工程教育专业认证背景下矿山压力及岩层控制实验教学研究

摘  要：在工程教育专业认证背景下，针对矿山压力及岩层控制实验课程教学过程中的有关问题及持续改进，打造用于本科生教学的矿山压力及岩层控制特色实验装备，安排四个实验项目，采用预习口试、实验操作及实验报告的考核方式，按比例综合确定最终实验课程成绩并分析课程目标达成情况。在教学设计上，采用预习口试、讲解和操作等方式开展教学，结合探究式、启发式和案例式教学方法，学生实际动手操作、记录、拍照和分析作图。一系列措施的实施，充分体现以学生为中心的理念，突出学生的主体地位和教师的引导作用，切实提高学生的动手能力、理论联系实际的能力、数据分析与处理能力、团队协作能力和独立思考能力，更有助于课程目标的达成和学生创新能力的提升，研究成果不但满足本校采矿专业学生的实验教学需求，还对国内相关专业的实验教学起到一定的示范作用。

关键词：工程认证；矿山压力；岩层控制；实验教学；课程目标

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）01-0112-04

Abstract： Under the background of engineering certification， aiming at the related problems and continuous improvement in the teaching process of the Experimental Course of Mine Pressure and Strata Control， the special experimental equipment of mine pressure and strata control for undergraduate teaching has been built， four experimental items are arranged. And the final experimental course results are determined and analyzed according to the proportion by means of previewing oral test， experimental operation and experimental report. In the teaching design， the methods of pre-reading oral examination， explanation and operation are adopted， and the methods of inquiry， heuristic and case teaching are combined. The implementation of a series of measures fully embodies the student-centered idea， and highlights the principal position of students and the guiding role of teachers， it has improved students' practical ability， the ability of combining theory with practice， the ability of data analysis and processing， the ability of team cooperation and the ability of independent thinking， the research results not only meet the needs of mining students' experimental teaching， but also play an exemplary role in the experimental teaching of related specialties in China.

Keywords： engineering certification; mine pressure; strata control; experimental teaching; course objective

高等院校的实践环节主要包括课内实验、独立设课实验、实习、课程设计和毕业设计等，实践教学对于学生的理论联系实际、达成毕业要求、实现人才培养目标和有效提高人才培养质量具有重要意义，其在专业人才培养计划中的占比越来越高，越来越受到高等院校的重视。专业国家标准和工程教育认证标准中对实践教学均有明确的要求。山东理工大学采矿工程专业已通过工程教育专业认证，将学生中心、成果导向和持续改进融入人才培养的全过程。在采矿工程专业培养计划中，实践环节占比30%以上，其中矿山压力及岩层控制实验是独立设课实验，时间为1周，1个学分，该课程是根据四年制本科采矿工程专业人才培养计划设置的，属于实践必修课。矿山压力及岩层控制实验在学生修完地质学与矿山地质、岩石力学、井巷工程和采矿学等课程后开设，其是采矿工程专业实践教学体系中不可或缺的重要环节，是培养学生动手能力、创新能力、理论联系实际等能力的重要手段，其不仅起到巩固、深化学生所学理论知识的作用，更重要的是培养学生独立思考、工作的能力和创新能力。岩石力学是采矿工程专业重要基础课，而井巷工程是重要专业课程， 矿山压力及岩层控制实验是加深上述课程理论认识、提升学生创新实践能力的重要举措。

很多学者针对矿压及岩层控制实验教学开展了研究[1-15]，包括井巷矿压实验室建设、岩石力学数字实验教学平台建设、虚拟仿真实验建设、BIM技术运用、相似模拟实验装备使用和教学改革实施等，虽然取得了很大进展，但目前实验教学仍存在一些问题，有待进一步深入持续改进。结合工程教育专业认证理念，开展面向认证的矿山压力及岩层控制实验教学研究，深度实施学生中心、成果导向和持续改进，打造特色实验，提高学生创新实践能力。

一  矿山压力及岩层控制特色实验教学装备

矿山压力及岩层控制实验课程支撑采矿工程专业毕业要求4（研究工程问题），为了更好地实现课程支撑，并与岩石力学、井巷工程等课程紧密结合实现理论联系实际，提升学生动手能力，打造特色实验，研发了用于本科生开展的特色实验装备。

（一）  应力松弛实验装备

在课程教学、学生室内实验和教师科研中，必涉及岩石力学问题，也必须对岩石本身及岩石受载破裂演化机理进行学习、研究及进行室内实验测试与分析。蠕变和应力松弛是岩石流变的两个重要方面，在工程中，岩石的蠕变和应力松弛特性直接与岩石的长期强度和岩体工程的长期稳定相关联，实验室缺乏可开展岩石应力松弛的实验装备。针对岩石应力松弛实验的有关要求，设计采用典型的四柱式机构形式，其结构特点与普通四柱液压机基本相同，四柱式机构形式的作用在于提供一个符合精度要求、刚度可靠的刚性工作框架，确保设备的精度能够达到使用要求，如图1所示。为了减少加载过程载荷漂移和波动，该机动力系统通过手动油泵控制，具有速度稳定，保压稳定并自动回程等功能，加载吨位可达到50吨，可显示加载过程的实时位移和载荷以及记录位移不变情况下的每秒载荷变化情况，可保持位移载荷不变。

