數字礦山模型創(chuàng)建及其在采礦專業(yè)教學中的應用

林吉飛，喬登攀，董 娟，湯 麗，林 友，程 涌，劉 聰

(1.昆明冶金高等專科學校冶金與礦業(yè)學院，云南 昆明 650033；2.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

1 高職采礦專業(yè)教學現狀

隨著移動互聯網、物聯網、云計算和大數據等技術的發(fā)展，新一代信息技術為全球工程教育帶來了經濟變革和發(fā)展的新途徑。我國實施國家創(chuàng)新驅動發(fā)展、“中國制造2025”“互聯網+”等重大戰(zhàn)略，進一步促進了創(chuàng)新發(fā)展[1]。采礦行業(yè)發(fā)展方向是礦山數字化、設備大型化、自動化、智能化、無人化等，近期有色金屬行業(yè)推廣了礦山開采數字技術應用職業(yè)技能等級證書。

目前，企業(yè)對采礦專業(yè)人才招聘的條件和要求越來越高，用人形式逐步從注重學歷向注重能力及穩(wěn)定性方面轉變。如何適應社會發(fā)展，培養(yǎng)出滿足企業(yè)要求的學生，是高職院校采礦專業(yè)應該思考的首要問題。受到資源賦存狀況的制約，礦井開采系統、工藝方法、巷道布置、生產銜接十分復雜，它的學習更加強調系統性、綜合性和實踐性，單一的課程、教材、課件、試驗不能完全涵蓋教學目標，只能通過實習加深理解、加速掌握、深化拓展、綜合應用[2]。教師在培養(yǎng)學生過程中更要注重鞏固基礎知識、培養(yǎng)興趣、架構采礦知識背景以及錘煉專業(yè)品質4個方面[3-9]。

針對現有如生產實習時間不足、教學模型陳舊不靈活、師生互動性差、可擴展性弱等教學存在的困難，采礦專業(yè)教學應充分發(fā)揮計算機可視化、快速計算、專業(yè)性強的特點；同時為推動高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動計劃(2015—2018年)項目“礦山開采虛擬仿真實踐教學中心”“礦業(yè)技術科技協同創(chuàng)新中心”“礦業(yè)工程‘雙師型’教師培訓基地”等建設，我院于2016—2018年開展數字礦山模型創(chuàng)建及應用建設工作，完成地下礦山模型創(chuàng)建及應用專題、礦井通風系統網絡解算模型創(chuàng)建及應用專題、露天礦山三維境界優(yōu)化模型創(chuàng)建及應用專題等工作，并將成果陸續(xù)應用于專業(yè)課程教學中，提升專業(yè)教學質量。

2 數字礦山模型創(chuàng)建成果介紹

圖1 礦山三維基礎模型實體復合圖Fig.1 Entity composite diagram of 3D basic model of mine

2.1 三維基礎模型創(chuàng)建

以全國數字礦山三維建模與應用大賽基礎資料為基礎，建立了包括礦山地表模型、地質鉆孔數據庫、斷層模型、礦體模型、地下井巷工程模型等三維基礎模型，如圖1所示。

2.2 地下礦模型應用——地質

建模成果輸出包括估值文件、塊段估值、資源量評價、地質圖件輸出，如圖2所示，先對所有塊段的廢石進行估值，然后將礦石的賦值覆蓋廢石，最終形成估值后的塊段模型。

圖2 塊段模型出圖后屬性配色(按照Fe礦體品位配色)

圖3 等高線加密測點DTM模型Fig.3 DTM model of contour encryption measuring points

2.3 地下礦模型應用——測量

包括地表測點文件建模、步距法測點文件模型、斷面法測點文件模型、腰線法測點文件模型、極坐標法測點文件模型等。通過現狀數據的導入、現狀模型的生成，由實測數據生成實測巷道模型并進行巷道工程量計算及平面圖輸出。其中等高線加密測點DTM模型如圖3所示。

