露天開采仿真及模型教學體系建設與實踐

常治國, 陳亞軍, 曹小紅, 李金波

(新疆工程學院 礦業工程與地質學院, 新疆 烏魯木齊 830091)

新疆是我國重要的煤炭戰略儲備大省,隨著國家“一帶一路”戰略的實施,新疆的煤炭產業也得到了前所未有的發展機遇[1]。新疆工程學院是有60年歷史的以煤礦開采技術為特色的本科院校。60年來為新疆煤炭事業的發展輸送了一大批高層次的技術人才。對于工科類院校,理論教學與實踐相結合,才能使知識的傳授形象生動、易于學生理解,實踐環節是工科類專業人才培養的關鍵。然而,對于煤炭類高校,實踐教學環節卻存在一些突出的問題和困難[2-3]。例如新疆露天礦地處荒漠戈壁,距離城市較遠,不具備長時間接納學生住宿實習的條件,而且礦山環境復雜、安全風險較大、學校實習經費不足,也很難在現場進行長時間的實踐教學[4]。因此,充分利用計算機仿真技術和實驗模型教學系統,校企聯合進行仿真實踐教學系統的開發和建設勢在必行。

近年來,隨著計算機技術和加工制造業的快速發展,模擬軟件與單片機的應用使得模型仿真實踐教學在高校教學中的應用越來越廣泛。例如張立強等人[5]研發了冶金專業仿真實踐教學平臺,建立了冶金工藝模擬流程；毛磊等人[6]將仿真實踐教學應用在化工原理教學實踐中,制定了相關的教學大綱和人才培養方案；陳雷雷等人[7]研究了仿真實踐教學在工業施工設計中的綜合應用；高紅亮等人[8]通過實例,對電力系統進行了建模和運行,論證了仿真實踐教學的高效性。仿真實踐教學平臺在高校的推廣,極大地提高和豐富了實踐環節的課程內容。借鑒其他學科仿真實驗教學的成功經驗,建立采礦工程露天開采方向校企聯合實驗室仿真實踐平臺具有重要的研究意義。

1 露天采礦專業仿真實踐教學的必要性

采礦工程露天開采是一門注重現場實踐的學科,學校培養的專業技術人才不僅要熟練掌握理論知識,更要有煤礦生產、設計的實際操作能力[9]。由于露天礦山是大型、復雜的幾何空間體,各種開采平盤、開拓運輸系統的布置和相互之間參數的匹配,以及隨著時間推移工作面的推進和降深,都需要有良好的空間想象力。如果學生沒有較強的三維空間和動態時序概念,很難從教材靜態圖中想象出空間結構,更難掌握露天開采過程的時空發展過程。教學實踐也表明:單純的理論教學方法很難讓學生對露天礦山的整體生產流程有系統、全局性的概念[10]。增加采礦工程露天開采方向實踐教學環節比例,讓學生在接受理論教學的同時,及早接觸生產實踐,對于知識的融會貫通有重要的意義。

對于采礦工程專業,進行現場面對面實踐教學,讓學生親自來到礦山現場參與煤礦生產建設,能夠達到最佳的教學效果[11]。然而在實踐教學中常會遇到一些問題,例如,離新疆工程學院最近的神華新疆黑山露天礦位于吐魯番地區,乘大客車前往需要4小時車程,因而在理論教學中很難實時對照露天礦山的現狀進行教學,到現場實習也只能集中在學期初或學期末的認識實習或生產實習中[12]。

應用仿真模擬平臺及模型實踐教學方式,可有效地解決礦山露天開采方向專業人才培養過程中遇到的這一難題。學生通過仿真實訓視頻播放軟件,不僅能模擬不同的開采工藝、設計不同的開采參數,還能夠通過實驗模型觀察不同工藝系統和不同時期露天礦推進過程和礦體的三維空間形態,在學習抽象理論知識的同時，實時觀測礦山施工進度,進一步加深認識與理解。因此,露天開采仿真及模型實踐教學平臺為采礦工程露天開采方向的實踐教學環節開辟了一條高效的途徑。

2 露天采礦工藝仿真實踐教學的作用

2.1 工藝系統模擬

露天采礦工藝學主要包括工藝環節和工藝系統兩大部分,其中工藝環節包括地面準備、穿孔、爆破、采掘、運輸、排土、復墾等,通過仿真模擬及模型實踐教學平臺,將整個工藝流程在實驗室內再現,所有操作模型均根據現場實際生產現狀圖制作,讓學生仿佛置身于露天礦生產現場,感受近似真實的生產現場。通過不同的工藝環節和設備相互組合,建立間斷、連續、半連續、倒堆等多種復雜工藝系統,可直觀地觀察不同工藝系統在開拓運輸系統的布置、設備的匹配等方面的區別和聯系,增強學生學習的主動性、趣味性。

