支撐一流學(xué)科建設(shè)的采礦模型實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索

楊勝利， 楊 杰

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院， 北京 100083；2. 放頂煤開(kāi)采煤炭行業(yè)工程研究中心，北京 100083； 3. 共伴生能源精準(zhǔn)開(kāi)采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)采礦工程被評(píng)為第一批“雙一流”建設(shè)學(xué)科，對(duì)采礦學(xué)科發(fā)展而言，既是新的歷史機(jī)遇，同時(shí)也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[1]。一流學(xué)科有兩個(gè)標(biāo)志，一是擁有一流科研，產(chǎn)出一流學(xué)術(shù)成果；二是有一流的教學(xué)，培養(yǎng)出一流的人才[2]。世界一流學(xué)科又必定要求建設(shè)與其相匹配的世界一流實(shí)驗(yàn)室[3]，既包括科研實(shí)驗(yàn)室，也包括教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。而采礦模型實(shí)驗(yàn)室作為采礦工程實(shí)驗(yàn)室的重要組成部分，同樣需要達(dá)到世界一流水平。采礦工程也是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的工程學(xué)科，它主要講授固體(煤、金屬及非金屬)礦床開(kāi)采的基本理論和方法，使學(xué)生熟悉并掌握礦區(qū)規(guī)劃、礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)、巖層控制技術(shù)、礦山安全技術(shù)及工程設(shè)計(jì)方面的基本知識(shí)[4]。

能源或資源的賦存條件千差萬(wàn)別，要求的開(kāi)采技術(shù)、面臨的技術(shù)難題都不同，這決定了采礦工程具有實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)[5]。學(xué)生在傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中對(duì)這種實(shí)踐性活動(dòng)認(rèn)識(shí)有限，而采礦模型展示可以充分模擬采礦各個(gè)環(huán)節(jié)，便于學(xué)生理解、認(rèn)知和掌握；采礦模型實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)要求實(shí)驗(yàn)室模型必須滿足采礦方法及工藝展示齊全、智能自動(dòng)化程度高、便于講解、操作簡(jiǎn)單和運(yùn)行可靠等要求[6]。

1 煤礦開(kāi)采綜合模型

煤炭資源一直以來(lái)在一次能源的比例都超過(guò)63%，而且今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間預(yù)計(jì)也不會(huì)低于50%[7]。煤礦開(kāi)采主要分為井工和露天開(kāi)采，我國(guó)井工開(kāi)采量占煤炭開(kāi)采總量的88%左右，露天開(kāi)采占12%左右。隨著一批大型露天礦的建設(shè)，露天開(kāi)采所占的比例在“十三五”后預(yù)計(jì)會(huì)增加到15%。井工開(kāi)采主要分為壁式體系和柱式體系采煤法，其中壁式體系占90%以上。壁式體系采煤法作為我國(guó)最為常見(jiàn)的采煤方法，已經(jīng)形成了完備的工藝，尤以長(zhǎng)臂采煤法最為成熟，而房柱式開(kāi)采由于采出率低，國(guó)內(nèi)較少應(yīng)用。

為了最大限度地節(jié)省空間，將露天和井工開(kāi)采設(shè)計(jì)布置在同一個(gè)模型中，在地表進(jìn)行露天開(kāi)采，在深部進(jìn)行井工開(kāi)采。井工部分實(shí)體模型包括：井田開(kāi)拓、井巷工程與支護(hù)、準(zhǔn)備方式、采煤工藝及回采巷道的布置、房柱式開(kāi)采巷道布置、礦井通風(fēng)與安全、礦山壓力及控制、礦井運(yùn)輸與提升、礦井地面生產(chǎn)系統(tǒng)及工業(yè)場(chǎng)地、選礦廠及設(shè)備布置、煤炭地下氣化、瓦斯抽采(地表與井下)、常見(jiàn)硐室等方面。露天開(kāi)采實(shí)體模型部分包括：剝巖、采場(chǎng)布置、常見(jiàn)落煤和運(yùn)煤方式、排土場(chǎng)形式、邊坡加固與治理技術(shù)等內(nèi)容，見(jiàn)圖1(a)。煤礦開(kāi)采實(shí)體模型部分運(yùn)用了聲、光、電高科技材料與手段，將煤礦地面建筑物及設(shè)施、井下生產(chǎn)系統(tǒng)與設(shè)施準(zhǔn)確形象地仿真模擬出來(lái)，并采用多種剖視方法，完整體現(xiàn)井下開(kāi)拓及采準(zhǔn)巷道的布置。模型的規(guī)格尺寸：12 000 mm×3 500 mm×2 400 mm，見(jiàn)圖1(b)。