2.4 地下礦模型應用——地下采礦

針對 -160 m 中段礦體，完成了包括開拓系統設計及成果輸出、采礦方法三維設計及成果輸出、中深孔爆破三維設計及成果輸出等，如圖4所示。

2.5 露天礦開采技術教材案例三維模型構建

以我校露天礦開采技術課程設計資料為基礎，建立了露天礦開采三維模型,包括平面圖導入、剖面圖導入、地形模型創(chuàng)建、斷層模型創(chuàng)建、礦體模型創(chuàng)建、露天礦三維境界模型構建、露天礦臺階爆破三維設計、豎井開拓系統模型創(chuàng)建、斜井開拓系統模型創(chuàng)建、斜坡道開拓系統模型創(chuàng)建，如圖5所示。

2.6 通風系統三維網絡解算及方案優(yōu)化

針對云南某鉛鋅礦建立通風系統網絡模型，如圖6所示。在搜集整理礦山井巷斷面、三維開拓系統、實測巷道風阻等基礎上，進行網絡解算，優(yōu)化設計風機、風門、風墻、風窗等動力設施和通風構筑物，優(yōu)化礦井風流分配。

圖4 地下礦山開采設計模型

圖5 露天礦開采三維模型

圖6 通風網絡解算步驟及成果

2.7 下一步建設計劃

目前所建立的數字礦山模型成果基本滿足專業(yè)課程教學需求，但我?！敖饘倥c非金屬礦開采技術專業(yè)”近期已經更名為“智能開采技術”。數字礦山模型應結合智能開采技術課程體系進一步豐富資源，如關于露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析和地下礦山采場穩(wěn)定性分析的Flac3D數值計算案例開發(fā)、智能礦山建設需要的三維管控平臺模型開發(fā)等。

3 數字礦山模型在教學過程中的應用情況

3.1 革新教學手段，促進教學相長

成果涵蓋地質、測量、地下開采、露天開采等模型，累計近100個模型，主要服務采礦、地質、安全等專業(yè)。成果推動了全國高職采礦專業(yè)教學標準和頂崗實習標準的制定,在礦山地質學、井巷工程、爆破工程、地下礦開采技術、露天礦開采技術、礦井通風、礦山設計原理7門專業(yè)核心課程均有應用。我院教學活動圍繞成果展開，課前先讓學生結合成果預習知識，課中教師利用成果進行教學，課后學生利用成果加強專業(yè)知識學習和課程實踐，極大提高了教學效果，受到學生好評。

3.2 搭建虛擬實踐環(huán)境，促進學生實訓

2017年開始采礦專業(yè)大一、大二學生到礦山實習之前，學院結合成果充分了解實習礦山的生產系統和關鍵問題，更加充分地了解其生產實際情況，極大地提高了實習效果。2018年至今每年均有20余名采礦專業(yè)學生通過三維礦業(yè)軟件成果進行課程設計、畢業(yè)設計和生產實習，掌握了專業(yè)知識，提升了專業(yè)技能。

3.3 服務生產，促進企業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)效

目前礦山普遍存在數字礦山建模人才缺口大、高水平技能人才流動大的情況，礦山生產技術人員的數字礦山建模技能水平不高和生產管理手段單一，需要通過技能培訓加強。課題組利用寒暑假時間和學生校外實習時間到礦山一線，以成果為基礎，交流數字礦山建模技術和通風系統管理技術。通過簽訂橫向課題和申請縱向課題，加強校企溝通、促進實訓基地建設。以學校合作實訓基地自走鐵礦為例，礦山原采用二維管理模式需10人次的工作任務，在學習建模技術后降低為4人次任務；礦山根據經驗管控通風系統，改為以通風系統網絡解算成果指導生產，優(yōu)化控風，節(jié)約了電費，提高了效率。

