煤巖沖擊動力災害監(jiān)測預警虛擬仿真實驗設計

［摘 要］ 煤礦煤巖沖擊動力災害的監(jiān)測預警與防治是高校專業(yè)教學與煤礦工程實踐的重要內容。為實現(xiàn)高危復雜場景下對學生實踐能力的培養(yǎng)，采用虛擬仿真技術對煤礦煤巖沖擊動力災害教學實驗進行設計與實現(xiàn)。首先對實驗課程現(xiàn)狀進行了分析，其次結合課程教學質量標準對知識體系與操作流程進行了設計，最后采用虛擬仿真技術對理論知識與實踐操作的交互實驗系統(tǒng)進行實現(xiàn)，形成了具有學習場景沉浸式融入、監(jiān)測預警與防治全過程覆蓋、煤礦工程數(shù)據(jù)多場景接入等特點的煤礦煤巖沖擊動力災害虛擬仿真實驗系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)的構建可服務于課程教學以及礦業(yè)一流人才理論與實踐綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

［關鍵詞］ 沖擊動力災害；監(jiān)測預警；虛擬仿真實驗；一流本科課程

［基金項目］ 2021年度中國礦業(yè)大學研究生教育教學改革與研究實踐項目“基于多源融合的‘礦山災害防治理論與技術’課程教學改革與實踐”（2021Y02）；2024年度中國礦業(yè)大學教學研究項目“數(shù)智賦能驅動下礦業(yè)工程學科雙創(chuàng)教育改革與實踐”（2024SJ01）

［作者簡介］ 曹安業(yè)（1982—），男，江蘇鹽城人，博士，中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院教授，博士生導師，主要從事礦山動力災害與防控研究；劉耀琪（1995—），男，陜西神木人，中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院2020級采礦工程專業(yè)博士研究生（通信作者），研究方向為煤巖沖擊動力災害監(jiān)測預警及防控。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）52-0024-05 ［收稿日期］ 2024-04-26

引言

煤礦煤巖沖擊動力災害（又稱沖擊地壓）是煤炭開采過程中嚴重的動力災害之一，其監(jiān)測與防治是世界性難題［1］。沖擊地壓會摧毀井巷及設備，造成人員傷亡，還會誘發(fā)煤和瓦斯突出、瓦斯煤塵爆炸等次生災害，甚至造成地面建筑物破壞，嚴重影響煤礦企業(yè)安全生產管理［2］。我國煤礦沖擊地壓災害現(xiàn)狀嚴重，隨著開采深度的不斷增加和開采條件的復雜化，沖擊地壓礦井數(shù)量逐年上升，沖擊危險態(tài)勢不容樂觀［3］。黨中央、國務院領導同志高度重視煤礦沖擊地壓防治工作，多次做出重要批示，要求切實落實安全生產責任制，深入研究沖擊地壓災害源頭治理措施，加快災害隱患突出礦井淘汰關閉［4］。

理論研究和工程實踐是加強煤礦煤巖沖擊動力災害監(jiān)測防治的基礎，因此，學生在學習煤礦煤巖沖擊動力災害的同時，需要關注對災害機理的研究以及對工程實踐技術的掌握。然而，煤礦井下環(huán)境復雜，危險性大，很難在真實的生產場景中展開教學，并且沖擊動力災害演化地質尺度大，發(fā)生不可逆，難以在實驗室環(huán)境下展示。為了培養(yǎng)學生的實踐操作能力，加強學生對理論知識的應用能力，亟須研發(fā)新的教學實驗方法和技術手段。虛擬仿真技術結合虛擬現(xiàn)實、人機交互、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡通信等技術，可構建高仿真虛擬實驗場景和實驗對象［5］，可打破實驗過程中時空、地域、環(huán)境的限制，極大降低實驗成本，為滿足這一需求提供了有效且可行的途徑［6］。本文從情景融合、理論準備、實驗操作等方面將虛擬仿真技術與煤礦煤巖沖擊動力災害防治實驗教學深入結合，并結合建構主義學習理論，采用沉浸式理解、交互式操作激發(fā)學生學習興趣，目的是在安全環(huán)境實施煤礦煤巖動力災害理論及實踐教學，并深度培養(yǎng)學生的操作實踐及理論應用能力。