圖1 煤礦開(kāi)采綜合模型(井工、露天)實(shí)物部分

煤礦開(kāi)采綜合模型可以連接到生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)度系統(tǒng)操控各個(gè)設(shè)備模型和系統(tǒng)線路光電開(kāi)關(guān)，并在由8塊32寸液晶顯示屏組成的大屏幕上展示相應(yīng)環(huán)節(jié)路線，使得井下各系統(tǒng)各設(shè)備實(shí)現(xiàn)了可視化模擬操控。生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并可以通過(guò)切換分別顯示井工和露天開(kāi)采內(nèi)容；通過(guò)預(yù)留的接口，可以遠(yuǎn)程連接生產(chǎn)礦井的實(shí)際生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)，展示大屏幕尺寸為2 m×4 m，見(jiàn)圖2。控制主機(jī)配置了綜采、大采高、放頂煤、炮采、普采、房柱式、露天礦開(kāi)采3D教學(xué)視頻，模擬演示巷道布置與采礦工藝，配合教學(xué)使用。

圖2 煤礦開(kāi)采綜合模型模擬調(diào)度系統(tǒng)

該模型主要功能如下：模擬演示立井施工、平巷施工、掘進(jìn)施工的工藝過(guò)程；光電模擬演示礦井采、掘、機(jī)、運(yùn)、通系統(tǒng)；演示露天開(kāi)采的鉆孔、采裝、運(yùn)輸、排土、排卸各工藝的設(shè)備布置及工作原理；3D模擬演示綜采、大采高、放頂煤、炮采、普采、房柱式、露天礦開(kāi)采采礦工藝；地面工業(yè)廣場(chǎng)電動(dòng)升降等。

2 金屬礦地下開(kāi)采綜合模型

由于金屬礦山的資源有限，淺部資源逐漸枯竭，地下開(kāi)采應(yīng)用越來(lái)越廣泛[8]。同煤礦開(kāi)采一樣，單純地通過(guò)教材很難將復(fù)雜的金屬礦山的整個(gè)系統(tǒng)和采礦方法講清楚。因此，金屬礦地下開(kāi)采綜合模型的設(shè)立十分必要。

該模型按現(xiàn)代化礦井設(shè)計(jì)制作，并根據(jù)教學(xué)要求，綜合了多種開(kāi)拓方式與采礦方法、常見(jiàn)硐室，采用現(xiàn)代材料與聲、光、電等高科技手段，將礦井地面生產(chǎn)系統(tǒng)及設(shè)施、井下生產(chǎn)系統(tǒng)及設(shè)施形象展現(xiàn)，完整的開(kāi)拓系統(tǒng)與采準(zhǔn)系統(tǒng)展示了井下采、掘、機(jī)、運(yùn)、通的生產(chǎn)工藝及地下開(kāi)采的全貌。規(guī)格尺寸:10 000 mm×2 600 mm×2 000 mm，見(jiàn)圖3。

圖3 金屬礦地下開(kāi)采綜合模型

模型展示的主要內(nèi)容包括地面工業(yè)廣場(chǎng)、充填材料制備、尾礦濃密脫水系統(tǒng)、塌陷區(qū)復(fù)墾與治理。開(kāi)拓方式包括：豎井開(kāi)拓、平硐開(kāi)拓、豎井斜井聯(lián)合開(kāi)拓、斜坡道開(kāi)拓等。

采礦方法包括全面采礦法、房柱式采礦法、淺孔留礦采礦法、垂直深孔階段礦房采礦法、上向水平分層充填采礦法、有底柱分段崩落采礦法、無(wú)底柱分段崩落采礦法、分層崩落法、方框支架充填采礦法、溶浸采礦法、嗣后充填采礦法等，總計(jì)11種。

3 開(kāi)拓與準(zhǔn)備、回采以及災(zāi)害模型

采礦工程作為一門(mén)系統(tǒng)性工程，由眾多系統(tǒng)構(gòu)成，而每部分系統(tǒng)都關(guān)系著礦井整體的安全高效生產(chǎn)，缺一不可。由于我國(guó)煤礦開(kāi)采以地下開(kāi)采為主，因而以煤礦地下開(kāi)采為背景，進(jìn)一步展示和細(xì)化開(kāi)拓、準(zhǔn)備、開(kāi)采方法和巷道掘進(jìn)與支護(hù)系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)通過(guò)模型展示可以使學(xué)生細(xì)致了解煤礦各個(gè)組成部分及功能。