2.2 輔助課堂教學

學生通過仿真模擬及模型實踐教學平臺,可實時觀察露天礦形態和生產的主要工藝環節,在模型上設計不同的開采參數,模擬露天礦水平推進和垂直降深的整個流程,以不同的視角進行觀察,充分展示露天礦在不同時期的推進過程和三維空間形態。

在模型實訓室,還可以通過平臺講解露天礦常出現的事故案例,例如模擬不同形態的露天礦邊坡滑坡形式,模擬設備運行故障等異常工況。模擬平臺將理論化、抽象化的書本知識轉化為更容易理解的實體呈現給學生,達到良好的輔助課堂教學的目的。

2.3 補充校外實習

采礦工程的校外實習主要包括大二第4學期末的認識實習,大三第6學期末的生產實習和大四第8學期的畢業實習。通過實習,要求學生能夠運用所學的專業知識,深入現場接受工程訓練,了解現場生產組織調度、采剝進度計劃、開拓運輸系統、主要設備的運行參數和相互之間的匹配關系等。

然而,校外實習的時間畢竟有限,正常的教學周也很難擠出時間組織學生到現場補充實習。因此,學生可以在校內通過仿真模擬及模型實踐教學平臺再現生產現場情況,對實習過程中未掌握的重點、難點知識,可以在平臺上反復模擬操作,進一步鞏固實習成果,達到補充校外實習的目的。

3 仿真模擬及模型實踐教學平臺的建設

3.1 露天礦仿真實訓平臺功能

根據山坡露天礦(圖1)和深凹露天礦(圖2)不同的礦體賦存形態,在露天礦礦體模型的基礎上進行不同方式的開采,實際開采過程就是露天礦坑幾何形態與礦體幾何形態切割過程。不同的開采工藝設計有不同的開采參數,如平盤寬度、臺階高度、臺階組合方式、坡道限制坡度、設備的最小轉彎半徑等,由這些參數組合構成不同形狀的礦坑幾何形態,而后用生成的礦體幾何形態去切割礦體,形成不同時期的礦體形態,這樣就可將露天礦開采過程從始至終演示出來,以不同的視角進行觀察,充分展示出露天礦推進過程和礦體的三維空間形態。

圖1 山坡露天礦間斷工藝模型

圖2 深凹露天礦半連續工藝模型

露天開采仿真實訓平臺可展示出不同工藝的開采狀態,不同時期礦山、礦體的三維立體形態,以及開采出的礦體、剝離物的空間形態。由于這些數據是三維數據,因此非常直觀。露天礦仿真實訓軟件系統既有平面圖,也有三維圖,平面圖和三維圖在平面上是對應的,通過平面和三維的立體轉換,可極大地提高圖形的三維立體感,幫助學生盡快掌握露天礦的情況,建立露天礦平面與三維立體的對應關系。

3.2 巖石臺階順層斜面滑坡監測模型

整座山體為切面狀,山體立面為巖層色,動作巖石坡部分為巖石層狀,其下為局部綠化,臺階處為仿真公路斷面。巖石坡動作部分共分為4層,由玻璃鋼翻制成整體巖石坡,再由人工分切,拼接打磨為各巖石層,如圖3所示。

圖3 巖石臺階順層斜面滑坡模型

巖石臺階順層斜面滑坡監測模型演示系統由軌道、軌道輪、有軌電機、繩索電機、變壓器以及時間繼電器等電子元件組成,模型上配備的傳感裝置包括微型地表位移傳感裝置、微型深部位移傳感裝置。模型上預留有振動加速度傳感器、振動速度傳感器的固定裝置。接通電源后,按預定時間最下層連接軌道的電機開始工作,底部巖層隨著電機一起沿軌道向下滑動到設定距離后,電機走到軌道的末端脫離軌道,靠慣性沖下山坡,其他巖層(3層)按各自軌道有序滑落(軌道的最末端)。動作停止后,按預定時間框架內繩索電機開始工作,將巖層由上至下逐層拉回原狀。可直觀顯示邊坡順層滑坡整體運行軌跡。

4 結語

通過多年堅持不懈的建設,新疆工程學院露天開采專業構建了全面實現露天礦生產流程的可視化仿真平臺,模擬內容覆蓋了露天礦穿、爆、采、運、排整個工藝環節。學生在掌握理論知識的同時,可實時參與生產系統的布置,以三維模型逼真地還原礦山生產情景,促進了理論教學質量的提高,為解決目前采礦專業實習、實踐等方面存在的問題提供了有效的途徑。

參考文獻(References)

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計算機技術應用