一、礦業(yè)類虛擬仿真課程建設的必要性

采礦工程專業(yè)的教學通常具有基礎理論與工程實踐的雙重側重性，因此實驗教學在本科人才培養(yǎng)過程中具有重要作用。在專業(yè)實驗教學中，根據(jù)畢業(yè)導向進行實驗教學課程設計及教學目標設置，可以有效提高學生解決復雜環(huán)境下困難工程問題的創(chuàng)新能力［7］。同時，針對學生不能很好地理解專業(yè)知識的情況，通過構建物理模型實驗和虛擬仿真實驗相結合的教學方式可以有效提升學生的知識理解水平［8］。按照新工科和工程教育認證的要求，不斷創(chuàng)新實驗教學體系，可以有效提升學生理論聯(lián)系實際的能力和創(chuàng)新能力，提高采礦工程專業(yè)人才適應行業(yè)企業(yè)發(fā)展的能力［9］。

傳統(tǒng)的采礦工程實驗教學存在高危、安全保障能力差、難以激發(fā)學生科研興趣等現(xiàn)象［10］，為了充分激發(fā)學生對實驗、科研的興趣，在高校積極推進實驗教學改革背景下，實驗類虛擬仿真技術的開發(fā)應用成為重要的發(fā)展方向。大量研究結合課程內容構建虛擬實驗，采用虛擬仿真實驗彌補了傳統(tǒng)實驗教學的不足，提高了理論學習、知識探索的趣味性［11］。針對煤礦環(huán)境下各類高危險［12-13］、高復雜度［14］場景，采用信息化手段構建虛擬仿真實驗以及虛擬仿真理論與實踐教學平臺，可以有效解決傳統(tǒng)實驗中存在的安全隱患和成本高昂等問題。

相比于傳統(tǒng)教學，虛擬仿真技術的優(yōu)勢在于沉浸式、交互式場景的構建，這也是建構主義情景教學理論實施的核心［15］。建構主義認為，知識是通過意義建構的方式而獲得的，具有“情境、協(xié)作、會話、意義建構”四大要素［16］。基于虛擬仿真技術的實驗教學為學生提供了沉浸式的情景，能夠使學生深入理解問題背景，對所解決問題的意義產生共情。引導式的實驗設計以及逐步遞進的知識體系呈現(xiàn)則為學生提供了有效的學習幫助與知識基礎。在此基礎上，學生通過全流程實驗探索理論知識應用于實踐的過程，最終實現(xiàn)知識目標、能力目標與情感目標的建構。

二、虛擬仿真實驗系統(tǒng)設計

煤礦煤巖沖擊動力災害防治是采礦工程類專業(yè)重點教學內容之一，其知識點涉及多門課程。包括“礦山壓力與巖層控制”專業(yè)主干課程中地下煤層開采引起的巖層破斷運動相關的采場礦壓顯現(xiàn)及其控制等理論、“采礦地球物理學基礎”課程中煤巖沖擊動力災害的地球物理場響應及災害的監(jiān)測預警技術與方法等。根據(jù)課程教學質量標準對知識點的教學要求，煤礦煤巖沖擊動力災害虛擬仿真實驗對模型機理、臺網(wǎng)定位、危險判識、卸壓防治等內容以微震監(jiān)測預警技術體系為實驗主體進行設計。

實驗課程共設計為兩個學時，根據(jù)理論課程進度在線上開展，學生可以通過個人電腦以及移動終端靈活開展實驗。線上實驗會與“巖層變形及巖體受力測試實驗”“綜采支架受力監(jiān)測實驗”等線下實驗協(xié)同開展，理論與實踐教學相互交融，共同推進。

實驗課程在形式上采用在線虛擬仿真技術進行實現(xiàn)，充分體現(xiàn)虛擬仿真技術的沉浸性、交互性，以及在線學習的靈活性。在內容設計上，實驗針對煤礦沖擊動力災害監(jiān)測預警防治技術體系，從地面到井下、從設備部署施工到數(shù)據(jù)采集分析、從監(jiān)測預警理論到災害防范治理，對該復雜系統(tǒng)進行了詳細的分解與再設計，實現(xiàn)了對學生從理論知識到工程應用再到理論分析的綜合能力培養(yǎng)與思維構建。

實驗課程涉及的分析數(shù)據(jù)均來源于煤礦企業(yè)的真實監(jiān)測數(shù)據(jù)，將煤巖沖擊動力災害監(jiān)測預警及防治前沿理論融入實驗過程，提高了學生在學習過程中的科研探索能力。同時，從理論到應用全過程一體化的實驗設計也對學生應用所學理論解決復雜問題的綜合能力提出更高的要求，學生需要在深入理解實驗原理的基礎上與具體應用場景融會貫通才能高質量完成實驗。