3.1 開(kāi)拓與準(zhǔn)備綜合模型

開(kāi)拓系統(tǒng)綜合模型由地面、井下兩大部分組成，主要按井筒形式對(duì)開(kāi)拓方式進(jìn)行了分類(lèi)，能完整顯示平硐、豎井、斜井開(kāi)拓、聯(lián)合開(kāi)拓系統(tǒng)、井底車(chē)場(chǎng)等。準(zhǔn)備巷道的布置方式稱(chēng)準(zhǔn)備方式。合理的準(zhǔn)備方式，一般要在技術(shù)可行的多種準(zhǔn)備方式中進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較后才能確定。準(zhǔn)備方式直接關(guān)系著工作面和礦井的生產(chǎn)效果。

該綜合模型立體顯示井下各系統(tǒng)的空間位置關(guān)系，著重表現(xiàn)開(kāi)拓系統(tǒng)與采掘工作面的相對(duì)位置與銜接關(guān)系。并展示采區(qū)、盤(pán)區(qū)、帶區(qū)、條帶開(kāi)采四種準(zhǔn)備形式，能完整顯示準(zhǔn)備巷道的條數(shù)、空間位置，并顯示近距離煤層群聯(lián)合準(zhǔn)備巷道布置。光、電模擬顯示全礦井通風(fēng)系統(tǒng)。模型的規(guī)格尺寸：4 200 mm×1 400 mm×1 800 mm，見(jiàn)圖4。

圖4 開(kāi)拓與準(zhǔn)備系統(tǒng)綜合模型

3.2 采煤方法綜合模型

采煤方法是指采煤系統(tǒng)與采煤工藝的綜合及其在時(shí)間、空間上的相互配合。而采煤系統(tǒng)是指采區(qū)內(nèi)的巷道布置系統(tǒng)以及為了正常生產(chǎn)而建立的采區(qū)內(nèi)用于運(yùn)輸、通風(fēng)等目的的生產(chǎn)系統(tǒng)，通常是一系列準(zhǔn)備巷道和回采巷道構(gòu)成的。由于煤層的自然賦存條件和采用的采煤機(jī)械不同，完成采煤工作各道工序的方法也就不同，在進(jìn)行的順序、時(shí)間和空間上必須有規(guī)律地加以安排和配合。這種在采煤工作面內(nèi)各道工序按照一定順序完成的方法及其配合成為采煤工藝。

由于采煤方法種類(lèi)繁多[9]，而通過(guò)采煤方法模型不僅能夠詳細(xì)觀察到采煤工作面內(nèi)部開(kāi)采流程(采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架三機(jī)配套，可操控設(shè)備自行運(yùn)轉(zhuǎn)),見(jiàn)圖5(a)，以及煤炭運(yùn)輸流程(刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶輸送機(jī))，見(jiàn)圖5(b)、5(c)，還能認(rèn)識(shí)到不同采煤方法的區(qū)別與特征，見(jiàn)圖5(d)、5(e)。該模型包括：綜合機(jī)械化采煤方法、大采高采煤方法、放頂煤采煤方法、普通機(jī)械化采煤法、房柱式采煤法、錯(cuò)層位采煤法、水平分段放頂煤法、柔性掩護(hù)支架采煤法、充填開(kāi)采、薄煤層無(wú)人化開(kāi)采等。該系統(tǒng)詳細(xì)顯示不同采煤方法回采巷道布置、采煤裝備、開(kāi)采工藝等內(nèi)容。光、電模擬顯示不同采煤方法生產(chǎn)、運(yùn)輸、通風(fēng)、材料、行人、瓦斯抽放等系統(tǒng)。規(guī)格尺寸：6 000 mm×1 800 mm×2 000 mm，見(jiàn)圖5。

