礦山VR教學系統在《采礦概論》課程中的應用

張村 趙毅鑫 滕騰 陳見行 張磊

摘? 要：采礦工程本身就具有系統復雜，井巷交錯，立體性強的特點。針對當前非采礦工程專業學生在《采礦概論》學習中普遍存在層次感不清，系統模糊等問題，提出了將虛擬仿真VR技術引入教學過程中的方法，建立了煤礦開采虛擬仿真漫游教學系統。將教學中的難點內容和演示性實驗項目虛擬和仿真化，能夠使得學生更加直觀立體的了解整個采礦系統。該系統在全?！恫傻V概論》教學中進行了應用，提出了具體的教學方法。該虛擬教學系統的應用取得了較好的效果，為工程類專業教學改革提供有益的經驗。

關鍵詞：虛擬現實;礦山開采;教學系統;課程應用

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）04-0099-03

Abstract： Mining engineering itself has the characteristics of complex system， staggered lanes and wells， and strong three-dimensional. Aiming at the problems of ambiguous hierarchy and system ambiguity in the study ofIntroduction to Mining for non-mining engineering major students， a method of introducing VR technology into teaching process is proposed. A virtual simulation roaming teaching system for coal mining is established. By virtualization and simulation of difficult contents and demonstration experiment items in teaching system， students can understand the whole mining system more intuitively and stereoscopically. The system has been applied in the teaching of Introduction to Mining in the whole school， and specific teaching methods have been put forward. The application of the virtual teaching system has achieved good results and provided useful experience for the teaching reform of engineering major.

Keywords： virtual reality; mining; teaching system; course application

引言

虛擬現實作為近年來快速發展的一種新技術，由于解決了虛擬現實中硬件設備昂貴、三維建模繁瑣和數據量大等缺點，迅速的在醫療、制造與維修、娛樂、航空航天等領域得到廣泛的應用[1-3]。虛擬現實技術作為一種新型的教學媒體，以其自身強大的教學優勢和潛力，逐漸受到教育工作者的重視和青睞，最終在實踐教學廣泛應用并發揮其重要作用[4，5]。虛擬仿真教學是指利用計算機軟件和具體實物共同模擬出現場的真實場景，使學生處于一種虛擬的情境下進行學習。該種教學方法可以利用接近于現實的工作場景進行教學，教學方法生動形象，有利于提高學生的學習興趣和加深對知識的理解[6，7]。

采礦概論是非采礦工程專業的通識必修課。該課程應用實踐性強，需緊密結合現場生產實踐[8-9]。采礦工程尤其是煤礦井工開采，整個生產系統井巷交錯，層次立體感強，很難通過簡單的演示使學生完成掌握，特別是針對非采礦工程的學生而言。因此，本文將傳統的采礦概論課程教學和虛擬仿真技術結合起來，發揮各自的優點，使學生不受設備和場地的影響，能夠掌握更多的知識和技能，對于采礦概論課程教學具有重要的意義。

一、礦山開采VR模擬系統構建

（一）VR礦井漫游系統

礦山開采VR模擬系統選擇常見的現代化斜井開拓系統。井田開采一緩傾斜煤層，煤層賦存較淺、表層薄、水文地質條件簡單。井田沿傾斜面劃分2個階段，設2個開采水平，每個上山階段沿走向劃分為若干個采區。每個采區布置1個回采工作面和1個準備工作面，具體井巷系統如圖1所示。

礦山VR模擬系統針對上述井巷布置圖，運用防爆全景相機對井下各個部位進行拍攝，之后采用Unity Pro團隊開發模塊進行礦井各巷道以及設備的構建，構建后的模型圖如圖2所示。

（二）礦井漫游系統操作流程

系統可以直接配合現代多媒體教室進行運行，系統運行需要HTC vive設備，攜帶筆記本連接教室多媒體投影設備。能夠實現將頭盔中看到的視角投影到大屏幕上，以實現全班人員能夠共同進入該系統學習。

進入該系統后，首先出現在同學們面前的是圖1所示的整個礦井的系統圖，利用HTC手柄可以選擇圖1中任何一個位置進入。進入實際巷道后，就如同進入真實場景一樣，同學們可以在現實場景中自由移動，也可以借助手柄進行跳躍式移動。

