采礦工程虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的探索研究

楊長(zhǎng)德 張偉光 李金波 李彥強(qiáng)

摘 要：針對(duì)采礦工程專業(yè)，基于煤礦開采學(xué)目前的實(shí)踐教學(xué)體系，分析了煤礦開采學(xué)在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)習(xí)系統(tǒng)兩方面的探索應(yīng)用，表明虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可有效的改善實(shí)踐教學(xué)中的問(wèn)題，在煤礦開采學(xué)實(shí)踐教學(xué)中發(fā)揮重要的作用。

關(guān)鍵詞：煤礦開采學(xué)；采礦工程；虛擬仿真；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(shí)代發(fā)展需要的新型礦山專業(yè)技術(shù)與管理人才的一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在采礦工程教學(xué)體系中尤為重要。然而，由于受到人力、物力、財(cái)力和現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，無(wú)論是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)還是校外實(shí)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)都存在一定的弊端，比如室內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴、維護(hù)費(fèi)用高、實(shí)驗(yàn)周期相對(duì)較長(zhǎng)，采礦實(shí)習(xí)現(xiàn)場(chǎng)安全性較差、食宿難解決等問(wèn)題[1-4]。

進(jìn)入21世紀(jì)，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)，尤其是高危行業(yè)高校教育和職業(yè)培訓(xùn)當(dāng)中[5]。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)等高校建成了采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心并應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)和輔助理論教學(xué)當(dāng)中[6，7]。馬文頂[7]研究并總結(jié)采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在應(yīng)用中總結(jié)了一套以常規(guī)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，輔助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和井下實(shí)景實(shí)驗(yàn)“三位一體”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。解盤石[8]針對(duì)巖石力學(xué)特性、巷道與采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，利用多種數(shù)值仿真方法模擬研究，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)、可視化。張?jiān)碵9]分析了礦山壓力與巖層控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)一套 “礦山壓力與巖層移動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”將仿真技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，旨在改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

“煤礦開采學(xué)”是采礦工程專業(yè)的必修核心課程，其中，采煤方法、準(zhǔn)備方式及采區(qū)設(shè)計(jì)、井田開拓及礦井開采設(shè)計(jì)、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(gè)復(fù)雜的多維生產(chǎn)系統(tǒng)，在傳統(tǒng)理論教學(xué)中，受個(gè)人的空間想象力限制，學(xué)生僅靠教材文字和片、教師語(yǔ)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(jué)。因此，采礦工程教學(xué)體系中需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)習(xí)教學(xué)兩大環(huán)節(jié)幫助學(xué)生理解理論知識(shí)和加強(qiáng)實(shí)踐能力。但是在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)習(xí)過(guò)程中又存在諸多問(wèn)題，本文以新疆工程學(xué)院采礦工程專業(yè)煤礦開采學(xué)實(shí)踐教學(xué)為例，探討虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用，旨在改革實(shí)踐教學(xué)方式，改善實(shí)踐教學(xué)效果。

一、煤礦開采學(xué)實(shí)踐教學(xué)體系

“煤礦開采學(xué)”課程是采礦工程專業(yè)的主干核心課程，主要介紹了我國(guó)采煤方法和采煤工藝的發(fā)展歷程，要求學(xué)生掌握常用的采煤方法與采煤工藝，能夠針對(duì)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(shè)計(jì)中，能夠根據(jù)給出的地質(zhì)條件獨(dú)立完成礦井設(shè)計(jì)。

目前，該課程的主要教學(xué)環(huán)節(jié)是64學(xué)時(shí)的課堂教學(xué)。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)由兩部分組成：（1）實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)；（2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)（認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)）。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)如圖1所示。

從圖1中可以看出，煤礦開采學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)項(xiàng)目較多。通常實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采用參觀模型的方法，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備年限較長(zhǎng)，老化嚴(yán)重，很多設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)中需要理論知識(shí)與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)相結(jié)合，實(shí)習(xí)天數(shù)無(wú)法保證便很難完成實(shí)習(xí)任務(wù)，且某一礦的采煤方法和采煤工藝單一，實(shí)習(xí)期間無(wú)法了解更多的采煤方法與采煤工藝。

二、煤礦開采學(xué)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題

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

1. 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊，與煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的設(shè)備脫節(jié)嚴(yán)重，且不同采煤方法和采煤工藝的設(shè)備不同，如需全部購(gòu)買，耗費(fèi)的財(cái)力太大，并且設(shè)備占地面積大，室內(nèi)模擬困難。

2. 與我校簽訂的實(shí)習(xí)基地具備井下參觀學(xué)習(xí)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(xué)生的條件，并且實(shí)習(xí)路途遙遠(yuǎn)，往返費(fèi)用高，長(zhǎng)期以來(lái)實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)不足，實(shí)習(xí)期間每生每天6元，不能維持為期2周認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，4周生產(chǎn)實(shí)習(xí)，4周畢業(yè)實(shí)習(xí)的正常教學(xué)環(huán)節(jié)，因此，通?？s短實(shí)習(xí)時(shí)間。

3. 煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，礦方不愿接受大量學(xué)生實(shí)習(xí)。

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

5. 實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)常集中在學(xué)期初或?qū)W期末，對(duì)課堂教學(xué)過(guò)程中理論與實(shí)踐相結(jié)合不利。

鑒于以上情況，目前采礦工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)中存在比較突出的問(wèn)題。虛擬仿真技術(shù)的可視化、可重復(fù)性可有效的解決理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中的諸多問(wèn)題，因此，應(yīng)用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，真實(shí)地反映復(fù)雜的礦井生產(chǎn)系統(tǒng)，為學(xué)生營(yíng)造自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，采用創(chuàng)新的教學(xué)模式改善優(yōu)化實(shí)踐實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)就勢(shì)在必行。

