基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

侯晨 朱萬(wàn)成 劉洪磊 張鵬海

摘? 要：應(yīng)用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是高等學(xué)校采礦工程專業(yè)重要的專業(yè)課程，但受限于諸多因素，很多實(shí)驗(yàn)在日常教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建逼真的三維虛擬環(huán)境，采用人機(jī)交互操作界面，以完成教學(xué)大綱要求的必修與擴(kuò)展教學(xué)實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了應(yīng)用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)在可行性、重復(fù)性、控制性、展示性方面的不足，為應(yīng)用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究提供一種通用的分析工具，有助于實(shí)現(xiàn)“教與學(xué)的互動(dòng)、理論與實(shí)踐的結(jié)合、能力與興趣的共增”這一教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);應(yīng)用巖石力學(xué);采礦工程;本科教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2021）24-0136-04

Abstract： The applied rock mechanics experimental course is an important professional course of mining engineering in colleges. However， due to many factors， many experiments are difficult to conduct in daily teaching. By using the virtual reality technology， the realistic three-dimensional virtual environment was constructed， and the man-machine interactive interface is used to complete the compulsory and extended teaching experiments required by the syllabus， which makes up for the deficiency of the feasibility， repeatability， controllability and display of the field experiment. It provides a general analysis tool for the teaching and research of rock mechanics experiment， and helps to realize the teaching goal of interaction of teaching and learning， combination of theory and practice， and increment of ability and interest.

Keywords： virtual reality technology; rock mechanics; mining engineering; undergraduate teaching

應(yīng)用巖石力學(xué)是固體力學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，主要研究巖石在外界因素作用下的應(yīng)力、應(yīng)變、破壞、穩(wěn)定性判定及支護(hù)時(shí)機(jī)等內(nèi)容，是為采礦工程、礦山工程力學(xué)、土木隧道等專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。通過(guò)教學(xué)，學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到巖石力學(xué)基本原理應(yīng)用于采礦、土木、水利等巖石工程問題的重要性，了解應(yīng)用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響因素和巖體的工程特性以及分級(jí)方法。這是一門理論性及實(shí)踐性很強(qiáng)且緊密結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的課程。

由于自然巖石、巖體材料的非均勻性、非連續(xù)性，以及受載歷史的復(fù)雜性，相關(guān)巖石性質(zhì)的獲取需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)。因此，應(yīng)用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程一直是學(xué)生了解巖石、巖體強(qiáng)度和變形特征，激發(fā)學(xué)生興趣的重要途徑[1-2]。但實(shí)驗(yàn)的安全性、便捷性等也為相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的開展帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)[3-6]。應(yīng)用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本高、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，聯(lián)系、協(xié)調(diào)等環(huán)節(jié)都十分繁瑣，也很難完整觀測(cè)到災(zāi)害的演化過(guò)程[7]，而室內(nèi)實(shí)驗(yàn)由于受到現(xiàn)場(chǎng)條件、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等諸多因素的限制，如采動(dòng)誘發(fā)礦山突水災(zāi)害、礦柱失穩(wěn)破壞、空區(qū)尺寸優(yōu)化及應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律等應(yīng)用巖石力學(xué)的很多實(shí)驗(yàn)很難在實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作[8-10]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)因交互性、沉浸性和構(gòu)想性等特點(diǎn)，可以讓參與者進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)，所形成的信息環(huán)境也具備交互效能多維化的特點(diǎn)[11-12]，使應(yīng)用巖石力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容得到更為具體和有效的展示，并為學(xué)生提供了更好的學(xué)習(xí)環(huán)境。因此，本文主要探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于應(yīng)用巖石力學(xué)課程的應(yīng)用。

一、應(yīng)用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

（一）應(yīng)用巖石力學(xué)的實(shí)驗(yàn)成本高昂

例如一個(gè)巖樣的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，需要經(jīng)歷現(xiàn)場(chǎng)取巖、試樣加工、粘貼應(yīng)變片、試驗(yàn)機(jī)加載等過(guò)程?，F(xiàn)場(chǎng)獲得巖塊由于先天缺陷，且后天受到開采、爆破擾動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)試樣成品率極低，不算人工成本，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣的成本也在300元人民幣左右。且由于自然巖石性質(zhì)的先天離散型，需要進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，又加大了巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的支出。另外粘貼應(yīng)變片、操作試驗(yàn)機(jī)都需要專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作，這都極大增加了應(yīng)用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的成本支出。

（二）應(yīng)用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程顯示度不足

應(yīng)用巖石力學(xué)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，主要通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線展示，受制于巖石固體本身的不可透視性，巖石受力過(guò)程中的變形、破裂到破壞的力學(xué)變化無(wú)法做到直觀展示，更不可能進(jìn)行重復(fù)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程只有一個(gè)表觀的認(rèn)識(shí)，無(wú)法進(jìn)一步加深理解。

（三）實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能單一，大量實(shí)驗(yàn)難以在室內(nèi)展開

應(yīng)用巖石實(shí)驗(yàn)設(shè)備目前主要集中于巖石單軸壓、拉、剪等破壞基本試驗(yàn)機(jī)。而應(yīng)用巖石力學(xué)課程體系包含巖石、巖體和工程三個(gè)維度。顯而易見，在巖石尺度上，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)還可以對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行驗(yàn)證，在巖體和工程尺度上，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究難度很大。而采礦工程涉及到巖石試樣的破壞，巷道的塌方、突水、巖爆，邊坡的失穩(wěn)滑移等災(zāi)害性現(xiàn)象，更是難以在實(shí)驗(yàn)室有效再現(xiàn)。