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摘要：《岩石力学与矿山压力》是安全工程专业本科学生的一门专业选修课程，分析了目前该课程实验教学内容存在的缺陷，指出了实验教学内容改革的方向，并提出了具体的实验教学改革方案，设计了与实验教学方案配套的实验系统、实验步骤与实验原理，为该课程本科教学奠定了坚实的基础。
关键词：实验教学；矿山压力；瓦斯流动；瓦斯防治
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）04-0267-02
一、引言
《岩石力学与矿山压力》是安全工程专业本科学生的一门专业选修课程，它是应用必要的力学知识研究岩体力学性态、变形和稳定性问题，研究矿山采掘过程中压力显现规律及控制问题，是煤矿采掘及安全相关专业所必需的基础理论知识。通过该课程的学习使学生掌握：岩石与岩体的基本物理、力学性质；岩石力学实验方法及原岩应力确定方法；岩石本构关系与强度理论、岩体强度特性；矿山开采围岩岩体内应力的重新分布；回采工作面上覆岩层活动规律及其分析；回采工作面矿山压力显现基本规律；采区巷道矿压显现规律；矿山采掘活动矿压控制基本方法。具有解决矿山岩土工程实践问题的基本技能，能够为矿井瓦斯治理提供服务。
二、目前课程实验教学内容
目前该课程的实验课为6个学时，设置情况如表1所示。
通过表1可知，目前该课程的实验课主要侧重在两个方面：一是力学性能的测试，如实验力学参数测试、岩石抗拉强度测试；二是采动过后矿山压力的测试，如矿压监测相似模拟试验。该课程实验课未涉及采动过后由于矿山压力的变化引起瓦斯运移的情况。
三、实验教学改革必要性分析
众所周知，煤层开采后，煤体周边的应力分布对瓦斯运移产生了巨大影响。工作面应力重新分布，上覆岩层会产生卸压增透的效应，渗透率往往增加了几十或上百倍[1-3]；由于上覆岩层的位移变形，有些岩层之间发生了离层，出现了新的裂隙甚至断裂；有些封闭的地质构造遭到破坏。这些效应都造成瓦斯在上覆岩层中更容易流动。从瓦斯流动的角度看，工作面上覆岩层的“竖三帯”分别是：由采场空洞和岩块缝隙构成的瓦斯流动空间的垮落带；由纵向裂隙和横向离层裂隙构成的瓦斯流动网络的裂隙带；有离层裂隙和岩层内部裂隙构成瓦斯在岩层内部流动的弯曲下沉带。从横向看，瓦斯的流动在不同应力区中也展现出不同特性，可以分为“横三帯”，即初始卸压增透增流带、卸压充分高透高流带和地压恢复减透减流带。卸压瓦斯的涌出呈现分带的特点，具体可分为以下四个区域。
1.瓦斯自然涌出区：它与原始应力区对应，岩层的透气性系数较低，为原始值，瓦斯涌出量按负指数规律自然衰减。
2.瓦斯涌出变化区：它与应力集中区对应，岩层的透气性系数低于其原始值，该区域瓦斯涌出量相比瓦斯自然涌出区较小。
3.瓦斯涌出活跃区：它与应力降低区对应，岩层的透气性系数显著增大，该区域瓦斯涌出量不断增加并达到最大，是最适合打钻孔抽采瓦斯的区域。
4.瓦斯涌出衰减区：它与应力恢复区对应。岩层的透气性系数不断减小，该区的瓦斯涌出随时间的推延不断变小直至零。该区域一般出现在工作面后方50m—150m，个别可达200m以上。
通过上述分析可知，煤层中的瓦斯流动与煤体受到的围岩压力密切相关，而瓦斯流动规律是矿井瓦斯防治的重要依据，因此采动引起的煤层瓦斯流动规律是安全工程专业《岩石力学与矿山压力》课程的重要知识点。通过实验的方式再现围岩压力与煤体瓦斯流动规律能够加深学生对该知识点的掌握，而目前该课程没有相关的实验课。本文通过设计相关实验方案，使学生更好地掌握了该知识点。
四、实验教学改革方案
改革的实验教学方案综合考虑围岩、轴压以及煤层瓦斯压力对煤层瓦斯流动的影响，从而分析不同采动条件，不同位置煤体瓦斯流动规律；瓦斯在煤体中的流动可以通过渗透率来表征，因此，实验主要测试不同加载条件下煤样的气体渗透特性。另外，由于甲烷气体在一定条件下具有爆炸特性，因此在实验过程中，通过二氧化碳气体来代替甲烷。
1.实验系统。实验设备采用中国矿业大学（北京）自主研制的煤岩渗透率测试系统，该设备可以模拟不同孔隙压力、不同围压和不同温度条件下，煤样的气体渗透特性。装置主要由应力加载系统、试件夹持系统、孔隙压力控制系统、数据采集系统、真空抽取系统和恒温水浴控制系统等组成。整套实验系统主要由如下五个子系统组成：①煤样夹持系统。②应力加载系统。③气体运移系统。④温度控制系统。⑤数据采集系统。