圖5 采煤方法綜合模型

3.3 巷道掘進(jìn)與支護(hù)綜合模型

煤礦巷道掘進(jìn)分為巖巷和煤巷掘進(jìn)。巷道斷面可分矩形、梯形及各類(lèi)拱形等，見(jiàn)圖6(a)、6(b)。巖巷掘進(jìn)是一個(gè)多工序交替過(guò)程，主要由破巖、裝運(yùn)和支護(hù)三大工序組成。該模型包括巖巷和煤巷的掘進(jìn)與支護(hù)。巖巷掘進(jìn)模型包括：巷道斷面形式、爆破鉆孔布置、爆破工藝、裝巖裝備、運(yùn)輸形式與裝備等。煤巷掘進(jìn)模型包括：巷道斷面形式、破煤裝備與工藝、裝煤形式與裝備、運(yùn)輸形式與裝備、探放水鉆孔布置、通風(fēng)方式與裝備、瓦斯抽放等。支護(hù)模型包括：支護(hù)形式、支護(hù)材料、支護(hù)參數(shù)，以及支護(hù)機(jī)具。機(jī)具還包括鑿巖臺(tái)車(chē)、硬巖掘進(jìn)機(jī)、連采機(jī)、盾構(gòu)、掘錨機(jī)。模型規(guī)格尺寸：3 600 mm×1 000 mm×1 500 mm，見(jiàn)圖6。

以上開(kāi)拓、準(zhǔn)備、回采、掘進(jìn)模型的開(kāi)關(guān)及操作流程調(diào)用都可以通過(guò)觸摸顯示屏系統(tǒng)進(jìn)行操作。

3.4 災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治模型

煤礦5大自然災(zāi)害是指瓦斯、煤塵、水、火和頂板災(zāi)害[10]。瓦斯是指井下各種有毒、易燃易爆的氣體；煤塵是指能爆炸的煤塵和濃度達(dá)到可以導(dǎo)致塵肺的煤塵；水是指可以導(dǎo)致煤礦淹井或出現(xiàn)人員傷亡的涌水或透水；火是泛指井下發(fā)生的各種火災(zāi)；頂板災(zāi)害是指煤礦巷道或采區(qū)頂上的巖層發(fā)生的各種垮塌或冒落事故。煤礦災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治直接關(guān)系到井下工作人員的生命安全，而通過(guò)此模型可以將各種災(zāi)害直觀展現(xiàn)，從而更加便于理解災(zāi)害原理。該模型包括煤礦開(kāi)采過(guò)程中常見(jiàn)災(zāi)害的預(yù)測(cè)與防治，包括工作面頂板大面積來(lái)壓、沖擊地壓、礦井突水、煤與瓦斯突出、地表沉陷與巖層移動(dòng)等。該模型可以展示不同災(zāi)害形式發(fā)生的機(jī)理與常見(jiàn)防治措施等，以及光、電模擬顯示不同災(zāi)害形式的預(yù)測(cè)與防治。模型規(guī)格尺寸：3 000 mm×1 600 mm×1 500 mm，見(jiàn)圖7。

圖6 巷道掘進(jìn)與支護(hù)綜合模型

圖7 災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治模型

4 采礦新技術(shù)

采礦新技術(shù)包括月球采礦、地下水庫(kù)、煤炭地下氣化、海洋采礦等，是未來(lái)采礦發(fā)展的方向。

4.1 月球采礦

月球作為人類(lèi)的共同財(cái)產(chǎn)，大力發(fā)展月球采礦不僅符合國(guó)家能源戰(zhàn)略，更是應(yīng)對(duì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)[11]的保障。模型用月球一塊陸地作為采礦平臺(tái)，建立太陽(yáng)能發(fā)電站，仿真制作運(yùn)輸車(chē)、礦倉(cāng)、鑿巖機(jī)等模型，模擬演示月球采礦工藝。采礦平臺(tái)采用泡沫板、紗布、乳白膠等材料仿照月球表面設(shè)計(jì)制作，采礦機(jī)械采用有機(jī)玻璃、ABS板等材料仿真制作，模擬演示露天采場(chǎng)采礦工藝，該模型可以模擬演示月球采礦的采礦工藝，仿真演示月球的地表環(huán)境，并演示月球地表露天采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置等，見(jiàn)圖8。

圖8 采礦新技術(shù)模型

4.2 煤炭地下氣化

煤炭地下氣化是將處于地下的煤炭進(jìn)行有控制地燃燒，通過(guò)對(duì)煤的熱作用及化學(xué)作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過(guò)程。煤炭地下氣化燃燒后的灰渣留在地下，采用充填技術(shù)，大大減少了地表下沉和無(wú)固體物質(zhì)排放，因此煤炭地下氣化減少了地面環(huán)境的破壞，這是其他潔凈煤技術(shù)無(wú)法比擬的。地下氣化煤氣可以集中凈化，脫除焦油、硫和粉塵等其他有害物質(zhì)，甚至可降CO。經(jīng)地面變換后，采用分離技術(shù)將CO2分離出來(lái)儲(chǔ)存或作其他用途，從而得到潔凈煤氣，因此，地下氣化技術(shù)有利于解決大氣污染問(wèn)題。