（一）知識體系

實驗通過場景仿真，實現(xiàn)學生對知識應用場景的理解和思考；對核心知識點設計虛擬仿真場景與知識講解學習資源，基于微震監(jiān)測技術設計災害監(jiān)測預警與防治全過程實驗，實現(xiàn)學生的知識交互；實驗系統(tǒng)對學生理論知識和實驗應用進行過程考核，促進學生知識體系的建構。

實驗在知識體系設計上，詳細分析了“礦山壓力與巖層控制”“采礦地球物理學基礎”等課程教學質量標準，對理論教學中礦壓顯現(xiàn)及其控制、煤巖體沖擊破壞機理、礦山開采誘發(fā)震動及特征、礦震監(jiān)測煤巖動力災害原理與技術等課程重難點內容進行分析。結合虛擬仿真技術對知識點進行形象化表達，分析考核點，設計交互實驗進行知識應用。

（二）實驗內容設計

總體設計思路有場景基礎、理論基礎、知識點與內容的構成對應關系。通過知識體系的分析，系統(tǒng)基于真實煤礦災害治理結構、采掘布局、監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及實際的沖擊動力災害監(jiān)測、預警、防治流程進行實驗系統(tǒng)設計。總體的實驗系統(tǒng)分為實驗簡介、場景仿真、理論知識、監(jiān)測預警、考核測試五個部分。實驗系統(tǒng)功能結構如圖1所示。

場景仿真部分，主要是讓學生結合地球物理基礎知識，通過典型煤礦總體結構了解沖擊動力災害孕育、發(fā)生、致災概況，結合巷道布置理解沖擊地壓發(fā)生高危區(qū)域，認識煤礦沖擊動力災害防治體系。在實驗方法上，本部分以觀察法為主，通過仿真環(huán)境漫游觀察讓學生理解沖擊動力災害發(fā)生的真實背景及現(xiàn)象特征。

理論知識部分，包括動靜載疊加原理、沖擊動力災害發(fā)生的條件、典型監(jiān)測預警技術以及防治方法。其中，沖擊動力災害發(fā)生條件從沖擊傾向性、采深條件、斷層構造、褶曲構造、煤層分岔及煤層厚度地質條件，以及開采速度、煤柱寬度、底煤留設等開采技術條件結合三維場景進行了直觀講解。在監(jiān)測預警技術中，對微震監(jiān)測、地音、應力在線與鉆屑法等技術進行講解考核。在災害防治方面，以三維場景仿真的方式，對煤層及頂?shù)装宓你@孔、爆破卸壓實施流程進行了詳細講解與考核設計。實驗過程結合語音講解、三維場景仿真、知識點考核，實現(xiàn)學生對理論知識全面生動的理解，并以此為基礎展開后面的監(jiān)測預警及防治實驗。在實驗方法上，本部分以觀察法、分類法為主，學生通過觀察仿真模型，理解各個因素對沖擊動力災害產生的影響，并對不同發(fā)生條件、不同預警及防治技術手段進行分類比較，思考各因素或技術手段的差異性、相關性以及優(yōu)劣性。

監(jiān)測預警部分，基于煤礦微震監(jiān)測預警的實際過程，建立了沖擊動力災害監(jiān)測預警全流程的虛擬仿真實驗。總體實驗分步驟、按流程實施，交互操作與理論學習相結合，依據(jù)典型場景構建數(shù)據(jù)集實現(xiàn)實驗過程的推演性。首先，通過系統(tǒng)部署讓學生認知微震監(jiān)測系統(tǒng)總體功能結構，進一步采用探頭布置、探頭安裝、標定炮設置，讓學生結合系統(tǒng)部署與功能實現(xiàn)，深入理解沖擊動力災害監(jiān)測預警技術原理。其次，根據(jù)煤礦特定生產地質場景接入監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實驗分析。實驗系統(tǒng)模擬仿真了煤礦實際生產中震動的發(fā)生過程、數(shù)據(jù)記錄形式，結合標波定位原理，實現(xiàn)震源數(shù)據(jù)的分析及區(qū)域危險性的評價。最后，根據(jù)評價結果，學生結合理論知識確定災害防治措施，并對措施執(zhí)行結果進行分析評價。在實驗方法上，本部分以觀察法、比較法、系統(tǒng)思維法為主。本部分在整體流程以及子流程上均具有結構及順序關系，因此需要學生形成系統(tǒng)性的思維模式，對系統(tǒng)部署、數(shù)據(jù)采集分析、分析判斷、措施選擇與實施進行綜合考慮，并結合理論知識進行參數(shù)選擇比較分析，根據(jù)輸出結果進行反饋總結，理解沖擊動力災害防治中“監(jiān)防互饋”的理念，并貫穿于總體實驗中。