2.实验流程。渗透率实验的具体流程如下所述：
①将煤样装入煤样夹持器；②控制应力加载系统，向煤样周围加载预设的围向与轴向应力，应确保围向应力高于气体压力，以防止气体在煤样与外围胶套中流动导致的实验误差；③利用旋片式真空泵对系统和管路进行抽真空；④打开高压气瓶开关，通过读取传感器显示压力并调整减压阀，提供实验预设的气体压力，开启数据采集系统；⑤定时读取压力加载系统与流量传感器数据，确保所加载压力保持初始预设值，待流量稳定后（两小时内流量变化值小于0.1 ml/min），认定本组实验完成；⑥改变不同的实验条件（孔隙压力、轴压和围压），进行下一组实验。
4.实验结果。以围压对含瓦斯煤渗透率的影响为例，为了考察围压对含瓦斯煤渗透率的影响，选取煤样轴压固定4MPa，分别对围压2MPa、4MPa和6MPa三种条件下的二氧化碳孔隙压力对渗透率的影响情况进行测试。通过分析不同围压条件下的渗透率实验结果发现不同围压条件下的渗透率变化趋势是不同的：围压越大，渗透率回弹的压力也就越大。这与渗透率变化趋势的经典认识不同，因为在以前研究中多认为有效应力变化量一定的情况下，渗透率随着孔隙压力变化的趋势是相同的。
通过不同加载条件下的煤样渗透率的实验，学生可以更好的掌握加载条件在煤层瓦斯流动中的作用，理解矿山压力与矿井瓦斯防治之间的关系。
五、结论
1.分析了目前《岩石力学与矿山压力》课程实验教学内容存在的问题，提出了实验教学内容改革的必要性。
2.设计了加载条件对煤层瓦斯流动的实验系统，阐明了实验步骤以及实验原理。
3.开展了不同围岩压力对煤体气体渗透特性实验，实验结果能够形象阐释加载条件、孔隙压力与渗透特性之间的关系，学生可以更好的理解相关的教学内容。
参考文献：
[1]程远平，周德永，俞启香.保护层卸压瓦斯抽采及涌出规律研究[J].采矿与安全工程学报，2006，23（1）：12-18.
[2]孙培德.煤层气越流固气耦合数学模型的SIP分析[J].煤炭学报，2002，27（5）：494-498.
[3]于不凡，王佑安.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京：煤炭工业出版社，2000.
Experimental Teaching Content Reform of "Rock Mechanics and Mine Pressure"
ZHOU Ai-tao，FAN Ling-peng
（State Key Lab of Coal Resources and Safe Mining，School of Resource& Safety Engineering，China University of Mining &Technology （Beijing），Beijing 100083，China）
Abstract："Rock Mechanics and Mine Pressure" is a major elective course for undergraduate students of safety engineering specialty. This paper analyzes the defects existing in the course of experiment teaching content for now，points out the direction of the reform of experimental teaching content，and puts forward the concrete experimental teaching reform scheme，designs the corresponding experiment teaching supporting scheme based on experimental system，experimental procedure and the principle. All that lay a solid foundation for the undergraduate teaching of this course.
Key words：experimental teaching；mine pressure；gas flow；gas prevention