模型按照有井式煤炭氣化設(shè)計(jì)制作，分為地面和井下兩部分組成。地面部分包括儲(chǔ)氣罐、氣化站、運(yùn)輸管道等，井下部分包括氣體運(yùn)輸管道、除塵器、巷道系統(tǒng)、脫硫裝置等。模型本體采用鋼結(jié)構(gòu)，模型部分采用高檔有機(jī)玻璃，電腦雕刻，仿真制作，各管線和氣體光電模擬，動(dòng)態(tài)演示。該模型可以模擬煤炭地下氣化的結(jié)構(gòu)組成，光電演示煤炭地下氣化的氣體運(yùn)輸路線，見(jiàn)圖8。

4.3 地下水庫(kù)

煤礦開(kāi)采會(huì)對(duì)地下水系統(tǒng)形成嚴(yán)重破壞，而建立地下水庫(kù)不僅能最大限度減少地下水流失，還能使地下水系統(tǒng)通過(guò)人為調(diào)控實(shí)現(xiàn)循環(huán)。模型分為地表管道設(shè)備和地下水庫(kù)兩部分。地下含水層采用透水系數(shù)好的砂巖制作，布置隔水層。地下水庫(kù)工程主要由以下幾部分組成：地下水壩、蓄水的庫(kù)容、能夠把大量降水和地面水有效地滲入地下水庫(kù)地各種各樣的引水回灌工程，以及水井等可以從地下水庫(kù)提取用水的工程。地表管道設(shè)備包括抽水管道、水廠、凈水池等。地下含水層采用透水系數(shù)好的砂巖制作，布置隔水層，地下大壩、地表管道設(shè)備采用有機(jī)玻璃、ABS板等材料仿真制作，該模型可以模擬演示地下水庫(kù)的結(jié)構(gòu)，演示地下水庫(kù)的儲(chǔ)水功能，并演示地表抽水調(diào)節(jié)水庫(kù)水位等，見(jiàn)圖8。

4.4 海洋采礦

我國(guó)領(lǐng)海面積廣闊，海洋資源豐富[12]，海洋采礦日益成為采礦行業(yè)新趨勢(shì)。設(shè)計(jì)模型為一深海開(kāi)采綜合演示模型(見(jiàn)圖9)，包括深海礦產(chǎn)的采集、海底軟管輸送、海底礦物制備及裝載、礦物輸送及提升，以及海洋支持及作業(yè)平臺(tái)等。模型可以模擬演示深水動(dòng)力定位半潛式作業(yè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，以及深水動(dòng)力定位半潛式作業(yè)平臺(tái)的工作原理；模擬演示浮式水下設(shè)備的總體組成及配置，以及電動(dòng)模擬演示塔吊的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；了解鏈斗式采礦船的結(jié)構(gòu)及工作原理，以及海底集礦機(jī)及提升管道的結(jié)構(gòu)及工作原理等。

另外，為了展示煤炭形成過(guò)程、煤炭開(kāi)發(fā)利用歷史、煤炭資源分布等，制作了相應(yīng)的展板。展示內(nèi)容包括：地質(zhì)年代表、成煤巖系、煤種煤質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存條件、頂?shù)装逄卣?、我?guó)煤炭資源分布等。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)采礦工程作為第一批“雙一流”建設(shè)學(xué)科，需要一流的實(shí)驗(yàn)室來(lái)支撐學(xué)科發(fā)展。而采礦工程又因?yàn)槠渚C合性、實(shí)踐性強(qiáng)的學(xué)科特點(diǎn)，采礦模型實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)必不可少。

(2) 采礦模型實(shí)驗(yàn)室采用動(dòng)態(tài)機(jī)械仿真模型與計(jì)算機(jī)智能化系統(tǒng)演示相結(jié)合的方法，具有智能自動(dòng)化程度高、便于講解、操作簡(jiǎn)單和運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。

(3) 采礦模型實(shí)驗(yàn)室的設(shè)立，填補(bǔ)了采礦整套系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)類(lèi)型配套模型展示運(yùn)轉(zhuǎn)的空白，展示了未來(lái)采礦發(fā)展的方向和技術(shù)，極大推動(dòng)了采礦工程的教學(xué)和學(xué)科發(fā)展。

圖9 海洋采礦模型