巷道掘進(jìn)爆破安全虛擬仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)建

張飛燕，楊小林，韓 穎，楊 明，潘榮錕，褚懷保，鄧奇根，李 波

（1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

“爆破安全”是安全工程專業(yè)本、專科學(xué)生的一門專業(yè)選修課程，主要講述爆破理論基礎(chǔ)、工業(yè)炸藥、起爆技術(shù)、爆破安全與管理、巖石爆破理論、光面爆破與預(yù)裂爆破、井巷掘進(jìn)爆破、爆破危害及爆破事故的預(yù)防與處理等內(nèi)容[1]。該課程的主要實驗教學(xué)內(nèi)容均涉及高危險性的爆破器材、復(fù)雜多變的施工環(huán)境以及不可逆的施工過程，其中尤以地下巷道掘進(jìn)爆破安全綜合實驗最具代表性[2-3]，該實驗可將課程所有知識點(diǎn)集中、系統(tǒng)地體現(xiàn)出來，但其開設(shè)面臨以下主要問題：

（1）中國對爆破器材實施嚴(yán)格管控，具有爆破特種作業(yè)資格的人員方能接觸，以真實爆破器材為支撐的室內(nèi)實驗無法開展。

（2）巷道掘進(jìn)爆破是采礦、交通、水利等工程施工條件最差的工序單元，具有獨(dú)頭掘進(jìn)、空間狹窄、各工序相互干擾大、需強(qiáng)制通風(fēng)和采光等特點(diǎn)，學(xué)生進(jìn)入施工現(xiàn)場不僅影響企業(yè)正常生產(chǎn)，更會帶來極大的安全隱患；此外，因爆破作業(yè)需具有爆破作業(yè)資格的人員實施，學(xué)生即使進(jìn)入施工現(xiàn)場，也不能獲得實操機(jī)會。

基于上述現(xiàn)實問題，室內(nèi)真實實驗及現(xiàn)場實驗教學(xué)均難以開展，亟須探索新型、有效的實驗教學(xué)手段。

《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》（教高【2012】4 號）再次強(qiáng)調(diào)了實踐教學(xué)的重要性，明確要求強(qiáng)化實踐育人環(huán)節(jié)，提升實驗教學(xué)水平[4]。近年來，在教育部的大力支持與推動下，全國高校掀起了虛擬仿真實驗教學(xué)研究的熱潮[5-8]。教育部高等教育司在其發(fā)布的《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（教高司函【2013】94 號）中明確指出：虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物；其任務(wù)是構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，在涉及高?；驑O端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實驗項目[9]?；诖?，依據(jù)“虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實不虛、相輔相成”的原則，本文借助虛擬仿真、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，開展巷道掘進(jìn)爆破安全虛擬仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)建研究，以期實現(xiàn)理論教學(xué)與實踐育人的有機(jī)結(jié)合。

1 巷道掘進(jìn)爆破安全虛擬仿真實驗?zāi)K設(shè)置

根據(jù)真實巷道掘進(jìn)爆破工藝與安全監(jiān)測流程，對巷道掘進(jìn)爆破安全虛擬仿真實驗內(nèi)容進(jìn)行模塊化設(shè)計，如圖1 所示。

圖1 虛擬仿真實驗?zāi)K設(shè)置

實驗內(nèi)容分為3 個模塊：巷道掘進(jìn)爆破方案設(shè)計、巷道掘進(jìn)爆破施工、爆破危害監(jiān)測與分析。

1.1 巷道掘進(jìn)爆破方案設(shè)計

在方案設(shè)計階段，根據(jù)巷道掘進(jìn)斷面要求，需進(jìn)行設(shè)計的參數(shù)主要包括：爆破方案、鉆孔直徑、炸藥品種與型號、起爆方法與起爆器材、循環(huán)進(jìn)尺、炸藥單耗、裝藥系數(shù)、總裝藥量估算、炮孔總數(shù)目估算、炮孔孔深、炮孔間距、各炮孔裝藥系數(shù)與堵塞長度等[10]。

1.2 巷道掘進(jìn)爆破施工

在爆破施工階段，根據(jù)施工工藝要求，主要施工環(huán)節(jié)包括：在巷道斷面上布孔、鉆孔、清孔、檢測瓦斯?jié)舛?、裝藥、堵塞、各炮孔間連線、布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)、連接起爆器、起爆等[11]。

1.3 爆破危害監(jiān)測與分析

爆破危害監(jiān)測項目主要包括：粉塵濃度、有毒有害氣體濃度、爆破沖擊波超壓、爆破振動[1,12]。前期設(shè)計選取的炸藥量、單段起爆藥量不同，所監(jiān)測到的相關(guān)數(shù)據(jù)也會不同，學(xué)生需提取不同監(jiān)測數(shù)據(jù)并分析爆破效果及危害程度。

