采矿工程虚拟仿真实践教学平台的探索研究

杨长德 张伟光 李金波 李彦强

摘 要：针对采矿工程专业，基于煤矿开采学目前的实践教学体系，分析了煤矿开采学在实践教学过程中存在的问题。通过实验系统和实习系统两方面的探索应用，表明虚拟仿真教学系统可有效的改善实践教学中的问题，在煤矿开采学实践教学中发挥重要的作用。

关键词：煤矿开采学；采矿工程；虚拟仿真；实践教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）17-0032-04

Abstract： Based on the current practical teaching system of coal mining and mining engineering specialty， the problems in the practice of coal mining are analyzed. Through the exploration and application of the experimental system and the internship system， it shows that the virtual simulation teaching system can effectively improve practical teaching and play an important role in practical teaching of coal mining.

Keywords： coal mining； mining engineering； virtual simulation； practical teaching

采矿工程专业是培养适合时代发展需要的新型矿山专业技术与管理人才的一个实践性很强的专业，实践教学环节在采矿工程教学体系中尤为重要。然而，由于受到人力、物力、财力和现场条件的限制，无论是室内实验还是校外实习等实践教学环节都存在一定的弊端，比如室內实验设备昂贵、维护费用高、实验周期相对较长，采矿实习现场安全性较差、食宿难解决等问题[1-4]。

进入21世纪，虚拟仿真技术已经应用在各个行业，尤其是高危行业高校教育和职业培训当中[5]。中国矿业大学、东北大学等高校建成了采矿工程虚拟仿真实验中心并应用于实践教学和辅助理论教学当中[6，7]。马文顶[7]研究并总结采矿工程实验教学经验，开发了采矿工程虚拟仿真实验系统，并在应用中总结了一套以常规实验为基础，辅助虚拟仿真实验和井下实景实验“三位一体”的实验教学新模式。解盘石[8]针对岩石力学特性、巷道与采场围岩稳定性理论教学和实验教学中存在的不足，利用多种数值仿真方法模拟研究，实现了复杂实验的可重复、可视化。张源[9]分析了矿山压力与岩层控制实验教学环节中存在的问题，通过设计一套 “矿山压力与岩层移动虚拟仿真实验系统”将仿真技术应用到实验教学中，旨在改善实验教学效果。

“煤矿开采学”是采矿工程专业的必修核心课程，其中，采煤方法、准备方式及采区设计、井田开拓及矿井开采设计、矿井常用开采方法等内容又是该课程的核心内容。由于矿山是一个复杂的多维生产系统，在传统理论教学中，受个人的空间想象力限制，学生仅靠教材文字和片、教师语言描述以及二维或者三维的图纸不容易清楚地了解煤矿的生产系统和生产工艺，不能迅速形成一种身临其境的感觉。因此，采矿工程教学体系中需要通过实验教学和实习教学两大环节帮助学生理解理论知识和加强实践能力。但是在传统的实验教学和实习过程中又存在诸多问题，本文以新疆工程学院采矿工程专业煤矿开采学实践教学为例，探讨虚拟仿真教学系统的建设与应用，旨在改革实践教学方式，改善实践教学效果。

一、煤矿开采学实践教学体系

“煤矿开采学”课程是采矿工程专业的主干核心课程，主要介绍了我国采煤方法和采煤工艺的发展历程，要求学生掌握常用的采煤方法与采煤工艺，能够针对煤矿具体地质条件，合理选择采煤方法和采煤工艺，毕业设计中，能够根据给出的地质条件独立完成矿井设计。

目前，该课程的主要教学环节是64学时的课堂教学。实践教学环节由两部分组成：（1）实验环节；（2）现场实习环节（认识实习、生产实习、毕业实习）。实践教学环节如图1所示。

从图1中可以看出，煤矿开采学实验和实习环节项目较多。通常实验环节采用参观模型的方法，由于实验设备年限较长，老化严重，很多设备无法正常运转。实习环节中需要理论知识与现场生产相结合，实习天数无法保证便很难完成实习任务，且某一矿的采煤方法和采煤工艺单一，实习期间无法了解更多的采煤方法与采煤工艺。

二、煤矿开采学实践教学环节存在的问题

新疆地区煤炭高校采矿专业在实践教学环节过程中存在诸多不可避免的困难和问题。以新疆工程学院采矿工程专业“煤矿开采学”为例，实践教学环节中主要存在以下几方面的问题：

1. 室内实验设备陈旧，与煤矿现场应用的设备脱节严重，且不同采煤方法和采煤工艺的设备不同，如需全部购买，耗费的财力太大，并且设备占地面积大，室内模拟困难。

2. 与我校签订的实习基地具备井下参观学习的矿方大多分布在呼图壁山区、哈密戈壁，不具备留宿大量学生的条件，并且实习路途遥远，往返费用高，长期以来实习经费不足，实习期间每生每天6元，不能维持为期2周认识实习，4周生产实习，4周毕业实习的正常教学环节，因此，通常缩短实习时间。

3. 煤矿井下生产环境复杂，安全风险较大，矿方不愿接受大量学生实习。

4. 新疆本地高校民语言学生比例高，采矿工程专业民语言学生以维吾尔族、哈萨克族为主，约占总人数50%-60%，通常民语言学生汉语水平参差不齐，实习过程中语言沟通是一突出问题，同时大多数矿井没有开放清真餐厅，民族学生饮食习惯也是一客观问题[10]。

5. 实习教学环节常集中在学期初或学期末，对课堂教学过程中理论与实践相结合不利。

鉴于以上情况，目前采矿工程专业实验教学和实习教学环节中存在比较突出的问题。虚拟仿真技术的可视化、可重复性可有效的解决理论教学和实践教学中的诸多问题，因此，应用先进的虚拟仿真技术，真实地反映复杂的矿井生产系统，为学生营造自主学习的环境，采用创新的教学模式改善优化实践实习教学环节就势在必行。

