智能化開(kāi)采條件下的煤礦安全專業(yè)人才培養(yǎng)模式

劉軍　賈宏福　楊通　單文娟

摘要：目前，我國(guó)煤礦開(kāi)采正在向智能化開(kāi)采、無(wú)人化開(kāi)采方向發(fā)展，煤礦安全專業(yè)的人才培養(yǎng)模式遇到了教材與現(xiàn)場(chǎng)偏差較大、專業(yè)方向單一，綜合能力不足、學(xué)生實(shí)踐能力不足等不適應(yīng)的現(xiàn)象。針對(duì)這種情況，提出了注重課程設(shè)置的調(diào)整、增加開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)、虛擬仿真技術(shù)的使用、前沿科技的學(xué)習(xí)等四種手段。有效促進(jìn)了學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)，對(duì)新形勢(shì)下的煤礦安全專業(yè)人才培養(yǎng)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：智能化開(kāi)采；無(wú)人化開(kāi)采；人才培養(yǎng)；虛擬仿真

煤炭作為我國(guó)最主要的一次能源，其戰(zhàn)略地位無(wú)法取代。據(jù)預(yù)測(cè)，到2050年，煤炭在我國(guó)一次能源消費(fèi)中占50%以上。我國(guó)能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016～2030年）提出研發(fā)高效建井和快速掘進(jìn)、智能化工作面、特殊煤層高回收率開(kāi)采、煤炭地下氣化、煤系共伴生資源綜合開(kāi)發(fā)利用等技術(shù)，重點(diǎn)煤礦區(qū)基本實(shí)現(xiàn)工作面無(wú)人化。胡省三等的總結(jié)認(rèn)為，我國(guó)煤炭綜采技術(shù)經(jīng)歷了3個(gè)階段，目前正向智能化方向發(fā)展。謝和平院士提出煤炭革命發(fā)展的3.0、4.0、5.0階段，4.0階段要實(shí)現(xiàn)智能化無(wú)人開(kāi)采。袁亮院士提出結(jié)合采礦、安全、機(jī)電、信息、計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等學(xué)科，實(shí)現(xiàn)未來(lái)采礦智能化無(wú)人安全開(kāi)采。王金華、王虹、張科學(xué)、葛世榮等從不同的方面對(duì)智能化開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)、采煤裝備等進(jìn)行了研究。戴廣龍、蘇三慶對(duì)新形勢(shì)下的煤礦主體專業(yè)、安全工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式進(jìn)行了探討。

針對(duì)智能化開(kāi)采、無(wú)人化開(kāi)采等新的煤炭開(kāi)采條件，創(chuàng)新煤礦安全專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)模式，完善和促進(jìn)煤礦安全專業(yè)的健康發(fā)展，為煤炭企業(yè)輸送優(yōu)秀、稱職的高技術(shù)人才提供幫助。

一、智能化開(kāi)采的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)

（一）煤炭無(wú)害化開(kāi)采

根據(jù)我國(guó)《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016～2030年）》，煤礦開(kāi)采需加強(qiáng)煤炭開(kāi)發(fā)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，井下采選充一體化、綠色高效充填開(kāi)采、保水開(kāi)采、無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)采、礦區(qū)地表修復(fù)與重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，基本建成綠色礦山。提升煤炭開(kāi)發(fā)效率和智能化水平，研發(fā)高效建井和快速掘進(jìn)、智能化工作面等技術(shù)。

（二）有限無(wú)人化開(kāi)采

智能化開(kāi)采要求在工作面正常生產(chǎn)期間，工作面中無(wú)人或基本無(wú)人操作，僅在設(shè)備正常維護(hù)、檢修和特殊情況處理時(shí)，人員才進(jìn)入工作面進(jìn)行維護(hù)，實(shí)現(xiàn)有限條件下的無(wú)人化開(kāi)采。

（三）煤炭精準(zhǔn)化開(kāi)采

精準(zhǔn)開(kāi)采是基于透明空間地球物理和多物理場(chǎng)耦合，以智能感知、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等作支撐，將不同地質(zhì)條件的煤炭開(kāi)采擾動(dòng)影響、致災(zāi)因素、開(kāi)采引發(fā)生態(tài)環(huán)境破壞等統(tǒng)籌考慮，時(shí)空上準(zhǔn)確高效的煤炭少人（無(wú)人）智能開(kāi)采與災(zāi)害防控一體化的未來(lái)采礦新模式。

（四）無(wú)人化N00工法

何滿潮院士提出的煤炭顛覆性技術(shù)革新方向，110工法、N00工法到自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化110工法、N00工法是我國(guó)礦業(yè)技術(shù)變革的第三次探索。N00工法已實(shí)現(xiàn)采、掘、運(yùn)切、支、護(hù)一體化，未來(lái)可朝著煤炭開(kāi)采自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化的方向發(fā)展。