三、虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用

煤礦開采學(xué)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)涵蓋采礦工程主干專業(yè)課“煤礦開采學(xué)”內(nèi)容，知識(shí)體系全面，內(nèi)容豐富；寓教于樂(lè)，使學(xué)生在輕松、愉悅的環(huán)境下接受知識(shí)，借助多媒體技術(shù)，通過(guò)交互式的三維互動(dòng)場(chǎng)景，將復(fù)雜難懂的知識(shí)點(diǎn)生動(dòng)形象的展示出來(lái)，系統(tǒng)可單機(jī)配備，也可通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)訪問(wèn)。該系統(tǒng)主要包括實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)習(xí)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠滿足學(xué)校對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，使學(xué)生養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣，實(shí)習(xí)系統(tǒng)滿足學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的認(rèn)知、實(shí)習(xí)了解。

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠使學(xué)生通過(guò)互動(dòng)操作相應(yīng)設(shè)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(guò)程，完成主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)習(xí)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的參觀學(xué)習(xí)。以爆破掘進(jìn)巷道為例，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)手段為觀看炮眼布置示意圖和模型，無(wú)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(jìn)工作面炮眼布置三視圖、爆破說(shuō)明書、裝藥結(jié)構(gòu)圖、工作面圖紙。工作面圖紙中預(yù)設(shè)了拱形巷道、梯形巷道、矩形巷道等幾種常見(jiàn)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(jìn)行掘進(jìn)。通過(guò)查看炮眼布置圖和爆破說(shuō)明書，選擇合理的鉆孔機(jī)具進(jìn)行鉆孔，按照步驟提示模擬炮眼鉆孔過(guò)程，完成“鉆孔”工序。根據(jù)設(shè)定的均質(zhì)煤層條件，依據(jù)裝藥結(jié)構(gòu)圖學(xué)習(xí)周邊眼、輔助眼、掏槽眼的裝藥量。圖3（b）中，詳細(xì)演示了鉆孔完畢后裝藥、清孔、封孔、敷設(shè)母線以及爆破前的檢查等各項(xiàng)工序。通過(guò)該系統(tǒng)可清晰直觀的演示巷道掘進(jìn)爆破工藝，實(shí)現(xiàn)教學(xué)中無(wú)法演示的環(huán)節(jié)。

（二）實(shí)習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬仿真實(shí)習(xí)系統(tǒng)，可解決學(xué)院安排實(shí)習(xí)難的問(wèn)題。按煤礦開采學(xué)教學(xué)大綱要求，以三維場(chǎng)景全面的講述從煤礦井田劃分和采煤準(zhǔn)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(yǔ)音解說(shuō)，對(duì)各種數(shù)字模型進(jìn)行放大、縮小、平移等細(xì)節(jié)查看，使學(xué)生可自主學(xué)習(xí)。實(shí)習(xí)系統(tǒng)中主要涵蓋采煤方法、采煤工藝、開拓系統(tǒng)、準(zhǔn)備方式等幾大模塊。以采煤方法實(shí)習(xí)為例，通?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)學(xué)生按組分配在不同的礦井，每組學(xué)生接觸的采煤方法只有該礦采用的采煤方法，對(duì)其他采煤方法無(wú)法親身體驗(yàn)，從而限制專業(yè)認(rèn)知。如圖4所示，該系統(tǒng)預(yù)設(shè)了目前全國(guó)范圍內(nèi)常見(jiàn)的七種采煤方法，學(xué)生可通過(guò)該系統(tǒng)學(xué)習(xí)不同礦區(qū)的采煤方法，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)學(xué)習(xí)領(lǐng)會(huì)。

圖5中演示了綜采工作面采煤機(jī)割煤以及液壓支架移架工序。因考慮學(xué)生人身安全，通常在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)中這兩道工序?qū)W生都無(wú)法親身經(jīng)歷。通過(guò)該系統(tǒng)仿真試驗(yàn)學(xué)生可操控采煤機(jī)模型模擬進(jìn)刀（推入法進(jìn)刀、端部斜切進(jìn)刀、中部斜切進(jìn)刀、鉆入法進(jìn)刀）、滾筒調(diào)節(jié)、刮板輸送機(jī)運(yùn)煤等環(huán)節(jié)，較真實(shí)的體驗(yàn)采煤機(jī)割煤及刮板輸送機(jī)運(yùn)煤過(guò)程。通過(guò)操控液壓支架模型可模擬液壓支架的工況運(yùn)行，可以直觀學(xué)習(xí)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(guò)操控液壓支架與刮板輸送機(jī)完成單架依次順序式、分組間隔交錯(cuò)式、成組整體順序式三種移架方式的學(xué)習(xí)。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析煤礦開采學(xué)實(shí)踐教學(xué)體系以及實(shí)踐教學(xué)中存在的諸多問(wèn)題，認(rèn)為虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)對(duì)于采礦工程專業(yè)至關(guān)重要。將虛擬仿真教學(xué)體系引入可彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的不足，不但能豐富教學(xué)內(nèi)容，更重要的是可以解決目前實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)中的諸多問(wèn)題，同時(shí)可以形象直觀的讓學(xué)生接觸更多的采礦知識(shí)。虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)是科技時(shí)代下教學(xué)的重要方式，可以預(yù)見(jiàn)，也是未來(lái)教學(xué)的必然趨勢(shì)。

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