考核測試部分，對理論知識以及實驗設計的全過程進行跟蹤評價，考查學生對理論知識的理解和應用水平。

三、虛擬仿真實驗系統(tǒng)實現(xiàn)

煤礦煤巖沖擊動力災害監(jiān)測預警虛擬仿真實驗系統(tǒng)的設計以場景融入為前提，以理論知識為基礎，以交互式實驗操作為核心，通過全過程跟蹤評價，實現(xiàn)對學生理論結合實踐能力的培養(yǎng)。對應實驗系統(tǒng)模塊結構分為場景仿真、理論知識、監(jiān)測預警、考核測試四個主體部分。

（一）場景仿真

場景仿真為學生實驗提供學習情境，通過構建煤礦生產管理場景、煤礦回采超前巷道、工作面、典型災害場景，讓學生對煤礦煤巖沖擊動力災害的產生環(huán)境、過程與結果形成直觀認識，進而對該類災害的監(jiān)測預警、防治、災后治理與公共安全管理產生思考。

（二）理論知識

理論知識部分從動靜載疊加原理、沖擊動力災害發(fā)生的地質條件與開采技術條件、典型監(jiān)測預警技術以及防治方法等方面對實驗進行了系統(tǒng)講解與考核。該部分一方面承接課堂理論講解內容，對重要知識點進行了可視化論述，另一方面為接下來的監(jiān)測預警提供理論基礎，使學生對理論知識點理解得更為深刻且提高了實踐應用能力。

（三）監(jiān)測預警

監(jiān)測預警模塊是沖擊動力災害虛擬仿真實驗的主體部分，基于微震監(jiān)測技術，實驗從系統(tǒng)部署到數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、分析判斷，以及確定防治措施并進行效果檢驗的工程實際總體流程進行了內容設計，通過監(jiān)測預警與防治全流程的實驗仿真，對理論知識進行了綜合設計與應用。

該部分實驗在設計上將流程性與多分支相結合，在流程性上，實驗涵蓋從系統(tǒng)部署、震源及波形產生、標波定位、分析判斷、防治措施到最終的效果檢驗的全過程，讓學生結合煤礦沖擊動力災害治理全過程進行理論學習與知識應用。在多分支方面，實驗模擬了四類典型沖擊動力災害產生場景，所有場景數(shù)據(jù)均來自科研團隊所服務煤礦企業(yè)的實際工程數(shù)據(jù)，包括：工作面初次來壓、工作面一次見方、工作面臨近斷層以及工作面臨近褶曲，學生可隨機選擇一類場景接入后續(xù)實驗數(shù)據(jù)進行分析，提高實驗流程及結果的多樣性。

（四）考核測試

在前面各部分完成整體實驗過程后，系統(tǒng)會根據(jù)實驗流程中用戶各步驟操作情況進行判斷評價，根據(jù)過程考核的結果，自動形成實驗評價。

四、實驗課程建設成效

實驗課程當前已經上線國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺，與校內課程協(xié)同面向學校礦業(yè)類專業(yè)本科及研究生開放。實驗課程同步在各礦業(yè)類高校以及礦山企業(yè)推廣應用，在理論研究以及工程應用方面對于煤礦企業(yè)具有重要安全生產培訓、技術應用價值，課程共享應用實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖2所示。

結語

煤礦煤巖沖擊動力災害監(jiān)測預警與防治具有重要的理論研究意義與工程實踐應用需求，由于教學的實際需求以及現(xiàn)場實驗的不可行性，本文提出采用虛擬仿真技術進行實驗操作教學。在對課程知識分析的基礎上，對實驗進行設計，結合建構主義理念，將實驗從情景引入到理論學習，再到交互仿真，實現(xiàn)煤礦煤巖沖擊動力災害監(jiān)測、預警與防治全過程設計。實驗的理論基礎涵蓋“礦山壓力與巖層控制”“采礦地球物理學基礎”等課程的相關核心知識點；實驗內容覆蓋井下數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析存儲、預警判識、防治措施制定與實施，以及效果評價等整體工作流程，流程內容貼近現(xiàn)場實際；實驗以煤礦實際災害防治數(shù)據(jù)為基礎，構建沖擊動力災害監(jiān)測預警與防治多實驗場景，提升學生分析設計能力；系統(tǒng)跟蹤學生實驗過程，從理論知識點考查、交互操作正確性、決策設計合理性等方面進行全過程自動評價，準確反饋實驗學習效果，最終保障煤礦煤巖沖擊動力災害監(jiān)測預警與防治理論教學與實踐教學的深入融合。

參考文獻

［1］劉耀琪，曹安業(yè)，王崧瑋，等.基于微震群震動波能量衰減特性的沖擊地壓危險預測方法［J］.煤炭學報，2022，47（4）：1523-1533.