二、礦山VR系統課堂教學

（一）井巷認識

開機進入礦井系統后，首先教師先帶上頭盔，以問答的方式點擊進入系統中任何一條井巷，讓學生掌握每條巷道所處的層位，巷道斷面特點，以及在整個系統的用途。具體在講解過程中按照井巷掘進順序進行講解。一般情況下教師講解巷道的類型可以分為以下幾個方面：

（1）開拓巷道。為全礦井或一個開采水平服務的巷道屬于開拓巷道。如圖1中主副斜井和風井、井底車場、主要石門、階段運輸和回風大巷、采區回風和采區運輸石門等井巷，以及掘進這些巷道的輔助巷道都屬于開拓巷道。

（2）準備巷道。為采區和一個以上區段、分段服務的運輸、通風巷道叫準備巷道。具體如圖1中的采區上（下）山、區段集中巷、區段石門、采區車場等。

（3）回采巷道。指形成采煤工作面及為其服務的巷道。如圖1所示屬于這類巷道的有采煤工作面的區段運輸平巷、區段回風平巷和開切眼、中切眼。

教師講過一遍后，同時教會學生簡單的操作方法，讓學生上臺體驗。此時，教師任意說出巷道的名稱要求學生進入相應的巷道，坐在下面的同學也可以指揮臺上的同學。如此，同學們就可以對巷道的布置有一個更全面直觀的了解，而不是僅僅停留在書面上線條式的識別。

（二）礦井設備認識

在進入每一條巷道的過程中，除了讓學生掌握巷道所處位置，還要帶領學生認識每條巷道內所布置的設備及其作用。比如當進入工作面后，先講工作面的開采參數，之后就要講相應的三機配套情況：采煤機型號、刮板輸送機以及液壓支架的型號。然后進一步說明工作面的循環作業圖表（包括采煤機進刀方式、液壓支架的支護方式等，具體如圖2b所示）。當進入區段運輸平巷時則給學生們介紹轉載機、破碎機以及皮帶運輸機的具體情況（圖3）。當進入區段回風平巷時，可以介紹設備列車中相應的設備及其作用。當進入變電所以及井底水倉時，介紹變電所及井底水倉的相關設備及其作用。在進入掘進工作面時，講解掘進工藝的同時可以觀察掘進機（圖2a）。

在整個巷道系統走完一遍后，學生能夠熟悉煤礦中的相應設備及其主要用途。

（三）生產系統漫游

在進行完井巷認識及內部設備的講解后，學生基本上對煤礦井下的立體環境有著充分的認識。在此基礎上，教師就可以進行煤礦各生產系統的講解，而在講解過程中，教師可以采用虛擬系統模型沿著各生產系統巷道完整的走一遍。常見的煤礦三大系統如煤礦運煤系統，教師可以從采煤工作面（刮板輸送機）→區段運輸平巷（轉載機、皮帶輸送機）→采區運輸上山（皮帶輸送機）→采區煤倉（暗溜井）→采區運輸石門（皮帶輸送機）→階段運輸大巷（皮帶輸送機）→井底煤倉→主斜井（皮帶輸送機）→地面。除此之外，礦井通風系統與運料排矸系統采用同樣的方法帶學生們完整的走一遍。在系統漫游的過程中不僅能夠將巷道位置層位及內部設備再強化一遍，同時還能更加完整立體的掌握煤礦生產系統。

三、結束語

礦山開采VR教學模型針對我國現代化礦井系統進行了等比例還原，可實現全礦井巷道漫游。針對當前非采礦工程專業學生在《采礦概論》學習中普遍存在層次感不清，系統模糊等問題，提出了將虛擬仿真VR技術引入教學過程中的方法。借助VR技術，將煤礦開采設備的現代化及自動化引入《采礦概論》課堂，讓學生們走出書本，置身于真實礦井，更加立體直觀的感受煤礦開采作業現場情況。同時，根據現場教學情況，給出了VR教學方法，大大豐富了學校的教學手段，實現了校外實習資源從基地直接引入課堂的同時有利于礦業企業的宣傳。

參考文獻：

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