高瓦斯突出煤層石門安全揭煤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)

王恩元， 王 亮， 徐劍坤， 李曉偉， 裴曉東， 李忠輝， 劉清泉， 丁 增

（中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

0 引 言

我國煤炭開采向著智能化、大采深、大采高、高強(qiáng)度的趨勢發(fā)展，深部煤層處于“三高一低”環(huán)境（高應(yīng)力、高瓦斯壓力、高地溫和低滲透），煤炭開采面臨更加嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。其中，石門在揭穿煤層時(shí)，在高地應(yīng)力與高瓦斯壓力共同作用下易發(fā)生十分嚴(yán)重的煤與瓦斯突出，導(dǎo)致群死群傷事故多發(fā)，威脅安全生產(chǎn)。煤炭行業(yè)的安全可持續(xù)發(fā)展急需高校高質(zhì)量人才的產(chǎn)出作為支撐，但目前與之配套的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)資源卻難以滿足人才培養(yǎng)的需要。礦山安全實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)［1-5］普遍存在高危險(xiǎn)、高復(fù)雜、高成本、過程不可逆等特點(diǎn)，各種煤巖動力災(zāi)害再現(xiàn)困難，缺少配套的教學(xué)資源與教學(xué)手段。虛擬仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)結(jié)合有利于解決這一問題。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措［6］。近年來，隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷進(jìn)步，仿真實(shí)驗(yàn)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的教學(xué)和培訓(xùn)［7-10］。

1 石門安全揭煤教學(xué)現(xiàn)狀

在井工煤礦巷道掘進(jìn)并揭露煤層的過程中，巖體破碎改變了應(yīng)力環(huán)境和瓦斯賦存狀態(tài)，富含瓦斯的煤層在地應(yīng)力和瓦斯壓力的共同作用下極易發(fā)生失穩(wěn)，造成煤與瓦斯突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，石門揭煤工作面突出平均強(qiáng)度為其他各類巷道平均突出強(qiáng)度的6倍以上，超過80%的千噸級以上特大型突出事故都發(fā)生在石門揭煤過程中［11］。如2004年10月20日，河南鄭煤集團(tuán)大平煤礦21軌道下山巖石掘進(jìn)工作面發(fā)生煤與瓦斯突出事故，突出煤巖量約1 894 t，瓦斯量25×104m3，同時(shí)誘發(fā)特別重大瓦斯爆炸事故，造成148人死亡。

石門安全揭煤流程和工藝極其復(fù)雜，需反復(fù)工程實(shí)踐訓(xùn)練，但現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)危險(xiǎn)性高，若發(fā)生事故則后果嚴(yán)重，因此現(xiàn)場教學(xué)開展困難［12-13］。目前，石門安全揭煤教學(xué)主要以仿真模型和模擬演示為主，但這與工程情境相去甚遠(yuǎn)，真實(shí)性差，體驗(yàn)度低；在教學(xué)過程中，也以教師講解為主，學(xué)生參與度不高，動手環(huán)節(jié)少，難以達(dá)到實(shí)踐訓(xùn)練的目的。

為解決實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)資源與手段缺乏的問題，本文依據(jù)石門安全揭煤這一工程背景，吸收最新科研成果與工程技術(shù)應(yīng)用案例，綜合運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、系統(tǒng)仿真、“互聯(lián)網(wǎng)+”等新一代信息技術(shù)，開發(fā)了高瓦斯突出煤層石門安全揭煤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2 石門安全揭煤教學(xué)目標(biāo)與知識體系

結(jié)合煤巖動力災(zāi)害防治課程的教學(xué)目的與教學(xué)內(nèi)容，梳理并設(shè)計(jì)高瓦斯突出煤層石門安全揭煤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)與知識體系（見圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目知識體系

2.1 教學(xué)目標(biāo)

（1）建立礦井生產(chǎn)系統(tǒng)三維認(rèn)知。通過對現(xiàn)代化生產(chǎn)礦井及石門揭煤工作面真實(shí)情境的虛擬現(xiàn)實(shí)再現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)知工業(yè)廣場、主要井巷及石門揭煤工作面的生產(chǎn)系統(tǒng)。