［2］竇林名，何學秋.采礦地球物理學［M］.北京：中國科學文化出版社，2002：5-11.

［3］齊慶新，李一哲，趙善坤，等.我國煤礦沖擊地壓發(fā)展70年：理論與技術體系的建立與思考［J］.煤炭科學技術，2019，47（9）：1-40.

［4］關于加強煤礦沖擊地壓源頭治理的通知：發(fā)改能源〔2019〕764號［A/OL］.（2019-04-29）［2024-03-15］.https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2019-09/29/content_5434893.htm.

［5］高志強，王曉敏，閆晉文，等.我國虛擬仿真實驗教學項目建設的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)［J］.實驗技術與管理，2020，37（7）：5-9+14.

［6］何秋會，陳安東，王牧天，等.系外行星大氣光譜探測虛擬仿真實驗系統(tǒng)［J］.南京大學學報（自然科學），2023，59（6）：1085-1096.

［7］張源，萬志軍，嚴紅，等.基于OBE理念的采礦工程專業(yè)實驗教學體系構建［J］.高教學刊，2020（10）：82-87.

［8］陳見行，劉鵬，張村.采礦概論B實驗教學方式探索［J］.高教學刊，2022，8（26）：76-79+83.

［9］李新旺，凌向陽，孫利輝，等.“實驗—實訓—實戰(zhàn)”漸進式全過程實踐和創(chuàng)新教學體系的構建：以采礦工程專業(yè)為例［J］.河北工程大學學報（社會科學版），2022，39（2）：110-115.

［10］薛黎明，劉威，侯運炳，等.構建“采礦工程”虛擬仿真實驗室實驗教學體系研究［J］.教育教學論壇，2020（23）：389-390.

［11］姚旭龍，孫光華，張亞賓.虛擬仿真實驗教學資源建設與探索：以采礦工程巖石力學實驗室為例［J］.教育教學論壇，2020（52）：385-386.

［12］何書建，李曉偉.基于虛擬仿真的煤巷掘進工作面綜合防突實驗系統(tǒng)的構建［J］.實驗技術與管理，2021，38（3）：136-140.

［13］王恩元，王亮，徐劍坤，等.高瓦斯突出煤層石門安全揭煤虛擬仿真實驗建設［J］.實驗室研究與探索，2022，41（2）：176-180.

［14］裴曉東，王亮，孫勇，等.基于虛擬現(xiàn)實的通風參數(shù)測定實訓系統(tǒng)設計與開發(fā)［J］.金屬礦山，2022（8）：190-195.

［15］賴宇.跨媒體教學：虛擬仿真技術在影視傳媒實踐教學中的應用研究［J］.實驗科學與技術，2021，19（2）：106-110.

［16］蔡寅亮.建構主義教學理論的中國化研究［D］.天津：天津師范大學，2013.

Design of Virtual Simulation Experiment for Monitoring and Early Warning of Impact Dynamic Disasters in Coal Mines

CAO An-ye， LI Xiao-lin， LIU Yao-qi， DOU Lin-ming

（School of Mines， China University of Mining and Technology， Xuzhou， Jiangsu 221116， China）

Abstract： The monitoring， warning， and prevention of major impact dynamic disasters in coal mines is an important content of professional teaching and mining engineering practice in colleges and universities. To enhance students’ practical skills in high-risk and complex scenarios， this paper employs virtual simulation technology to design and execute a teaching experiment on the major impact dynamic disasters in coal mines. Firstly， the current state of the experiment was analyzed. Then， in accordance with the quality standards of the course， the knowledge system and the operation process were designed. Finally， a virtual simulation experimental system for both theoretical knowledge and practical operation was created using virtual simulation technology. The virtual simulation experimental system features immersive learning scenarios， full-process monitoring， warning and prevention coverage， and multi-scene access to coal mine engineering data. The construction of this experimental system can serve the teaching of the course as well as the cultivation of the comprehensive innovation ability in theory and practice of the first-class talents in the mining engineering.

Key words： impact dynamic disaster; monitoring and early warning; virtual simulation experiment; first-class undergraduate program