（五）流態(tài)化開(kāi)采

中國(guó)工程院《煤炭清潔高效開(kāi)發(fā)利用和煤基多元智能協(xié)調(diào)能源系統(tǒng)戰(zhàn)略研究》項(xiàng)目中提出了固態(tài)資源流態(tài)化開(kāi)采的科學(xué)構(gòu)想，形成深部煤炭資源全覆蓋的無(wú)人開(kāi)采技術(shù)與裝備支撐系統(tǒng)，包括建立基于“透明礦井”技術(shù)的無(wú)人化開(kāi)采技術(shù)體系。

二、新形勢(shì)下煤礦安全專業(yè)人才培養(yǎng)存在的問(wèn)題

（一）教材與現(xiàn)場(chǎng)偏差較大

教材內(nèi)容比較陳舊，更新速度較慢。以煤礦瓦斯抽采技術(shù)為例，教材中的鉆機(jī)、抽采泵站、封孔方法等多是十幾年前的老方法，目前定向鉆孔、大功率泵站、帶壓封孔技術(shù)等已經(jīng)得到推廣應(yīng)用。學(xué)生所學(xué)知識(shí)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐偏差較大，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，學(xué)習(xí)效果較差。

（二）專業(yè)方向單一、綜合能力不足

安全專業(yè)是一個(gè)跨學(xué)科的綜合性專業(yè)，煤礦安全是以煤礦開(kāi)采為背景，保障煤礦安全生產(chǎn)的傳統(tǒng)安全專業(yè)。在智能化開(kāi)采條件下，煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化水平不斷提高，采煤、通風(fēng)設(shè)備、技術(shù)手段等顯著提高。新的背景條件下，必須增強(qiáng)學(xué)生適應(yīng)新環(huán)境的能力。

（三）學(xué)生實(shí)踐能力不足

煤炭為特殊行業(yè)，井下環(huán)境復(fù)雜，危險(xiǎn)系數(shù)高。學(xué)生下井需要專業(yè)培訓(xùn)，且必須有熟練工人帶領(lǐng)，學(xué)生實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)較少，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)缺乏感性認(rèn)識(shí)。如何找到一種既保障安全，又能提高學(xué)生實(shí)踐能力的新方法，是煤礦安全專業(yè)亟待解決的問(wèn)題之一。

三、新形勢(shì)下煤礦安全專業(yè)人才培養(yǎng)模式

（一）課程設(shè)置的調(diào)整

目前，我國(guó)煤炭安全專業(yè)開(kāi)設(shè)的專業(yè)課以《礦井通風(fēng)與安全》、《礦井瓦斯防治》、《礦井火災(zāi)防治》等防治傳統(tǒng)自然災(zāi)害為主，如圖1所示，已無(wú)法適應(yīng)智能化開(kāi)采條件下，煤炭企業(yè)對(duì)工程技術(shù)人員的需求。

同時(shí)，智能化開(kāi)采過(guò)程中，大量自動(dòng)化技術(shù)、信息化技術(shù)得到使用，本科教學(xué)過(guò)程中應(yīng)增加開(kāi)設(shè)《機(jī)械自動(dòng)化》、《自動(dòng)控制系統(tǒng)》、《微機(jī)控制技術(shù)》、《信息技術(shù)》等課程，培養(yǎng)跨學(xué)科專業(yè)人才。

（二）開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)指由教師或?qū)W生提出實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)或創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景，學(xué)生經(jīng)自主性學(xué)習(xí)研究、自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的一種教學(xué)方動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。煤礦安全是專業(yè)性、實(shí)踐性很強(qiáng)的特殊專業(yè)，智能化開(kāi)采技術(shù)實(shí)施后，煤礦企業(yè)對(duì)實(shí)踐能力強(qiáng)、掌握多學(xué)科專業(yè)技術(shù)人才的需求量大增。高校應(yīng)適時(shí)增加此類教學(xué)活動(dòng)。

目前，學(xué)校安全學(xué)院開(kāi)設(shè)有178個(gè)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容涵蓋礦井通風(fēng)參數(shù)測(cè)試、煤的力學(xué)性質(zhì)測(cè)試、瓦斯抽采參數(shù)測(cè)試、煤堆自然升溫過(guò)程溫度變化測(cè)定等；電氣學(xué)院和計(jì)算機(jī)學(xué)院開(kāi)設(shè)有113個(gè)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容包括控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、信號(hào)與系統(tǒng)復(fù)頻域分析等自動(dòng)控制內(nèi)容。鼓勵(lì)學(xué)生跨學(xué)科開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠有效提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

（三）虛擬仿真技術(shù)的使用

虛擬仿真技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，針對(duì)煤礦安全專業(yè)，利用虛擬仿真技術(shù)建造的仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室擁有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（訓(xùn)）室難以比擬的優(yōu)勢(shì)——安全高效。煤礦作為一個(gè)特殊行業(yè)，井下環(huán)境復(fù)雜、危險(xiǎn)性高。充分利用虛擬仿真技術(shù)，可以在安全的條件下，虛擬一些危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)。

