“双碳”背景下岩石力学教学改革

王斐笠 孟凡震 杨勇 修占国 王在泉 韩建华

摘  要：为让学生深入理解“双碳”目标，探索岩石力学中蕴含的“双碳”问题，该文基于岩石实时高温剪切实验系统，创新性地将“双碳”战略实施过程中涉及到的地热资源开发、干热岩开采等问题融入岩石力学教学中。岩石力学课程中该实验系统的引入，可以帮助学生更好地理解地热资源的特性和行为，熟悉高温高压下岩石的物理特性和力学行为，掌握高应力环境下节理岩体的剪切力学特性及破坏特征。同时，以新的实验系统为载体，可以激发学生的学习兴趣，培养学生的动手能力和创新思维，进而加深学生对理论知识的理解。另外，通过实验可提高学生的实践水平，将所学知识充分应用到工程实际中。

关键词：“双碳”；岩石力学；教学改革；岩石实时高温剪切；实验系统

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）11-0121-04

Abstract： This study innovatively integrates the carbon peaking and carbon neutrality into the teaching of Rock Mechanics， which promotes a deeper understanding of the carbon peaking and carbon neutrality for students. Based on the real-time high-temperature shear system of rock， this teaching reform explore the "carbon peaking and carbon neutrality" issues embedded in Rock Mechanics， which mainly include the geothermal resource development and dry heat rock mining. The introduction of this experimental system in Rock Mechanics can help students better understand the properties and behavior of geothermal resources， familiarize themselves with the physical properties and mechanical behavior of rocks under high temperature and pressure conditions， and master the shear mechanical properties and damage characteristics of rock joints under the high stress loadings. Moreover， the new experimental system can stimulate the learning interest of students， cultivate their hands-on ability and innovative thinking， and then deepen their understanding of theoretical knowledge. In addition， the experiments can improve students' practical level and fully apply the knowledge they have learned to engineering practice.

Keywords： "carbon peaking and carbon neutrality"; Rock Mechanics; teaching reform; real-time high-temperature shear of rock; experiment system

2020年9月22日，國家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布“双碳”目标（即二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和）[1-2]。此后，在“双碳”背景的推动下和化石能源向非化石能源转型的战略要求下，深层地热能因其储量丰富、利用效率高、运行成本低和节能减排等优点被广泛关注[3-4]。中国地质调查局的研究显示中国大陆3～10 km深处存在丰富的干热岩资源，其储量相当于860万亿吨标准煤[5]。干热岩因此被认为是未来煤炭、石油等化石能源枯竭后，最具潜力的战略接替能源，干热岩资源的有效利用和高效开采对保障我国能源安全、降低对化石燃料的依赖、实现我国的碳中和、碳达峰目标具有重要战略意义。但如何让学生深入理解“双碳”目标，如何从岩石力学角度研究“双碳”目标，值得去实践探索。

干热岩是一种不含或含极少量地下流体、埋深3～10 kmm、温度大于180 ℃的致密岩体。干热岩地热赋存于火成岩中，属于脆、硬性岩石，且是力学强度较高的基底花岗岩，埋藏深度一般在3 km以上，在构造应力和局部断层的影响下岩体处于高应力和高温度的地下环境[6-7]。如何让学生充分理解高应力高地温条件下深部复杂岩体的力学响应，并如何将所研究成果应用到“双碳”目标建设。

一  岩石力学教学现状分析

在教学内容上，实验教学环节主要包括岩石的抗压、抗拉、抗剪及密度测试等传统的岩石力学实验。这些实验可以增强学生对岩石基本力学特性的理解，对不同荷载下岩石破坏模式的识别及对岩石物理性质的掌握。但目前教学中所涉及的这些实验大多属于验证性实验，实验方法和实验内容较单一，并且不需要学生自主设计实验方案，只是对前人方法的验证和再现。相反，需要学生自主探究、创新设计的实验较少。