（2）了解石門揭煤誘發(fā)突出機(jī)理。了解煤與瓦斯突出分類及石門揭煤誘發(fā)突出機(jī)理。

（3）熟悉突出煤層石門揭煤流程。熟悉兩個(gè)“四位一體”的概念及內(nèi)含，包括區(qū)域綜合防突工作流程及要求、局部綜合防突工作流程及要求。

（4）掌握突出判定指標(biāo)測試方法。掌握包括煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測、效果檢驗(yàn)、驗(yàn)證的各項(xiàng)指標(biāo)（瓦斯壓力、瓦斯含量、鉆屑指標(biāo)等）及其測試步驟和方法。

（5）掌握煤與瓦斯突出防治工藝。掌握前探、鉆機(jī)打鉆、注漿泵注漿、金屬骨架安裝等主要設(shè)備的操作步驟與流程，并能實(shí)踐操作。了解不同煤層增透措施（水力割縫、水力造穴等）的原理、操作要求以及適應(yīng)條件。

（6）具備解決現(xiàn)場實(shí)際問題能力。通過完整、系統(tǒng)的三維虛擬仿真交互操作實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生具備運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及方法開展監(jiān)測、預(yù)報(bào)和治理突出災(zāi)害的實(shí)踐能力，以及開展石門安全揭煤工程實(shí)踐能力。

2.2 知識體系

（1）揭煤前探分析模塊。包括石門揭煤的定義、前探鉆孔探煤共2個(gè)知識點(diǎn)。使學(xué)習(xí)者了解石門揭煤的相關(guān)概念，了解石門揭煤煤與瓦斯突出的特點(diǎn)、危險(xiǎn)性及分類，掌握前探鉆孔探煤的意義、要求及原理。

（2）區(qū)域四位一體模塊。包括區(qū)域預(yù)測、區(qū)域防突措施、區(qū)域措施效果檢驗(yàn)及區(qū)域驗(yàn)證4個(gè)知識點(diǎn)。使學(xué)習(xí)者掌握區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測、區(qū)域措施效果檢驗(yàn)及區(qū)域驗(yàn)證的指標(biāo)和方法，掌握區(qū)域性防突措施及煤層增透的原理和步驟，最終使學(xué)習(xí)者在交互操作過程中深刻理解并系統(tǒng)掌握區(qū)域綜合防突技術(shù)的流程及原理。

（3）局部四位一體模塊。包括工作面預(yù)測、工作面防突措施、工作面措施效果檢驗(yàn)、揭煤驗(yàn)證及安全防護(hù)措施5個(gè)知識點(diǎn)。使學(xué)習(xí)者掌握工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測、工作面措施效果檢驗(yàn)及揭煤驗(yàn)證的指標(biāo)和方法，掌握工作面防突措施以及安全防護(hù)措施的原理、步驟及必要性，最終使學(xué)習(xí)者在交互操作過程中深刻理解并系統(tǒng)掌握局部綜合防突技術(shù)的流程及原理。

（4）遠(yuǎn)距離揭煤模塊。包括遠(yuǎn)距離爆破揭煤1個(gè)知識點(diǎn)。使學(xué)習(xí)者掌握遠(yuǎn)距離爆破安全揭煤的工藝流程、注意事項(xiàng)及施工參數(shù)，最終使學(xué)習(xí)者在交互操作過程中認(rèn)識到嚴(yán)格按照規(guī)定確定爆破參數(shù)（爆破范圍、爆破時(shí)間、人員位置）的重要性和必要性。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

基于高瓦斯突出煤層石門安全揭煤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的與內(nèi)容，設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)架構(gòu)，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、系統(tǒng)仿真、“互聯(lián)網(wǎng)+”等技術(shù)開發(fā)配套軟件，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā)，集實(shí)物仿真、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能指導(dǎo)、自動批改和教學(xué)管理于一體，通過各模塊數(shù)據(jù)接口的無縫銜接，增加開放度與適應(yīng)性，最終達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的自主性、交互性和可擴(kuò)展性［14-16］。

3.1 軟件設(shè)計(jì)

如圖2所示，軟件系統(tǒng)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、支撐層、通用服務(wù)層、仿真層、應(yīng)用層5層。每一層都為其上層提供服務(wù)，直到完成具體虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的構(gòu)建。

圖2 高瓦斯突出煤層石門安全揭煤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)層。存儲虛擬仿真實(shí)驗(yàn)涉及的多種類型虛擬實(shí)驗(yàn)組件及數(shù)據(jù)，分別設(shè)置基礎(chǔ)元件庫、實(shí)驗(yàn)課程庫、典型實(shí)驗(yàn)庫、標(biāo)準(zhǔn)答案庫、規(guī)則庫、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、用戶信息等模塊。