目前，學(xué)校設(shè)置了煤礦開(kāi)采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、安全與消防工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、礦山電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等3個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。開(kāi)設(shè)有煤礦開(kāi)采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、煤礦火災(zāi)數(shù)值模擬、煤礦動(dòng)力災(zāi)害數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)室、煤礦巖層移動(dòng)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)室、煤礦通風(fēng)安全仿真實(shí)驗(yàn)室等5個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)室。其中煤礦開(kāi)采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建有3通道立體沉浸式環(huán)幕系統(tǒng)，能夠營(yíng)造逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和試驗(yàn)對(duì)象，裝備有自研的虛擬仿真軟硬件系統(tǒng)；煤礦火災(zāi)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)室裝配有高性能計(jì)算機(jī)和FLUENT數(shù)值計(jì)算軟件，為火災(zāi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)依據(jù)；煤礦動(dòng)力災(zāi)害數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)室裝備有RFPA含瓦斯煤巖破裂數(shù)值模擬軟件，為煤礦瓦斯突出災(zāi)害虛擬仿真提供理論數(shù)據(jù)支撐；煤礦巖層移動(dòng)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)室安裝有UDEC和2D-BLOCK軟件，能夠?yàn)槊旱V頂板事故災(zāi)害虛擬仿真提供數(shù)據(jù)支持；煤礦通風(fēng)安全仿真實(shí)驗(yàn)室裝備有礦井通風(fēng)系統(tǒng)和礦井瓦斯爆炸物理仿真系統(tǒng)，能夠?yàn)榈V井瓦斯爆炸及礦井通風(fēng)虛擬仿真提供數(shù)據(jù)支持。

（四）前沿科技的學(xué)習(xí)

目前的科技發(fā)展日新月異，一大批科研成果得到推廣應(yīng)用。在本科生教育中加強(qiáng)學(xué)術(shù)前沿講座的應(yīng)用，用報(bào)告人的人格魅力和學(xué)科前沿的學(xué)術(shù)思想影響學(xué)生，能夠有效提高學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感和專業(yè)自豪感。同時(shí)，隨著本科生參加大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)與各類科技競(jìng)賽的機(jī)會(huì)逐漸增多，對(duì)于本科生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)顯得尤為重要。通過(guò)對(duì)本科生系統(tǒng)開(kāi)展學(xué)術(shù)前沿講座，使得學(xué)生準(zhǔn)確把握學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)，初步了解科研方法，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，能夠?yàn)閷W(xué)生今后的繼續(xù)深造與走上工作崗位提供有力幫助。

四、結(jié)論

通過(guò)查收資料、分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，得出如下結(jié)論。

煤礦智能化開(kāi)采的發(fā)展趨勢(shì)為：煤炭無(wú)害化開(kāi)采、有限無(wú)人化開(kāi)采、煤炭精準(zhǔn)化開(kāi)采、無(wú)人化N00工法、流態(tài)化開(kāi)采。

新形勢(shì)下煤礦安全專業(yè)人才培養(yǎng)存在的問(wèn)題：教材與現(xiàn)場(chǎng)偏差較大、專業(yè)方向單一，綜合能力不足、學(xué)生實(shí)踐能力不足。

新形勢(shì)下煤礦安全專業(yè)人才培養(yǎng)應(yīng)向如下模式轉(zhuǎn)變：注重課程設(shè)置的調(diào)整、增加開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)、虛擬仿真技術(shù)的使用、前沿科技的學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)家發(fā)展改革委，國(guó)家能源局.能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016～2030年）[Z].2016.

[2]胡省三，劉修源，成玉琪.采煤史上的技術(shù)革命：我國(guó)綜采發(fā)展40a[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010（11）.

[3]謝和平，王金華，王國(guó)法，等.煤炭革命新理念與煤炭科技發(fā)展構(gòu)想[J].煤炭學(xué)報(bào)，2018（05）.

[4]袁亮.開(kāi)展基于人工智能的煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采研究，為深地開(kāi)發(fā)提供科技支撐[J].科技導(dǎo)報(bào)，2017（14）.

[5]袁亮.煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采科學(xué)構(gòu)想[J].煤炭學(xué)報(bào)，2017（01）.

[6]王金華，黃樂(lè)亭，李首濱，等.綜采工作面智能化技術(shù)與裝備的發(fā)展[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014（08）.

[7]王金華，黃曾華.中國(guó)煤礦智能開(kāi)采科技創(chuàng)新與發(fā)展[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014（09）.

[8]王虹.綜采工作面智能化關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014（01）.

[9]張科學(xué)，李首濱，何滿潮，等.智能化無(wú)人開(kāi)采系列關(guān)鍵技術(shù)之一——綜采智能化工作面調(diào)斜控制技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2018（01）.

[10]葛世榮.智能化采煤裝備的關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014（09）.

[11]戴廣龍，張國(guó)樞，劉澤功，等.安全工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式及課程體系研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2009（02）.

[12]蘇三慶，楊更社，王貴榮.煤礦主體專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革探索[J].煤炭高等教育，2012（05）.

*基金項(xiàng)目：河南省優(yōu)勢(shì)學(xué)科經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目。

【作者單位：劉軍，河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院、安全工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（河南理工大學(xué)）；賈宏福、楊通，河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院；單文娟，河南理工大學(xué)社科處】