在教学设计上，普遍存在学时短但教学内容多的问题。为完成教学任务，课堂教学只能讲授书本上的理论知识，不能很好地向实验与工程实际延伸。而进入实验课环节时，教师仍需要利用大量的时间进行实验内容的讲解和实验操作过程的介绍。因此，使得学生自己动手实践的时间大大减少，甚至有时采取老师操作学生观摩的形式。所以在大多数的实验中，学生缺乏动手参与，更缺少自己的思考和对实验的分析，进而无法将所学内容与工程实际相联系。同样，这种模式未能充分调动学生自身的积极性，导致学生依赖性强而参与意识差，不利于学生创新意识和能力的培养。

在考核方式方面，岩石力学课目前主要通过期末闭卷考试的形式进行考核。学生往往为了顺利通过考试，把更多的时间用来学习课本理论知识，而忽略实验和工程应用等实践能力的培养和锻炼。使学生很难将自身学习的内容与国家重大战略工程或国家建设方针相联系。

岩石力学作为力学类和土木类专业的核心课，在学生的学习和以后的工作中都起着重要的作用。力学和土木类专业的学生一方面需要掌握扎实的理论基础，另一方面需要将理论与实践相结合，培养应用理论知识解决实际工程问题的能力。国家重大战略调整和现代工程建设的快速发展，对岩石力学课程提出了新的教学要求，传统的教学方式难以满足“教”与“学”的时代要求，难以达到对学生的培养要求。因此，对岩石力学课程的教学改革势在必行。

二  岩石实时高温剪切系统

岩石高温高压直剪实验系统（图1）的研发是为了更好地模拟和研究高温高压环境下岩石或岩石结构面的物理特性和力学行为，进而揭示深部岩体复杂环境下的破坏机制，保障深部岩体工程的施工和运营安全。岩石力学课程中该实验系统的引入，可以帮助学生更好地理解地热资源的特性和行为，熟悉高温高压下岩石的物理特性和力学行为，掌握高应力环境下岩石结构面的剪切力学特性及破坏特征。

（一）  高应力加载系统

高应力加载系统用于施加高压到岩石样品上，通常包括高压油缸、液压系统和应力传感器。法向与切向设计最大荷载700 kN，加载液压缸作动器最大行程100 mm，测量控制精度达到最大力值的0.5%，均可实现力、位移控制平滑转换，法向还可实现刚度控制加载，可长时间加载及长时间稳压等。法向加载液压缸，安装于主框架的上部反力横梁，水平加载液压缸，安装在水平反力框架内部，于水平反力框架形成自反力结构，活塞内部均安装位移传感器，活塞杆前端连接压力传感器及压头等。高应力的精准施加需要液压伺服控制系統。本设备液压伺服控制系统由交流电机、液压泵、伺服阀、溢流阀、过滤器、减压阀、单向阀、冷却器、加热器、高压管路和油箱等组成，用于提供实验设备工作的动力。

（二）  实时高温系统

用于控制和维持实验过程中的高温环境，以模拟岩石内部的高温条件。高温加热系统及恒温控系统，设计实验盒最高加载温度为400 ℃，通过检测热电偶传感器的温度，来控制陶瓷加热器，调整高温腔内温度的高低及系统的加热功率，加热信号通过高精度的通信传感器输出信号传输给计算机，从而实现数字化控制和面板式控制的多功能控制方式。

（三）  岩石实时高温剪切系统的工作原理

岩石实时高温剪切系统可实现岩石或岩石结构面的剪切力学特性研究，包括抗剪强度、切向变形和法向变形等。剪切实验过程中可通过数据采集系统获取施加在试样上的法向力和承受的剪切力，同时，通过LVDT可监测试样的法向和切向变形。另外，该系统可实时获取岩样温度。根据获得的应力和其相应的位移数据，可绘制实验试样的应力-位移曲线，根据公式（1）可计算岩石或岩石结构面的抗剪强度[8]。

三  基于岩石实时高温剪切系统的教学实验设计与实践

讲解“双碳”目标中涉及到的岩石力学内容，以实时高温下岩石结构面的剪切为例，阐述实验教学的开展和实施。

第一，为学生讲解岩石剪切实验中涉及到岩石力学知识，包括岩石的抗剪强度、剪切应力-位移曲线以及抗剪强度准则等。然后让学生以小组为单位自主探索实时高温下岩石剪切实验的开展背景和实验目的，并制定相应实验方案。

