作為測量坐標(biāo)系。由6個應(yīng)力分量可求得該點的3個主應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性和多變性，要比較準(zhǔn)確地測定某一礦區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)，就必須進行充足數(shù)量的“點”測量。在此基礎(chǔ)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(yīng)力場模型。
目前，應(yīng)力解除法已形成一套標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)部打大孔，直至位于巖體內(nèi)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(yīng)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(yīng)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(jié))到小孔中央部位；空心包體應(yīng)變計是目前國內(nèi)外采用最廣泛的應(yīng)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(yīng)力解除。由于應(yīng)力解除引起的小孔變形或應(yīng)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(yīng)變通過有關(guān)公式即可求出小孔周圍巖體的原巖應(yīng)力狀態(tài)。
3 地下礦山采礦設(shè)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(yīng)力場的控制。為此，必須以地應(yīng)力為切入點進行金屬礦采礦設(shè)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(chǎn)能力和采礦強度，減少了采準(zhǔn)工作量，降低了生產(chǎn)成本；實現(xiàn)了各采場連續(xù)回采，大大增加了盤區(qū)內(nèi)同時回采的采場數(shù)目，大幅度提高了盤區(qū)生產(chǎn)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(shè)計的定量計算、分析，實現(xiàn)了采場結(jié)構(gòu)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(shù)獲得成功，使采場圍巖的應(yīng)力分布趨于合理，采場地壓得到有效控制。在應(yīng)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(zhì)量，增大了采場生產(chǎn)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(shè)備的優(yōu)化配置和全盤機械化，提高了無軌采掘設(shè)備的作業(yè)效率和機械化作業(yè)水平。提高了礦山生產(chǎn)能力，降低了生產(chǎn)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(chǎn)安全提供了保障。通過研究，使盤區(qū)生產(chǎn)能力增加了88%，采場勞動生產(chǎn)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(chǎn)量增加了75. 5%，采礦技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)全面達(dá)到世界先進水平。
結(jié)束語
隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，以及科學(xué)技術(shù)的不斷進步，巖石力學(xué)在金屬礦山采礦工程中的應(yīng)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(yán)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(xué)性質(zhì)進行巖石的物理性質(zhì)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(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：寺莊礦區(qū)；巖石力學(xué)；測試分析；礦床開采；采場結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(yīng)力越來越大，礦巖的破碎程度也越來越嚴(yán)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(jīng)濟效應(yīng)和安全效應(yīng)，對寺莊礦區(qū)礦巖物理力學(xué)性質(zhì)進行測試分析，為礦山采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。
1 巖石取樣地點及礦巖性質(zhì)
巖石物理力學(xué)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(yán)格按照巖石物理力學(xué)試驗國家標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)碎裂巖；礦體：黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖；下盤：黃鐵絹英巖化花崗巖、絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖。
2 巖石力學(xué)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(chǎn)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(yīng)力-應(yīng)變曲線，測試后的巖石力學(xué)參數(shù)見表1。
3 結(jié)語
（1）巖石試驗的物理性質(zhì)：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(zhì)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(nèi)摩擦角為34.38°，粘結(jié)力為18.42。礦體內(nèi)摩擦角為38.38°，粘結(jié)力為21.69。下盤內(nèi)摩擦角為35.9°，粘結(jié)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(xué)與工程學(xué)會舉辦了“中國科協(xié)會員日京區(qū)學(xué)生會員座談參觀活動”，此次活動是該學(xué)會首次參與實施中國科協(xié)會員日活動。中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會副理事長何滿潮、楊強，中國科協(xié)學(xué)會學(xué)術(shù)部顏利民，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所所長助理郭敬輝，國際巖石力學(xué)學(xué)會國家小組秘書長李仲奎，巖體數(shù)學(xué)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(xué)（北京）、北京科技大學(xué)、清華大學(xué)、中國石油大學(xué)、北京交通大學(xué)、鐵道科學(xué)研究院、中科院地質(zhì)與地球物理所、北京地質(zhì)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(xué)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(xué)與工程學(xué)會活動現(xiàn)場
中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會常務(wù)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(nèi)容豐富的會員日活動，增強學(xué)會凝聚力，把學(xué)會這個科技工作者之“家”建設(shè)的更好！他號召青年科技工作者，認(rèn)真踐行科學(xué)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?qū)W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(xué)與工程學(xué)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(xué)會這個平臺，為我國巖石力學(xué)事業(yè)的發(fā)展貢獻一份力量，希望學(xué)會通過這樣的活動增強對會員的凝聚力，為學(xué)會事業(yè)的發(fā)展做出新的更大的
貢獻。
學(xué)會第一支撐單位中國科學(xué)院地質(zhì)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(guān)專業(yè)研究的情況，他說，作為學(xué)會的第一支撐單位，研究所將一如既往的對學(xué)會工作大力支持，并希望大家經(jīng)常來研究所進行學(xué)術(shù)交流。
方祖烈介紹了“全國十佳優(yōu)秀科技工作者”和學(xué)會獲得“全國優(yōu)秀科技工作者”稱號的楊強、李術(shù)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(shù)才教授頒發(fā)了獎勵證書及獎?wù)隆?
學(xué)會新任秘書長劉大安向會員作了題為《提升學(xué)會創(chuàng)新服務(wù)能力，打造青年會員溫馨之家》的講座，他向與會的青年學(xué)生會員介紹了我學(xué)會的基本情況以及在提升創(chuàng)新服務(wù)能力方面的舉措、指出要為青年學(xué)者提供豐富的學(xué)術(shù)交流平臺、通過建設(shè)“精品期刊”吸引青年學(xué)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(xué)會中，發(fā)展壯大學(xué)會人才隊伍，享受學(xué)會大家庭的快樂。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所研究員李曉作了題為《新型深部地質(zhì)工程中的巖石力學(xué)問題》的報告，從學(xué)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(xì)介紹了深部巖石力學(xué)控制巖體壓裂技術(shù)發(fā)展方向，以及廣泛的應(yīng)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(xué)發(fā)展中面臨的關(guān)鍵技術(shù)，做出自己的貢獻。
活動當(dāng)天，學(xué)員們還參觀了中國科學(xué)院地質(zhì)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(xué)試驗設(shè)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(xué)與工程學(xué)會為會員準(zhǔn)備了內(nèi)容豐富、具有重要閱讀和參考價值的科技圖書，包括由該學(xué)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(xué)會刊物，受到與會學(xué)生的熱烈歡迎。（責(zé)任編輯：董大偉）
（來源：中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會供稿）