（2）支撐層。是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與開放共享平臺的核心框架，是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目正常開放運(yùn)行的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)整個(gè)基礎(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和管理。分別設(shè)置安全管理、服務(wù)容器、數(shù)據(jù)管理、資源管理與監(jiān)控、域管理、域間信息服務(wù)等模塊。

（3）通用服務(wù)層。提供虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境所需的一些通用支持組件，以便用戶能夠快速在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中完成實(shí)驗(yàn)。分別設(shè)置實(shí)驗(yàn)教務(wù)管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、理論知識學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)資源管理、智能指導(dǎo)、互動交流、實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動批改、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、教學(xué)效果評、項(xiàng)目開放與共享等模塊，同時(shí)提供相應(yīng)集成接口工具，以便第3方虛擬實(shí)驗(yàn)集成接入。

（4）仿真層。主要是針對實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)場景構(gòu)建、設(shè)備建模、設(shè)備交互功能開發(fā)、任務(wù)引導(dǎo)系統(tǒng)嵌入，為上層提供實(shí)驗(yàn)交互數(shù)據(jù)的格式化輸出。

（5）應(yīng)用層。是基于以上基礎(chǔ)層開發(fā)的面向最終用戶的應(yīng)用服務(wù)，其利用仿真層提供的實(shí)驗(yàn)交互數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)各種實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，面向師生開展教學(xué)應(yīng)用。高瓦斯突出煤層石門安全揭煤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目在應(yīng)用層設(shè)計(jì)了礦井認(rèn)知、瓦斯治理工藝?yán)碚?、瓦斯治理流程?shí)踐和實(shí)驗(yàn)考核等。

3.2 軟件開發(fā)

基于以上系統(tǒng)架構(gòu)，按照B/S架構(gòu)路線，綜合應(yīng)用HTML5、3D Studio Max、Unreal Development Kit、Photoshop等技術(shù)與工具進(jìn)行軟件開發(fā)。為追求開發(fā)質(zhì)量與應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)單場景模型總面數(shù)不少于2 000 000面、貼圖分辨率為1 024×1 024、動作反饋時(shí)間不多于1 s、顯示刷新率高于30 Hz、顯示分辨率為1 920×1 080。

4 實(shí)驗(yàn)過程

高瓦斯突出煤層石門安全揭煤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件使用文字圖片、動畫視頻、場景漫游、三維場景體驗(yàn)與交互操作等多種形式展現(xiàn)12個(gè)知識點(diǎn)，組成礦井認(rèn)知、瓦斯治理工藝?yán)碚?、瓦斯治理流程?shí)踐、實(shí)驗(yàn)考核等4個(gè)模塊，可供學(xué)習(xí)者課前預(yù)習(xí)、理論學(xué)習(xí)、實(shí)操實(shí)驗(yàn)與學(xué)習(xí)考核［17-18］。學(xué)習(xí)者使用該軟件開展的實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程

4.1 礦井認(rèn)知

點(diǎn)擊礦井認(rèn)知按鈕，進(jìn)入場景漫游，將對井工煤礦的煤巖層地質(zhì)環(huán)境、地面工業(yè)廣場、井下巷道、生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行宏觀展示，再逐步切換到石門揭煤工作面，講述石門揭煤的概念、位置，展示石門和煤層的剖面關(guān)系，如圖4、5所示學(xué)習(xí)者可根據(jù)提示進(jìn)行漫游操作。

圖4 礦井認(rèn)知界面

4.2 瓦斯治理工藝?yán)碚?/h3>

點(diǎn)擊瓦斯治理工藝?yán)碚摪粹o進(jìn)入理論學(xué)習(xí)模塊，該模塊對石門安全揭煤工藝流程及所涉及的知識點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，幫助學(xué)生掌握石門揭煤的基礎(chǔ)理論知識，亦提供檢索功能，便于學(xué)習(xí)者在實(shí)踐操作遇到問題時(shí)查閱學(xué)習(xí)。