第二，审阅学生的实验方案，指出问题，并给出具体的实验设计方案：根据目前深部资源赋存的深度，结合应力随深度的变化情况（一般认为地下深度增加1 000 m，应力增加约20 MPa），实验中法向应力分别设定为20、30、40 MPa；同时，结合干热岩在地下的赋存温度环境，将实验温度分别设置为100、200、300 ℃用于分析不同高温下干热岩的力学特性。

第三，讲解实验方法并展示具体的实验操作流程。①准备实验样品，选择具有代表性、取自同一母岩相同或相近位置的岩石样品，并根据实验需要进行切割和准备，按照一定规格的尺寸和形状，对样品进行加工和磨削，确保表面平整。试样加工完毕后进行清洁和干燥岩石样品，以去除碎屑杂质和表面污染。按照实验方案制备具有粗糙度的结构面试样（100 mm×100 mm×100 mm），完成前期准备工作。②安装试样到实验装置，将岩石结构面试样放置在实验系统的剪切装置中，确保良好的接触和固定。接通总电源，启动控制程序后，打开溢流阀，进行法向和切向油缸的位置调整，可对试样进行适当预压，并确保试样位于设备框架中部，使其受力均匀。③施加压力和温度，依据实验方案，设定剪切系统程序的工作参数，例如法向压力、剪切速度、目标温度和升温速率等。程序设定完成后，系统按照设定的加载速率施加目标压力到试样表面，温度控制系统按照设定的加温速率进行加温，直至目标温度。④开始剪切实验，设定的法向力和温度到达目标值后，切换程序，施加剪切力岩石试样上。可以恒定速度或者变速率进行剪切加载。

第四，学生以小组为单位进行实验，并处理实验结果，自主探索实验结果的应用。剪切实验采集系统可以实时记录实验过程中的应力、位移、温度和变形等测量数据。程序控制面板可以根据采集到的数据实时绘制应力-变形曲线、时间-变形曲线、温度变化曲线等。

第五，得出实验结果，如图2所示。可以发现，随着法向力的升高，岩石的抗剪强度增大，同时，随着温度的升高，岩石的抗剪强度升高。通过实验结果说明，干热岩的赋存环境显著影响其力学特性，进而影响干热岩资源的开采。

四  实验结果在教学改革中的应用

（一）  以实验促进理论理解

实验是学习岩石力学的基础，由于岩石物理和力学性質的复杂性，没有细致的实验，很难使学生理解岩石或岩石结构面的强度准则或损伤本构等理论[9-11]。以实验为载体，可以激发学生的学习兴趣，培养学生的创新思维和动手能力，进而加深学生对理论知识的理解，更好地了解岩石或岩石结构面的强度和变形特性，深入理解岩石破裂的机理与本质[12-13]。

通过本实验可以促进学生对以下理论知识的进一步理解：①应力-应变理论，岩石高温高压直剪实验系统可以测量应力和应变，这两个参数是分析岩石力学性质的基础。根据所学知识可以计算得出岩石样品的应力-应变关系曲线，用于评估其变形和破裂特性。②剪切强度理论，根据岩石力学理论，通过施加剪切力并测量岩石样品的剪切应力，可以得出岩石的剪切强度。这是评估岩石抗剪强度和稳定性的重要参数。③温度效应，高温环境可能会改变岩石的物理性质和力学行为。通过实验中的温度控制系统，可以研究不同温度下岩石的力学性质，如蠕变行为、塑性变形和剪切强度的变化。

（二）  基于实验探究的工程实际应用

岩石力学是一门与工程实践密切相关的课程。岩石广泛赋存于国家重大建设工程中，岩石结构面的力学特性影响着工程的稳定性，如川藏铁路沿线地质灾害受活动断裂影响显著，很多大型-巨型滑坡由活动断裂诱发（如沿鲜水河断裂带滑坡、沿金沙江断裂带和雅鲁藏布江断裂带滑坡等），造成巨大经济损失；锦屏水电站左岸坝肩分布的结构面对高拱坝坝肩变形稳定、抗滑稳定及渗透稳定带来严重影响；三峡库区望霞危岩体两次发生大面积破坏，研究人员认为岩体结构面对危岩变形有控制性作用[14-15]。所以，只有扎实掌握岩石力学理论知识并熟悉各知识点在工程实际中的应用，才能及时分析诱发灾害问题的内在原因，并给出有效的减灾防灾措施。然而在当前的岩石力学课程中，教学与工程的结合度很低。学生无法将所学知识应用到具体的工程分析中。