具体实验装备操作步骤包括：①将试件放入主机工作台上（样块应放在工作台正中）；②接通实验系统电源；③将油泵卸载阀拧紧关死，开启数据显示系统，进入参数显示界面；④通过油泵压杆加压，使加载油缸与试件刚好接触；⑤在数据显示系统的参数显示界面，点击“清零”，将当前数值清零；⑥通过油泵压杆加压，将压力加压至需要的数值（压力显示在显示屏上方），停止加压，加载位移保持不变；⑦加压至需要的数值的同时开始记录，触摸屏实时显示数值，记录压力随时间变化的数据；⑧记录时间达到规定后，停止记录；⑨实验完成后，将卸载阀打开，通过油泵压杆加压将油缸回程，当油缸回到起始位置，此时移下试件，断电，实验完成。

应力松弛是指岩石在恒定形变下应力随时间衰减的现象，在地下洞室、巷道、边坡等岩体工程中普遍存在。学生了解岩石应力松弛实验的意义，掌握岩石应力松弛实验系统的操作方法，得到岩石在恒定形变下应力随时间衰减的现象和数据，分析数据并作图，有助于学生加深其对岩石力学理论知识的学习，更有助于学生创新实践能力的提升。

（二）  岩体锚固控制系统实验装备

锚杆支护现已发展成为世界各国矿井巷道及其他地下工程支护的一种主要形式。锚杆是一种锚固在岩体内部的杆状支架，正确地设计和应用锚杆支护，必须对锚杆支护机理有正确的认识，实验室尚缺乏针对本科教学开展的锚固控制方面的实验装备。针对岩体锚固控制实验的有关要求，设计岩体锚固控制系统，依据锚杆支护的悬吊原理开展设计，基本原理是利用锚杆将巷道或采场顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，增强软弱岩层的稳定性。系统整体采用框架结构，材质均为钢材，设可打开的有机玻璃门，框架内部布置破碎岩体、锚杆及网，破碎岩体在实验时放入框架内，放入厚度的变化代表锚杆有效长度的变化，垫板下面安装压力传感器，监测悬吊破碎岩体重量的变化。根据实验要求，设计不同的锚杆直径、垫板尺寸和螺母等，锚杆悬吊在框架顶部（相当于锚杆锚固部分），框架结构下面设滑轮，便于移动，如图2所示。

具体实验装备操作步骤包括：①打开岩体锚固控制系统，将锚杆锚固在巷道或采场顶板上的稳定岩层中；②安装钢丝网和托盘，将测力传感器安装在锚杆上，上螺母；③将显示仪表与测力传感器连接，开启显示仪表；④用挫子将石子（模拟破碎岩体）放入岩体锚固控制系统（模拟软弱围岩）；⑤锚杆悬吊住软弱围岩，破碎岩体不再掉落；⑥记录悬吊重量和锚杆的有效长度；⑦继续将石子放入岩体锚固控制系统，记录悬吊重量的变化过程及锚杆的有效长度；⑧实验完成后，取出石子和锚杆，关闭岩体锚固控制系统。

通过该系统装备，让学生了解岩体锚固控制实验的意义，掌握悬吊作用原理及岩体锚固控制的操作方法，通过锚杆锚固将巷道或采场顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，测得其悬吊岩体的重量、锚杆的有效长度及变化，有助于学生创新实践能力的提升。

二  矿山压力及岩层控制实验教学

根据工程教育专业认证理念及课程支撑毕业要求情况，矿山压力及岩层控制实验课程安排有四个实验项目，分别为矿压模拟实验、声波穿透岩石实验、岩石应力松弛实验和岩体锚固控制实验，实现三个课程目标：①了解矿山压力及岩层控制领域的有关实验设备，熟悉矿压模拟实验的原理和实验程序，掌握岩石声波测试的意义、原理、方法及工程应用，掌握岩石应力松弛实验的意义、原理和方法，掌握岩体锚固控制实验的意义、原理和方法等，能够基于专业理论和知识，根据对象特征，设计可行的实验方案；②能够根据实验方案构建实验系统，能选用合理的实验器材，采用科学的实验方法，安全地开展矿压模拟实验、声波穿透岩石实验、岩石应力松弛实验和岩体锚固控制实验，能够在实验过程中正确地采集数据；③能够正确地整理矿压模拟实验、声波穿透岩石实验、岩石应力松弛实验和岩体锚固控制实验测试数据，能够进行数据处理与分析，并能对实验结果进行分析和解释，获取合理有效的结论。课程目标与毕业要求4的指标点一一对应。

实验项目中矿压模拟实验的预期学习成果包括了解相似理论、掌握矿山地压模拟实验台的使用和相似材料模拟实验等，声波穿透岩石实验的预期学习成果包括知晓、掌握声波测试的工程应用、非金属声波检测仪的使用、纵波波速的测定及能计算横波波速、动泊松比和动弹性模量等，岩石应力松弛实验的预期学习成果包括知晓、掌握应力松弛对岩石工程长期稳定性和安全的影响、岩石应力松弛实验系统的使用、岩石应力松弛特性的测定及能做出应力松弛曲线等，岩体锚固控制实验的预期学习成果包括知晓、掌握悬吊原理，锚杆、垫板、网的作用岩体锚固控制系统的使用，能依据悬吊原理通过锚杆锚固破碎岩体及能测定悬吊岩体的重量和锚杆有效长度等。