3.4 促進了青年教師交流、提高了青年教師專業(yè)水平和教學能力

團隊青年教師都是從高校畢業(yè)后就參加工作，缺乏生產實踐鍛煉。團隊成員圍繞成果，參加教學能力大賽獲校級獎項、主持廳級校級課題6項，開展校企合作開發(fā)1項(已結題，經費10萬元)，參與行業(yè)數字礦山建設(自走鐵礦、大姚銅礦等)，取得豐碩成果，編寫教材4本、發(fā)表論文10余篇、職稱晉升4人。

3.5 推動學?！半p高計劃”建設

2018年起以成果為基礎開設了數字礦山建模課程；作為主持單位之一，于2019年6月—2020年11月推動完成“‘1+X’礦山開采數字技術應用職業(yè)技能等級證書”標準建設、教材編寫、考評制度建設等工作，并成為首批證書考核站點；并于2020年12月完成首批學生的職業(yè)技能等級證書考評，有力推動了學?！半p高計劃”建設。

4 創(chuàng)新點

1)資料詳實生動，成果全面系統，促進專業(yè)教學技術手段革新。數字礦山建模成果是礦山信息化建設的基礎。團隊以數字礦山建模大賽案例數據、露天礦開采課程案例數據、云南省某鉛鋅礦生產數據等為基礎，形成的成果涵蓋地質、測量、采礦、通風等方向，促進了專業(yè)課程教學資源建設和教學模式改革。

2)項目式展開，可擴展性強，豐富了學生課余活動。成果按照“輸入—處理—輸出”的邏輯思路，梳理專業(yè)知識和建模流程，注重對基礎資料的解讀、操作步驟的分解和建模成果的表達，學習難度低，操作性強，可擴展性強。學生利用成果開展專項實訓任務、舉辦技能大比武、參加大學生課外學術科技節(jié)等活動，豐富了課余活動,提高了專業(yè)技能。

3)緊跟礦山生產應用，服務企業(yè)和師生，提升教學質量。成果結合礦山開展數字礦山建設和通風系統管理，立足于礦山、服務于礦山，緊跟行業(yè)需求，提高教師教學能力和學生學習能力，圍繞信息化建設，打通高校與企業(yè)的行業(yè)銜接，既鍛煉了學生實際動手能力，也有效促進學生對專業(yè)知識的理解，為學生就業(yè)后更快融入生產實際工作打下堅實的基礎，充分克服了學生不能到礦山生產一線學習專業(yè)知識的困難，提高了學生的學習興趣。

4)提升校企服務能力，促進學?！半p高計劃”建設。學院以數字礦山模型創(chuàng)建、礦井通風網絡解算技能培訓為契機，加強校企交流，培養(yǎng)企業(yè)員工技能，促進了自走鐵礦等礦山企業(yè)數字化礦山建設工作，推動并參與了“1+X”礦山開采數字技術應用職業(yè)技能等級證書建設及考核工作，提升了學校的知名度，從而有力推動學校培養(yǎng)學生、服務企業(yè)等“雙高計劃”建設任務開展，滿足教師成長、學生成長、企業(yè)員工成長等多方需求。

5 結 論

在新的時代背景條件下，學院主動開發(fā)數字礦山模型，助力專業(yè)教學，取得了豐碩的成果，為下一步我校采礦專業(yè)教學轉型升級提供了有力的支撐。在數字礦山模型創(chuàng)建及應用實踐過程中，取得如下成果：

1)系統完成了地下礦山模型創(chuàng)建及應用專題、露天礦山三維境界優(yōu)化模型創(chuàng)建及應用專題、礦井通風系統網絡解算模型創(chuàng)建及應用專題等數字礦山模型的創(chuàng)建工作。

2)在專業(yè)教學的應用過程中，革新教學手段，促進教學相長；搭建虛擬實踐環(huán)境，促進學生實訓；服務生產，促進企業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)效；促進了青年教師交流、提高了青年教師專業(yè)水平和教學能力；有力推動學?！半p高計劃”建設。