通过实验可提高学生的实践水平，让学生把课本上学到的知识转变为可用于工程实践的能力，培养学生解决实际工程问题的意识。比如，通过不同法向力下岩石结构面剪切实验，使学生认识到实验中获得的不同法向力对岩石剪切特性的影响可反映剪切荷载下不同深部赋存环境内岩石的力学特性，进而可掌握不同深部下工程稳定性的演变规律[16-18]。同样，学生通过开展不同温度下岩石结构面的剪切实验，不同地热开采环境下结构面的存在对干热岩开采的影响。

五  结束语

随着“双碳”战略的推进和国家能源战略的实施，有必要让当代大学生充分了解“双碳”战略，并培养学生利用所学知识推进“双碳”目标建设的意识。本文基于岩石实时高温剪切实验系统，还原深部干热岩高温高压的赋存环境，帮助学生理解地热资源的特性。同时，通过岩石结构面剪切实验，使学生熟悉高温高压下岩石结构面的物理特性和力学行为，掌握高应力环境下结构面的剪切力学特性及破坏特征，深入理解剪切应力、法向变形、剪切变形和抗剪强度等理论知识。

参考文献：

[1] 习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话[EB/OL].http：//jhsjk.people.cn/article/31871240.

[2] 武强，涂坤，曾一凡.“双碳”目标愿景下我国能源战略形势若干问题思考[J].科学通报，2023，68（15）：1884-1898.

[3] 曹锐，多吉，李玉彬，等.我国中深层地热资源赋存特征、发展现状及展望[J].工程科学学报，2022，44（10）：1623-1631.

[4] 李雅琼.地热能开发应用现状分析与双碳背景下的发展探讨[J].现代工业经济和信息化，2022，12（7）：28-29，33.

[5] 文冬光，张二勇，王贵玲，等.干热岩勘查开发进展及展望[J].水文地质工程地质，2023，50（4）：1-13.

[6] 孙强，高千，张玉良，等.干热岩开发中高温水-岩作用下岩石应力腐蚀及多场损伤问题[J].地球科学与环境学报，2023，45（3）：460-473.

[7] 赵鹏，冯子军，南翰墨，等.花岗岩干热岩体裂隙的大位移动态剪切-渗流特征[J].煤炭学报，2023，48（3）：1139-1154.

[8] MENG F， SONG J， WONG L N Y， et al. Characterization of roughness and shear behavior of thermally treated granite fractures[J]. Engineering Geology， 2021（293）：106287.

[9] 刘宗辉，周东，胡旭，等.岩石力学三层次实验教学体系建设探索[J].实验室研究与探索，2019，38（5）：140-143.

[10] 马建兴，马强.岩石力学实验课的教学改革研究[J].实验室科学，2011，14（2）：32-34.

[11] 于洋，徐倩，耿大新，等.SHPB冲击技术在岩石动态力学教学实验中的应用[J].实验室研究与探索，2020，39（6）：154-157.

[12] 张小波，朱熙，姚池，等.三维结构光扫描技术在岩石结构面粗糙度评价实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2021，40（9）：173-177.

[13] 黄倩，潘益鑫，彭岩岩，等.关联性教学在岩石力学实验课程改革中的探索[J].实验室研究与探索，2021，40（9）：198-201，289.

[14] 薛亚东，黄宏伟，李元白，等.以需求为导向的研究生教学改革探索——以高等岩石力学课程为例[J].高等建筑教育，2022， 31（3）：81-88.

[15] 杨永康，张百胜，段东，等.基于数值试验的地矿类专业岩石力学实验教学改革[J].实验技术与管理，2018，35（6）：211-214，230.

[16] 何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（16）：11.

[17] MENG F， WONG L N Y， GUO T. Frictional behavior and micro-damage characteristics of rough granite fractures[J]. Tectonophysics， 2022（842）：229589.

[18] WANG F， WU B， WANG S， et al. Shear response of rough rock discontinuities subjected to impact loading： experimental study and theoretical modelling[J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering， 2023，15（2）：339-349.