巖層移動相似試驗教學方法改革與實踐

張源，馬文頂，嚴紅，張磊

(中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116)

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巖層移動相似試驗教學方法改革與實踐

張源，馬文頂，嚴紅，張磊

(中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116)

摘要：基于巖層移動物理相似模擬實驗過程中存在的問題，采用3DS Max 和Unity 3D等虛擬仿真軟件平臺，研制了巖層移動相似試驗虛擬仿真實驗教學軟件，探索了虛擬仿真與物理相似模擬相結合的實驗教學方法，豐富了實驗教學手段，提高了實驗教學效率，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：采礦工程；巖層移動；虛擬仿真；實驗教學

信息技術在教育教學領域中的應用逐步深入，這有力地促進了教育模式、教學方法和學習方式的深刻變革[1,2]。虛擬仿真實驗教學是信息技術在教育教學領域中應用的具體體現之一，它利用虛擬仿真軟件對實驗環境、實驗對象和實驗過程進行模擬，進而達到傳統實驗室真實實驗不具備或難以實現的教學效果[3-5]。目前，虛擬仿真實驗教學方法正在全國教育教學領域普遍推廣應用，代表性的行動就是在全國高校建設國家級的虛擬仿真實驗教學中心。采礦工程是一個工程實踐性比較強的專業，在采礦工程專業大學生的實踐創新能力培養環節中引入虛擬仿真教學模式，不僅有助于加強學生對專業知識的理解和掌握，還可以拓展學生的知識面，激發學生對先進科學技術知識的追求[6,7]。

巖層控制理論中的采場頂板活動規律、礦山壓力顯現規律、巖層移動與控制、巷道圍巖變形與控制等問題是采礦工程專業的核心內容[8]。這些內容的實踐性比較強，需要配套相應的實驗教學環節來增強學生對這些知識的理解。物理相似模擬試驗方法是基于相似理論的一種實驗室實驗方法，特別適合工程巖體的模擬試驗，基本能夠展現采礦過程中頂板的活動規律與巖層的變形破壞特征，教學過程直觀，教學效果比較好。但是，該方法存在勞動強度大、實驗周期長、材料消耗多、實驗環境差等問題，不能滿足學生全過程參與實驗的要求，往往是十幾位同學做一個實驗，很難滿足本科實驗教學所需[9]。因此，有必要對傳統的實驗教學方法和手段進行改革探索。

基于巖層移動相似試驗過程和虛擬仿真技術，中國礦業大學礦業工程國家級實驗教學示范中心開發出了巖層移動虛擬仿真實驗教學軟件，對采用虛實結合的方法對巖層移動實驗教學方法進行了實踐探索，取得了良好的效果。

1物理相似試驗中存在的問題

物理相似模擬試驗方法是采礦工程專業重要的實驗教學內容之一。但是，由于采礦場所的生產地質條件復雜，物理模型上相對應的邊界條件很難設置，一般需要進行簡化處理，基本上只能滿足演示型和驗證型實驗的要求。科研探索性的物理相似實驗需要考慮很多因素，由于模型試驗的局限性，很難在大綱中列為必選的實驗教學內容。客觀上，物理相似試驗過程中還存在一定的局限性。

一是材料消耗多、實驗成本高。對于一個普通的平面應力模型架，一次實驗需要消耗普通河砂、石膏、CaCO3和云母粉等相似模擬材料1 t以上(對于急傾斜煤層的模型，需要消耗近4 t)，以及各類傳感器(易損耗)等儀器設備。開出一次實驗，所需相似材料、易損耗儀器設備、模型人工鋪設、固體廢棄物處理等費用大約為2 000元。假如6人分成一個組，每個班級按30人計算，那么，一個班級一次試驗的花費是10 000元。每個年級共8個班級，共需80 000元，試驗成本非常高。

二是過程環節多，實驗周期長。巖層移動的相似模擬試驗要經過試驗設計、材料配比、相似材料制備、模板架設、鋪模型、晾干、拆模板、開挖、觀測、拆模型和試驗數據整理與分析等流程，整個過程最短耗時約2周。自然晾干過程中還需要經常觀察模擬巖層的干濕情況，擇時酌量拆減模板。通風條件不好時，還需要采取輔助通風措施。冬天時，整個試驗過程大約會持續1個月。