圖5 石門揭煤工作面

4.3 瓦斯治理流程實(shí)踐

在瓦斯治理工藝?yán)碚搶W(xué)習(xí)模塊完成后，點(diǎn)擊瓦斯治理流程實(shí)踐按鈕進(jìn)入實(shí)踐實(shí)操模塊，依次有前探鉆孔探煤、區(qū)域預(yù)測、區(qū)域防突措施、區(qū)域效果檢驗(yàn)、區(qū)域驗(yàn)證、局部（工作面）防突措施、局部效果檢驗(yàn)、安全防護(hù)措施、遠(yuǎn)距離爆破等9個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，如圖6～9所示。

圖6 前探鉆孔探煤演示界面

圖7 區(qū)域防突措施界面

圖8 局部（工作面）防突措施界面

圖9 爆破等待界面

4.4 實(shí)驗(yàn)考核

實(shí)踐環(huán)節(jié)完成后，學(xué)習(xí)者點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)考核按鈕進(jìn)入考核模塊。系統(tǒng)從題庫中隨機(jī)抽取試題組成試卷，考核石門安全揭煤實(shí)驗(yàn)中所涉及的理論和實(shí)踐知識，考核學(xué)習(xí)者的掌握程度。試卷分為判斷題和單選題，點(diǎn)擊“提交”后，系統(tǒng)自動給出得分。實(shí)驗(yàn)考核同時(shí)要求提供實(shí)驗(yàn)報(bào)告1份，根據(jù)完整性、新穎性、適用性原則進(jìn)行評價(jià)。

5 實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法

高瓦斯突出煤層石門安全揭煤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用綜合評價(jià)法，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在知識學(xué)習(xí)與技能訓(xùn)練效果上的多樣化、系統(tǒng)性與綜合性，全面考察學(xué)生在進(jìn)行石門安全揭煤作業(yè)中所涉及到的基礎(chǔ)理論知識、突出災(zāi)害預(yù)測參數(shù)實(shí)測與實(shí)驗(yàn)操作能力、防突作業(yè)工程實(shí)踐能力等，采用多種表現(xiàn)形式對知識與能力進(jìn)行反復(fù)考察，從而建立全流程跟蹤評價(jià)體系，如表1所示。

表1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)評價(jià)體系

6 實(shí)踐效果

高瓦斯突出煤層石門安全揭煤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)中積極將課程思政元素融入，引入安全一流學(xué)科在重大災(zāi)害防控方面的最新科研成果，用虛擬仿真形式向?qū)W生展示最先進(jìn)的防治理念與技術(shù)，鼓勵(lì)學(xué)生掌握扎實(shí)的專業(yè)知識，服務(wù)國家能源安全重大戰(zhàn)略，培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷和使命感。

高瓦斯突出煤層石門安全揭煤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目于2017年9月在我校上線，已納入煤巖動力災(zāi)害防治等課程的教學(xué)計(jì)劃，累計(jì)培養(yǎng)本科生、研究生331人，教學(xué)效果良好。

7 結(jié) 語

為解決石門安全揭煤實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐培訓(xùn)開展困難、教學(xué)資源與教學(xué)手段缺乏，建設(shè)了高瓦斯突出煤層石門安全揭煤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，在教學(xué)實(shí)踐中該系統(tǒng)表現(xiàn)出安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等特點(diǎn)，取得了良好的教學(xué)效果。同時(shí)在教學(xué)方法與教學(xué)模式上還表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

（1）按照“理論-實(shí)踐結(jié)合、應(yīng)用驅(qū)動、深度融合、持續(xù)發(fā)展”的教學(xué)理念，借助數(shù)據(jù)與算法模擬、推演物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)學(xué)生的知識遷移與技能培養(yǎng)，打造了場景化、交互式、體驗(yàn)式與融入式教學(xué)新模式。

（2）形成以學(xué)習(xí)者為主體、以核心素養(yǎng)發(fā)展為中心，采用信息化教育手段、在數(shù)字空間完成學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，利于具備多專業(yè)知識結(jié)構(gòu)、兼?zhèn)鋵?shí)踐與創(chuàng)新能力的復(fù)合型拔尖人才培養(yǎng)，適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需要。

（3）聯(lián)想映射，借助于具有沉浸性、真實(shí)感的三維空間，可拓展學(xué)習(xí)者的認(rèn)知記憶的范圍與系統(tǒng)性。突破時(shí)空限定，打破了傳統(tǒng)封閉式集中學(xué)習(xí)的組織模式，將學(xué)習(xí)場地從物理空間拓展到了數(shù)字空間。