2 巷道掘進(jìn)爆破安全虛擬仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)建

根據(jù)實驗內(nèi)容進(jìn)行學(xué)生交互性操作設(shè)計，實驗設(shè)計環(huán)環(huán)相扣，前一步設(shè)計不合理，就無法進(jìn)行下一步。該教學(xué)平臺主要包括實驗準(zhǔn)備、實驗過程、實驗總結(jié)3 大環(huán)節(jié)，可對課程實驗進(jìn)行全過程考核。

2.1 實驗準(zhǔn)備

實驗準(zhǔn)備包括兩方面內(nèi)容：（1）實驗?zāi)康摹⒃?、方法、所用儀器耗材的學(xué)習(xí)；（2）實驗涉及知識點(diǎn)的考核，考核合格后方可進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。實驗準(zhǔn)備環(huán)節(jié)界面如圖2 所示。

圖2 實驗準(zhǔn)備環(huán)節(jié)界面

2.2 參數(shù)設(shè)計

1）根據(jù)預(yù)設(shè)選項通過下拉菜單選取的參數(shù)。

部分爆破參數(shù)已在平臺中預(yù)設(shè)選項，學(xué)生只需結(jié)合所學(xué)理論知識進(jìn)行下拉選取即可，如：掘進(jìn)爆破技術(shù)方案、鉆孔直徑、炸藥品種、炸藥型號、起爆方法、起爆雷管、起爆器、各種炮孔起爆雷管的段別、起爆藥包位置、起爆順序設(shè)置等。該類參數(shù)選取界面如圖3 所示。

2）依據(jù)理論知識及經(jīng)驗選取的參數(shù)。

此類參數(shù)需依據(jù)課堂所學(xué)理論知識，并結(jié)合工程實踐經(jīng)驗進(jìn)行選取，如：循環(huán)進(jìn)尺、炸藥單耗、裝藥系數(shù)；掏槽孔個數(shù)、空孔直徑、空孔個數(shù)；崩落孔、光面孔孔間距、孔深；掏槽孔、崩落孔的裝藥系數(shù)、光面孔的線裝藥密度；炮孔堵塞長度等[13]。該類參數(shù)選取界面如圖4 所示。

圖3 預(yù)設(shè)選項參數(shù)選取界面

圖4 依據(jù)理論知識及經(jīng)驗選取參數(shù)界面

3）需理論計算確定的參數(shù)。

此類參數(shù)需結(jié)合前述可下拉菜單選取的參數(shù)，根據(jù)公式計算確定，如總裝藥量、炮孔數(shù)量、掏槽孔深度、空孔深度、掏槽孔最大段起爆藥量等。參數(shù)設(shè)計過程中，后臺預(yù)置程序自動進(jìn)行計算、正誤判別，并在交互操作過程中及時給出提示。例如參數(shù)掏槽孔深度，該參數(shù)設(shè)計過程中需根據(jù)循環(huán)進(jìn)尺進(jìn)行計算，掏槽孔深度為循環(huán)進(jìn)尺的1.2～1.3 倍，如圖5 所示。若參數(shù)設(shè)計有誤，系統(tǒng)會提示“輸入不正確”，則需要進(jìn)行參數(shù)修改，此時如不修改，則無法進(jìn)行下一步的實驗。例如總裝藥量，若參數(shù)計算錯誤，系統(tǒng)則提示“輸入不正確，請重新填寫”，如圖6 所示。

圖5 需理論計算確定參數(shù)界面

圖6 參數(shù)設(shè)計錯誤系統(tǒng)提示界面

2.3 爆破施工

平臺設(shè)計有工具背包[14]，施工階段可按照施工工藝流程從工具背包里選擇相應(yīng)工具及爆破器材。

1）巷道斷面布孔。

根據(jù)參數(shù)設(shè)計階段確定的炮孔間距，用戶以第一人稱漫游方式在巷道斷面布置炮孔。炮孔布置完畢后，平臺后臺程序進(jìn)行自檢，判斷炮孔數(shù)量是否符合相關(guān)要求。若符合要求，則進(jìn)行下一步操作；否則，平臺會給出提示，需重新進(jìn)行布置，如圖7 所示。

