采礦工程虛擬仿真實踐教學平臺的探索研究

楊長德 張偉光 李金波 李彥強

摘 要：針對采礦工程專業(yè)，基于煤礦開采學目前的實踐教學體系，分析了煤礦開采學在實踐教學過程中存在的問題。通過實驗系統(tǒng)和實習系統(tǒng)兩方面的探索應用，表明虛擬仿真教學系統(tǒng)可有效的改善實踐教學中的問題，在煤礦開采學實踐教學中發(fā)揮重要的作用。

關鍵詞：煤礦開采學；采礦工程；虛擬仿真；實踐教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）17-0032-04

Abstract： Based on the current practical teaching system of coal mining and mining engineering specialty， the problems in the practice of coal mining are analyzed. Through the exploration and application of the experimental system and the internship system， it shows that the virtual simulation teaching system can effectively improve practical teaching and play an important role in practical teaching of coal mining.

Keywords： coal mining； mining engineering； virtual simulation； practical teaching

采礦工程專業(yè)是培養(yǎng)適合時代發(fā)展需要的新型礦山專業(yè)技術與管理人才的一個實踐性很強的專業(yè)，實踐教學環(huán)節(jié)在采礦工程教學體系中尤為重要。然而，由于受到人力、物力、財力和現(xiàn)場條件的限制，無論是室內(nèi)實驗還是校外實習等實踐教學環(huán)節(jié)都存在一定的弊端，比如室內(nèi)實驗設備昂貴、維護費用高、實驗周期相對較長，采礦實習現(xiàn)場安全性較差、食宿難解決等問題[1-4]。

進入21世紀，虛擬仿真技術已經(jīng)應用在各個行業(yè)，尤其是高危行業(yè)高校教育和職業(yè)培訓當中[5]。中國礦業(yè)大學、東北大學等高校建成了采礦工程虛擬仿真實驗中心并應用于實踐教學和輔助理論教學當中[6，7]。馬文頂[7]研究并總結(jié)采礦工程實驗教學經(jīng)驗，開發(fā)了采礦工程虛擬仿真實驗系統(tǒng)，并在應用中總結(jié)了一套以常規(guī)實驗為基礎，輔助虛擬仿真實驗和井下實景實驗“三位一體”的實驗教學新模式。解盤石[8]針對巖石力學特性、巷道與采場圍巖穩(wěn)定性理論教學和實驗教學中存在的不足，利用多種數(shù)值仿真方法模擬研究，實現(xiàn)了復雜實驗的可重復、可視化。張源[9]分析了礦山壓力與巖層控制實驗教學環(huán)節(jié)中存在的問題，通過設計一套 “礦山壓力與巖層移動虛擬仿真實驗系統(tǒng)”將仿真技術應用到實驗教學中，旨在改善實驗教學效果。

“煤礦開采學”是采礦工程專業(yè)的必修核心課程，其中，采煤方法、準備方式及采區(qū)設計、井田開拓及礦井開采設計、礦井常用開采方法等內(nèi)容又是該課程的核心內(nèi)容。由于礦山是一個復雜的多維生產(chǎn)系統(tǒng)，在傳統(tǒng)理論教學中，受個人的空間想象力限制，學生僅靠教材文字和片、教師語言描述以及二維或者三維的圖紙不容易清楚地了解煤礦的生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)工藝，不能迅速形成一種身臨其境的感覺。因此，采礦工程教學體系中需要通過實驗教學和實習教學兩大環(huán)節(jié)幫助學生理解理論知識和加強實踐能力。但是在傳統(tǒng)的實驗教學和實習過程中又存在諸多問題，本文以新疆工程學院采礦工程專業(yè)煤礦開采學實踐教學為例，探討虛擬仿真教學系統(tǒng)的建設與應用，旨在改革實踐教學方式，改善實踐教學效果。

一、煤礦開采學實踐教學體系

“煤礦開采學”課程是采礦工程專業(yè)的主干核心課程，主要介紹了我國采煤方法和采煤工藝的發(fā)展歷程，要求學生掌握常用的采煤方法與采煤工藝，能夠針對煤礦具體地質(zhì)條件，合理選擇采煤方法和采煤工藝，畢業(yè)設計中，能夠根據(jù)給出的地質(zhì)條件獨立完成礦井設計。