三是影響因素多，實驗控制難度大。如果要達到材料配比表中材料的物理力學參數，配比和攪拌過程需要較高精度，否則材料的物理力學性質可能會有較大的變化；模型鋪設時機、密實度等需要豐富的經驗，不同的人進行鋪設，結果可能差別比較大；模型的干燥程度可能決定著實驗的成敗，受很多因素影響，太濕模型容易垮，太干模型開挖時頂板懸露面積大。總之，影響模型鋪設過程的因素比較多，需要經過大量的試驗總結才能對試驗過程進行有效控制。

四是勞動強度大、實驗環境差、安全風險高。上千公斤的相似材料需要搬運、攪拌和鋪設，幾百公斤的模板需要安裝和拆卸；模型鋪設和開挖都需要集中時間一次性完成，勞動量比較集中。模型為金屬框架，比較重，搬運、安裝和拆卸過程中容易發生機械傷害；實驗配比、攪拌和模型鋪設過程中產生的粉塵大、地面濕滑；相似材料產生的粉塵容易吸入肺部，對身體健康有一定的影響。

由于存在以上問題，實驗室目前只能勉強保證采礦工程專業本科生的實驗教學工作量，要實現實驗室的開放共享，具有很大的難度。

2虛擬仿真實驗教學軟件研制

圖1　巖層移動虛擬仿真軟件界面

針對實驗教學中存在的突出問題，采用3DS Max 和Unity 3D等虛擬仿真軟件平臺，研制了相應的虛擬仿真實驗軟件(如圖1)。該軟件能夠在計算機上實現傳統相似物理實驗中的材料配比、模型鋪設、邊界加載、開挖、監測、數據采集和數據分析，界面簡單，完整虛擬構建了巖層移動相似試驗的全過程，滿足了采礦工程專業本科實驗教學。巖層移動虛擬仿真實驗軟件主要由虛擬室內環境、材料庫、模型架、工具庫和數據采集與分析器共5部分構成，他們共同作用完成實驗室中物理相似模擬試驗所具有的全部過程模擬。

1)虛擬室內環境。如圖2所示，軟件完全模擬中國礦業大學巖層移動相似模擬實驗室內的環境構建，儀器設備齊全、整齊、直觀，非常逼真。在進入虛擬實驗室之前，軟件要求學生確認已經了解實驗室的相關規章制度，并熟悉實驗過程。

2)材料庫。材料庫的作用是提供鋪設模擬巖層需要的材料，不設巖石名稱，只提供材料配比所需的原材料。選用材料前，先根據模擬巖層的物理力學參數和相似比選擇材料配比號，之后根據模擬巖層的尺寸進行相似材料的配比計算(見圖3)。在材料配比對話框中輸入重量即可。材料庫中的材料是預先在實驗室進行驗證過的，比如遼寧工程技術大學所做的沙子、碳酸鈣、石膏配比，都有系統的數據。在虛擬環境中進行材料配比試驗，對現實試驗過程是一個很好的補充。

圖2　虛擬實驗環境

圖3　虛擬材料配比

圖4　虛擬模型架

3)模型架。如圖4所示，虛擬模型架包括平面應力模型架和平面應變模型架。模型架的主要作用是提供模擬巖層的鋪設場地，模擬現實中的模型架制作。平面應力模型架的長寬高有效尺寸分別為2 500 mm×200 mm×2 000 mm，主要由底座、油缸、側擋板、上擋板和模板組成。平面應力模型架的有效尺寸分別為800 mm×200 mm×1 000 mm，主要由底座、側擋板、上擋板、模板和千斤頂組成。油缸和千斤頂的作用是提供上覆巖層的載荷。