圖7 炮孔布置界面

2）鉆孔、清孔、驗孔、制作起爆藥包、檢測工作面瓦斯?jié)舛?、裝藥、堵塞。

該施工環(huán)節(jié)同樣采用第一人稱漫游方式，在巷道掘進(jìn)爆破施工環(huán)境中進(jìn)行操作，如圖8 所示。

圖8 第一人稱漫游施工操作界面

首先，從工具背包選擇相應(yīng)工具，包括鉆機(jī)、風(fēng)管、帶有刻度的木棍，分別進(jìn)行鉆孔、清孔、驗孔工作。其次，完成炮孔檢驗后，可進(jìn)行起爆藥包的制作，用木棍在藥包一端扎個小孔，把雷管插入藥包并扎緊。再次，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第三百四十七條[15]規(guī)定，井下爆破作業(yè)必須執(zhí)行“一炮三檢制”和“3人連鎖爆破”制度，并在起爆前檢查爆破地點(diǎn)的甲烷濃度，即采掘工作面裝藥前、爆破前、爆破后，爆破工、班組長、瓦斯檢查員都必須在現(xiàn)場，3 人都要檢查爆破地點(diǎn)附近20 m 以內(nèi)風(fēng)流中的瓦斯，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1%則不準(zhǔn)裝藥、爆破；爆破后瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1%時，必須立即處理，并不準(zhǔn)用煤電鉆施工鉆孔。因此，只有當(dāng)工作面瓦斯?jié)舛确弦?guī)定時，方可繼續(xù)進(jìn)行裝藥、填塞工作。

3）起爆。

在工作面瓦斯?jié)舛葯z測合格的情況下，從工具背包選擇起爆器，連接起爆線，點(diǎn)擊“起爆”按鈕起爆并通風(fēng)[15-16]，如圖9 所示。

2.4 爆破危害監(jiān)測與分析

在該階段，依次選擇監(jiān)測項目、布置監(jiān)測點(diǎn)、放置監(jiān)測儀器，平臺自動采集相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，如圖10所示。爆破危害監(jiān)測項目可根據(jù)實際情況選做，任意一項做完后，系統(tǒng)會出現(xiàn)對話框，詢問是否繼續(xù)實驗，如圖11 所示。選“是”則跳轉(zhuǎn)至圖10 所示界面，繼續(xù)進(jìn)行其他監(jiān)測項目實驗，選“否”則實驗結(jié)束。

2.5 實驗總結(jié)

實驗結(jié)束后，平臺自動生成數(shù)據(jù)表格，主要包括爆破設(shè)計參數(shù)一覽表、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集表，如圖12 和13 所示。學(xué)生對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，可在線撰寫實驗報告。

圖9 起爆及通風(fēng)界面

圖10 監(jiān)測項目選擇界面

圖11 單項監(jiān)測項目完成界面

圖12 爆破設(shè)計參數(shù)一覽表界面

圖13 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集表界面

3 實驗教學(xué)考核系統(tǒng)

考核系統(tǒng)依次對實驗教學(xué)平臺3 大環(huán)節(jié)進(jìn)行考核，具體考核內(nèi)容、方法及對應(yīng)分值見表1。

表1 實驗考核內(nèi)容、方法及分值一覽表

實驗準(zhǔn)備環(huán)節(jié)分兩項，由系統(tǒng)自動評判考核：實驗預(yù)習(xí)滿分10 分，只要學(xué)習(xí)過就給滿分；知識點(diǎn)測試滿分10 分，錯一個扣1 分。成績低于6 分為不合格，需重新學(xué)習(xí)至成績合格后，方可進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。

實驗過程環(huán)節(jié)由系統(tǒng)根據(jù)交互實驗步驟自動進(jìn)行評判考核，滿分50 分，錯一步扣1 分。

實驗結(jié)束，系統(tǒng)自動統(tǒng)計并給出實驗準(zhǔn)備、實驗過程兩大環(huán)節(jié)成績，如圖14 所示。待實驗報告提交后，實驗總結(jié)環(huán)節(jié)的成績由任課教師進(jìn)行評判。3 大環(huán)節(jié)成績總和，即為實驗課程總成績。

圖14 實驗準(zhǔn)備及過程環(huán)節(jié)成績界面

4 結(jié)語

巷道掘進(jìn)爆破安全虛擬仿真實驗教學(xué)平臺解決了“爆破安全”課程室內(nèi)真實實驗及現(xiàn)場實驗教學(xué)難以開展的問題，成功構(gòu)建了高度仿真的虛擬實驗環(huán)境，讓學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中開展爆破實驗、模擬真實實驗過程，達(dá)到了教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。

巷道掘進(jìn)爆破安全虛擬仿真實驗教學(xué)平臺采用的開放式、引導(dǎo)式、探究式的教學(xué)方式，不僅使實驗內(nèi)容的深度與廣度得以延伸，同時大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)模式，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊協(xié)作、工程實踐及實驗創(chuàng)新等方面的能力，具有傳統(tǒng)實驗教學(xué)無法比擬的優(yōu)勢。該平臺已獲得計算機(jī)軟件著作權(quán)登記證書（軟著登字第4257966 號），既可單機(jī)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，又可置于基于Internet 的開放教學(xué)管理平臺上，為不同高校相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供共享使用，拓展了教學(xué)資源共享與輻射范圍。