三、虚拟仿真教学系统的应用

煤矿开采学虚拟仿真实践教学系统涵盖采矿工程主干专业课“煤矿开采学”内容，知识体系全面，内容丰富；寓教于乐，使学生在轻松、愉悦的环境下接受知识，借助多媒体技术，通过交互式的三维互动场景，将复杂难懂的知识点生动形象的展示出来，系统可单机配备，也可通过局域网实现多点访问。该系统主要包括实验系统和实习系统，实验系统能够满足學校对学生的实验教学要求，使学生养成良好的操作习惯，实习系统满足学生对所学知识的认知、实习了解。

（一）实验教学中的应用

虚拟仿真实验系统能够使学生通过互动操作相应设备了解采煤方法、采煤工艺、提升系统、综掘工艺以及爆破工艺等过程，完成主要实验内容学习，代替传统实验中的参观学习。以爆破掘进巷道为例，常规的实验手段为观看炮眼布置示意图和模型，无法清晰直观的展示周边眼、辅助眼、掏槽眼的打孔顺序以及装药结构等等。如图3（a）所示，该系统提供了巷道掘进工作面炮眼布置三视图、爆破说明书、装药结构图、工作面图纸。工作面图纸中预设了拱形巷道、梯形巷道、矩形巷道等几种常见的巷道断面形状，与后续步骤紧密结合可模拟不同的巷道巷道断面形状如何采用爆破工艺进行掘进。通过查看炮眼布置图和爆破说明书，选择合理的钻孔机具进行钻孔，按照步骤提示模拟炮眼钻孔过程，完成“钻孔”工序。根据设定的均质煤层条件，依据装药结构图学习周边眼、辅助眼、掏槽眼的装药量。图3（b）中，详细演示了钻孔完毕后装药、清孔、封孔、敷设母线以及爆破前的检查等各项工序。通过该系统可清晰直观的演示巷道掘进爆破工艺，实现教学中无法演示的环节。

（二）实习教学中的应用

虚拟仿真实习系统，可解决学院安排实习难的问题。按煤矿开采学教学大纲要求，以三维场景全面的讲述从煤矿井田划分和采煤准备方式到现代化矿井，能够立体展示课本中抽象的概念，配合系统语音解说，对各种数字模型进行放大、缩小、平移等细节查看，使学生可自主学习。实习系统中主要涵盖采煤方法、采煤工艺、开拓系统、准备方式等几大模块。以采煤方法实习为例，通常现场实习学生按组分配在不同的矿井，每组学生接触的采煤方法只有该矿采用的采煤方法，对其他采煤方法无法亲身体验，从而限制专业认知。如图4所示，该系统预设了目前全国范围内常见的七种采煤方法，学生可通过该系统学习不同矿区的采煤方法，同时结合现场实习学习领会。

图5中演示了综采工作面采煤机割煤以及液压支架移架工序。因考虑学生人身安全，通常在现场实习中这两道工序学生都无法亲身经历。通过该系统仿真试验学生可操控采煤机模型模拟进刀（推入法进刀、端部斜切进刀、中部斜切进刀、钻入法进刀）、滚筒调节、刮板输送机运煤等环节，较真实的体验采煤机割煤及刮板输送机运煤过程。通过操控液压支架模型可模拟液压支架的工况运行，可以直观学习液压支架承载结构、执行元件、辅助装置的作用。并通过操控液压支架与刮板输送机完成单架依次顺序式、分组间隔交错式、成组整体顺序式三种移架方式的学习。

四、结束语

本文通过分析煤矿开采学实践教学体系以及实践教学中存在的诸多问题，认为虚拟仿真实践教学系统的建设对于采矿工程专业至关重要。将虚拟仿真教学体系引入可弥补传统课堂教学和实践教学的不足，不但能丰富教学内容，更重要的是可以解决目前实验和实习环节中的诸多问题，同时可以形象直观的让学生接触更多的采矿知识。虚拟仿真实践教学是科技时代下教学的重要方式，可以预见，也是未来教学的必然趋势。

参考文献：

[1]韦佳，倪杰，吴远征.基于职业能力培养的应用型本科实践教学体系创建研究[J].实验技术与管理，2015，32（3）：207-210.

[2]郭兵兵，吴金刚.采矿工程实践教学模式改革与实践[J].中国地质教育，2017，26（01）：61-63.

[3]管伟明，木合塔尔·扎日，郭宏正.新疆大学采矿工程专业实践能力培养模式探讨[J].中国地质教育，2010，19（02）：40-43.

[4]刘建庄，李富平，王福生.煤炭高校采矿工程专业实习教学的困境和对策[J].河北联合大学学报（社会科学版），2014，14（06）：82-86.

[5]程思宁，耿强，姜文波，等.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理，2013，30（7）：94-97.

[6]顾晓薇，王青，杨天鸿，等.东北大学采矿工程国家级虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].教育教学论坛，2016，10（3）：141-143.

[7]马文顶，吴作武，万志军，等.采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践[J].实验技术与管理，2014，31（09）：14-18.

[8]解盘石，伍永平.多元数值仿真技术在采矿工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2013，30（3）：89-91.

[9]张源，万志军，马文顶，等.矿山压力与岩层移动虚拟仿真实验教学方法探讨[J].实验室研究与探索，2016，35（6）：83-86.

[10]管伟明，张紫昭.新疆民语言学生采矿工程专业教学方法探讨[J].教育教学论坛，2016，13（3）：200-201.