目前，該課程的主要教學環(huán)節(jié)是64學時的課堂教學。實踐教學環(huán)節(jié)由兩部分組成：（1）實驗環(huán)節(jié)；（2）現(xiàn)場實習環(huán)節(jié)（認識實習、生產(chǎn)實習、畢業(yè)實習）。實踐教學環(huán)節(jié)如圖1所示。

從圖1中可以看出，煤礦開采學實驗和實習環(huán)節(jié)項目較多。通常實驗環(huán)節(jié)采用參觀模型的方法，由于實驗設備年限較長，老化嚴重，很多設備無法正常運轉(zhuǎn)。實習環(huán)節(jié)中需要理論知識與現(xiàn)場生產(chǎn)相結(jié)合，實習天數(shù)無法保證便很難完成實習任務，且某一礦的采煤方法和采煤工藝單一，實習期間無法了解更多的采煤方法與采煤工藝。

二、煤礦開采學實踐教學環(huán)節(jié)存在的問題

新疆地區(qū)煤炭高校采礦專業(yè)在實踐教學環(huán)節(jié)過程中存在諸多不可避免的困難和問題。以新疆工程學院采礦工程專業(yè)“煤礦開采學”為例，實踐教學環(huán)節(jié)中主要存在以下幾方面的問題：

1. 室內(nèi)實驗設備陳舊，與煤礦現(xiàn)場應用的設備脫節(jié)嚴重，且不同采煤方法和采煤工藝的設備不同，如需全部購買，耗費的財力太大，并且設備占地面積大，室內(nèi)模擬困難。

2. 與我校簽訂的實習基地具備井下參觀學習的礦方大多分布在呼圖壁山區(qū)、哈密戈壁，不具備留宿大量學生的條件，并且實習路途遙遠，往返費用高，長期以來實習經(jīng)費不足，實習期間每生每天6元，不能維持為期2周認識實習，4周生產(chǎn)實習，4周畢業(yè)實習的正常教學環(huán)節(jié)，因此，通?？s短實習時間。

3. 煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境復雜，安全風險較大，礦方不愿接受大量學生實習。

4. 新疆本地高校民語言學生比例高，采礦工程專業(yè)民語言學生以維吾爾族、哈薩克族為主，約占總?cè)藬?shù)50%-60%，通常民語言學生漢語水平參差不齊，實習過程中語言溝通是一突出問題，同時大多數(shù)礦井沒有開放清真餐廳，民族學生飲食習慣也是一客觀問題[10]。

5. 實習教學環(huán)節(jié)常集中在學期初或?qū)W期末，對課堂教學過程中理論與實踐相結(jié)合不利。

鑒于以上情況，目前采礦工程專業(yè)實驗教學和實習教學環(huán)節(jié)中存在比較突出的問題。虛擬仿真技術的可視化、可重復性可有效的解決理論教學和實踐教學中的諸多問題，因此，應用先進的虛擬仿真技術，真實地反映復雜的礦井生產(chǎn)系統(tǒng)，為學生營造自主學習的環(huán)境，采用創(chuàng)新的教學模式改善優(yōu)化實踐實習教學環(huán)節(jié)就勢在必行。

三、虛擬仿真教學系統(tǒng)的應用

煤礦開采學虛擬仿真實踐教學系統(tǒng)涵蓋采礦工程主干專業(yè)課“煤礦開采學”內(nèi)容，知識體系全面，內(nèi)容豐富；寓教于樂，使學生在輕松、愉悅的環(huán)境下接受知識，借助多媒體技術，通過交互式的三維互動場景，將復雜難懂的知識點生動形象的展示出來，系統(tǒng)可單機配備，也可通過局域網(wǎng)實現(xiàn)多點訪問。該系統(tǒng)主要包括實驗系統(tǒng)和實習系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)能夠滿足學校對學生的實驗教學要求，使學生養(yǎng)成良好的操作習慣，實習系統(tǒng)滿足學生對所學知識的認知、實習了解。