4)工具庫。工具庫提供一些模擬過程中需要的工具，有開挖工具、回填工具、支護工具、應力計模擬器和位移計模擬器。開挖工具制作成鏟子狀，主要模擬現實中人工開挖過程；回填工具制作成磚塊狀，模擬現實中的充填過程；支護工具制作成支架狀，模擬現實中的采場支架維護頂板；應力計模擬器和位移計模擬器制作成表頭狀，用于安設在模擬巖層中，監測應力和位移變化。

5)數據采集與分析器。數據分析器的主要作用是分析應力計模擬器和位移計模擬器的數據，提供數據查詢和初步分析功能，主要是通過虛擬的計算機和界面來體現。

3虛實結合的實驗教學方式

巖層移動虛擬仿真實驗教學軟件開發以后，進一步完善了巖層移動的實驗教學方式方法，充分發揮了“實之真、虛之擬”的優點，具體是遵循“虛實結合、先虛后實、先獨立后合作、先模擬后驗證”的原則。

3.1虛實結合、先虛后實

物理相似模擬方法屬于同類模擬，具有過程真實直觀、數據可靠等優點，而虛擬仿真實驗方法卻具有物理相似模擬方法不具備的省時省力、成本低廉、重復性好等優點。實驗教學過程中，虛實結合法有助于實現單一方法缺點的規避和兩種方法優點的配合。物理相似模擬試驗開始后，一旦發現問題，修正成本較高。先開展虛擬仿真實驗后進行物理相似實驗，使學生得到了實驗訓練，對過程更加熟悉，可以降低物理實驗失誤概率。實踐過程中，需要適當控制虛擬仿真方法的使用比重，真正發揮虛擬仿真方法對物理相似方法的有效補充作用。

3.2先獨立后合作

限于實驗室的硬件條件，物理相似模擬試驗教學過程中，只能采取小組的形式，每位同學只能完成試驗中的一部分工作，這樣就無法對實驗全過程有深刻的認識。先獨立開展虛擬仿真實驗，后分小組進行物理相似實驗，可以彌補這一問題。學生可以通過虛擬仿真實驗對巖層移動的物理相似實驗全過程進行深入了解，后通過物理相似實驗加深認識，并對實驗中的一部分內容發揮主要作用。

3.3先模擬后驗證

巖層移動物理相似模擬試驗能夠展現的巖層移動特征有限，實驗結果也只能與書本或者課堂中學到的相關知識進行對比。先根據給定條件開展虛擬仿真實驗，對可能的實驗結果有一個大致的了解，然后采用物理相似試驗的方法驗證虛擬實驗結果，既可以豐富實驗過程對巖層移動規律的解釋，又增加了一個對比環節，即虛擬實驗結果與物理相似試驗結果對比。通過對比分析，可以加深同學們對巖層移動規律的理解和掌握。

4結語

采礦工程虛擬仿真實驗教學是對傳統實驗教學的重要補充，是新形勢下信息化教學的重要手段之一。論文論述了物理相似模擬試驗方法在巖層移動實驗教學中遇到的困難，利用計算機科學技術，設計了巖層移動虛擬仿真實驗教學軟件，探索了虛擬仿真與物理相似模擬相結合的實驗教學方法，完善采礦工程專業多層次的實驗教學體系，取得了良好的教學效果。

參考文獻：

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[5] 陳建武，張晴．安全人機工效虛擬仿真實驗系統設計[J]．中國安全生產科學技術，2013，9(5)：117-120．

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[8] 彭賜燈．礦山壓力與巖層控制研究熱點最新進展評述[J]．中國礦業大學學報，2015，44(1)：1-8．

[9] 馬文頂，許家林，鄒喜正．“礦山壓力與巖層控制”課程實驗教學的探索[J]．實驗室研究與探索，2004，23(6)：58-60．

(責任校對謝宜辰)

doi:10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.05.014

收稿日期：20151002

基金項目：中國礦業大學教育教學改革與建設課題(2014SY01);江蘇高校品牌專業建設工程資助項目(PPZY2015A046)

作者簡介：張源(1985-)，男，安徽阜南人，講師，博士，主要從事采礦工程方面的教學和科研工作。

中圖分類號：G482

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5884(2016)05-0044-04