基于虛擬現實技術的應用巖石力學實驗教學改革

侯晨 朱萬成 劉洪磊 張鵬海

摘? 要：應用巖石力學實驗課程是高等學校采礦工程專業重要的專業課程，但受限于諸多因素，很多實驗在日常教學中難以實現。利用虛擬現實技術，構建逼真的三維虛擬環境，采用人機交互操作界面，以完成教學大綱要求的必修與擴展教學實驗，彌補了應用巖石力學實驗在可行性、重復性、控制性、展示性方面的不足，為應用巖石力學實驗教學和研究提供一種通用的分析工具，有助于實現“教與學的互動、理論與實踐的結合、能力與興趣的共增”這一教學目標。

關鍵詞：虛擬現實;應用巖石力學;采礦工程;本科教學

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）24-0136-04

Abstract： The applied rock mechanics experimental course is an important professional course of mining engineering in colleges. However， due to many factors， many experiments are difficult to conduct in daily teaching. By using the virtual reality technology， the realistic three-dimensional virtual environment was constructed， and the man-machine interactive interface is used to complete the compulsory and extended teaching experiments required by the syllabus， which makes up for the deficiency of the feasibility， repeatability， controllability and display of the field experiment. It provides a general analysis tool for the teaching and research of rock mechanics experiment， and helps to realize the teaching goal of interaction of teaching and learning， combination of theory and practice， and increment of ability and interest.

Keywords： virtual reality technology; rock mechanics; mining engineering; undergraduate teaching

應用巖石力學是固體力學的一個分支學科，主要研究巖石在外界因素作用下的應力、應變、破壞、穩定性判定及支護時機等內容，是為采礦工程、礦山工程力學、土木隧道等專業開設的一門專業基礎課。通過教學，學生深刻認識到巖石力學基本原理應用于采礦、土木、水利等巖石工程問題的重要性，了解應用巖石力學實驗結果的影響因素和巖體的工程特性以及分級方法。這是一門理論性及實踐性很強且緊密結合生產實際的課程。

由于自然巖石、巖體材料的非均勻性、非連續性，以及受載歷史的復雜性，相關巖石性質的獲取需要進行大量的實驗。因此，應用巖石力學實驗課程一直是學生了解巖石、巖體強度和變形特征，激發學生興趣的重要途徑[1-2]。但實驗的安全性、便捷性等也為相關實驗教學工作的開展帶來一定的挑戰[3-6]。應用巖石力學實驗教學分為現場實驗和室內實驗。現場實驗教學成本高、實驗周期長，聯系、協調等環節都十分繁瑣，也很難完整觀測到災害的演化過程[7]，而室內實驗由于受到現場條件、實驗設備等諸多因素的限制，如采動誘發礦山突水災害、礦柱失穩破壞、空區尺寸優化及應力場分布規律等應用巖石力學的很多實驗很難在實驗室實際操作[8-10]。虛擬現實技術因交互性、沉浸性和構想性等特點，可以讓參與者進行沉浸式體驗，所形成的信息環境也具備交互效能多維化的特點[11-12]，使應用巖石力學課程的教學內容得到更為具體和有效的展示，并為學生提供了更好的學習環境。因此，本文主要探討虛擬現實技術對于應用巖石力學課程的應用。

一、應用巖石力學實驗教學存在的問題

（一）應用巖石力學的實驗成本高昂

例如一個巖樣的單軸壓縮實驗，需要經歷現場取巖、試樣加工、粘貼應變片、試驗機加載等過程。現場獲得巖塊由于先天缺陷，且后天受到開采、爆破擾動，標準試樣成品率極低，不算人工成本，一個標準試樣的成本也在300元人民幣左右。且由于自然巖石性質的先天離散型，需要進行重復性實驗，又加大了巖石力學實驗的支出。另外粘貼應變片、操作試驗機都需要專業技術人員進行操作，這都極大增加了應用巖石力學實驗的成本支出。

（二）應用巖石力學實驗過程顯示度不足

應用巖石力學的實驗過程，主要通過應力-應變曲線展示，受制于巖石固體本身的不可透視性，巖石受力過程中的變形、破裂到破壞的力學變化無法做到直觀展示，更不可能進行重復，導致學生對于實驗過程只有一個表觀的認識，無法進一步加深理解。

（三）實驗設備功能單一，大量實驗難以在室內展開

應用巖石實驗設備目前主要集中于巖石單軸壓、拉、剪等破壞基本試驗機。而應用巖石力學課程體系包含巖石、巖體和工程三個維度。顯而易見，在巖石尺度上，室內實驗還可以對相關理論進行驗證，在巖體和工程尺度上，室內實驗研究難度很大。而采礦工程涉及到巖石試樣的破壞，巷道的塌方、突水、巖爆，邊坡的失穩滑移等災害性現象，更是難以在實驗室有效再現。