（一）實驗教學中的應用

虛擬仿真實驗系統(tǒng)能夠使學生通過互動操作相應設備了解采煤方法、采煤工藝、提升系統(tǒng)、綜掘工藝以及爆破工藝等過程，完成主要實驗內(nèi)容學習，代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗中的參觀學習。以爆破掘進巷道為例，常規(guī)的實驗手段為觀看炮眼布置示意圖和模型，無法清晰直觀的展示周邊眼、輔助眼、掏槽眼的打孔順序以及裝藥結(jié)構(gòu)等等。如圖3（a）所示，該系統(tǒng)提供了巷道掘進工作面炮眼布置三視圖、爆破說明書、裝藥結(jié)構(gòu)圖、工作面圖紙。工作面圖紙中預設了拱形巷道、梯形巷道、矩形巷道等幾種常見的巷道斷面形狀，與后續(xù)步驟緊密結(jié)合可模擬不同的巷道巷道斷面形狀如何采用爆破工藝進行掘進。通過查看炮眼布置圖和爆破說明書，選擇合理的鉆孔機具進行鉆孔，按照步驟提示模擬炮眼鉆孔過程，完成“鉆孔”工序。根據(jù)設定的均質(zhì)煤層條件，依據(jù)裝藥結(jié)構(gòu)圖學習周邊眼、輔助眼、掏槽眼的裝藥量。圖3（b）中，詳細演示了鉆孔完畢后裝藥、清孔、封孔、敷設母線以及爆破前的檢查等各項工序。通過該系統(tǒng)可清晰直觀的演示巷道掘進爆破工藝，實現(xiàn)教學中無法演示的環(huán)節(jié)。

（二）實習教學中的應用

虛擬仿真實習系統(tǒng)，可解決學院安排實習難的問題。按煤礦開采學教學大綱要求，以三維場景全面的講述從煤礦井田劃分和采煤準備方式到現(xiàn)代化礦井，能夠立體展示課本中抽象的概念，配合系統(tǒng)語音解說，對各種數(shù)字模型進行放大、縮小、平移等細節(jié)查看，使學生可自主學習。實習系統(tǒng)中主要涵蓋采煤方法、采煤工藝、開拓系統(tǒng)、準備方式等幾大模塊。以采煤方法實習為例，通?，F(xiàn)場實習學生按組分配在不同的礦井，每組學生接觸的采煤方法只有該礦采用的采煤方法，對其他采煤方法無法親身體驗，從而限制專業(yè)認知。如圖4所示，該系統(tǒng)預設了目前全國范圍內(nèi)常見的七種采煤方法，學生可通過該系統(tǒng)學習不同礦區(qū)的采煤方法，同時結(jié)合現(xiàn)場實習學習領會。

圖5中演示了綜采工作面采煤機割煤以及液壓支架移架工序。因考慮學生人身安全，通常在現(xiàn)場實習中這兩道工序?qū)W生都無法親身經(jīng)歷。通過該系統(tǒng)仿真試驗學生可操控采煤機模型模擬進刀（推入法進刀、端部斜切進刀、中部斜切進刀、鉆入法進刀）、滾筒調(diào)節(jié)、刮板輸送機運煤等環(huán)節(jié)，較真實的體驗采煤機割煤及刮板輸送機運煤過程。通過操控液壓支架模型可模擬液壓支架的工況運行，可以直觀學習液壓支架承載結(jié)構(gòu)、執(zhí)行元件、輔助裝置的作用。并通過操控液壓支架與刮板輸送機完成單架依次順序式、分組間隔交錯式、成組整體順序式三種移架方式的學習。

四、結(jié)束語

本文通過分析煤礦開采學實踐教學體系以及實踐教學中存在的諸多問題，認為虛擬仿真實踐教學系統(tǒng)的建設對于采礦工程專業(yè)至關重要。將虛擬仿真教學體系引入可彌補傳統(tǒng)課堂教學和實踐教學的不足，不但能豐富教學內(nèi)容，更重要的是可以解決目前實驗和實習環(huán)節(jié)中的諸多問題，同時可以形象直觀的讓學生接觸更多的采礦知識。虛擬仿真實踐教學是科技時代下教學的重要方式，可以預見，也是未來教學的必然趨勢。

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