支撑一流学科建设的采矿模型实验室建设探索

杨胜利， 杨 杰

(1. 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院， 北京 100083；2. 放顶煤开采煤炭行业工程研究中心，北京 100083； 3. 共伴生能源精准开采北京市重点实验室， 北京 100083)

中国矿业大学(北京)采矿工程被评为第一批“双一流”建设学科，对采矿学科发展而言，既是新的历史机遇，同时也带来了新的挑战[1]。一流学科有两个标志，一是拥有一流科研，产出一流学术成果；二是有一流的教学，培养出一流的人才[2]。世界一流学科又必定要求建设与其相匹配的世界一流实验室[3]，既包括科研实验室，也包括教学实验室。而采矿模型实验室作为采矿工程实验室的重要组成部分，同样需要达到世界一流水平。采矿工程也是一门综合性很强的工程学科，它主要讲授固体(煤、金属及非金属)矿床开采的基本理论和方法，使学生熟悉并掌握矿区规划、矿山开采设计、岩层控制技术、矿山安全技术及工程设计方面的基本知识[4]。

能源或资源的赋存条件千差万别，要求的开采技术、面临的技术难题都不同，这决定了采矿工程具有实践性强的特点[5]。学生在传统的学习环节中对这种实践性活动认识有限，而采矿模型展示可以充分模拟采矿各个环节，便于学生理解、认知和掌握；采矿模型实验室的建设要求实验室模型必须满足采矿方法及工艺展示齐全、智能自动化程度高、便于讲解、操作简单和运行可靠等要求[6]。

1 煤矿开采综合模型

煤炭资源一直以来在一次能源的比例都超过63%，而且今后相当长一段时间预计也不会低于50%[7]。煤矿开采主要分为井工和露天开采，我国井工开采量占煤炭开采总量的88%左右，露天开采占12%左右。随着一批大型露天矿的建设，露天开采所占的比例在“十三五”后预计会增加到15%。井工开采主要分为壁式体系和柱式体系采煤法，其中壁式体系占90%以上。壁式体系采煤法作为我国最为常见的采煤方法，已经形成了完备的工艺，尤以长臂采煤法最为成熟，而房柱式开采由于采出率低，国内较少应用。

为了最大限度地节省空间，将露天和井工开采设计布置在同一个模型中，在地表进行露天开采，在深部进行井工开采。井工部分实体模型包括：井田开拓、井巷工程与支护、准备方式、采煤工艺及回采巷道的布置、房柱式开采巷道布置、矿井通风与安全、矿山压力及控制、矿井运输与提升、矿井地面生产系统及工业场地、选矿厂及设备布置、煤炭地下气化、瓦斯抽采(地表与井下)、常见硐室等方面。露天开采实体模型部分包括：剥岩、采场布置、常见落煤和运煤方式、排土场形式、边坡加固与治理技术等内容，见图1(a)。煤矿开采实体模型部分运用了声、光、电高科技材料与手段，将煤矿地面建筑物及设施、井下生产系统与设施准确形象地仿真模拟出来，并采用多种剖视方法，完整体现井下开拓及采准巷道的布置。模型的规格尺寸：12 000 mm×3 500 mm×2 400 mm，见图1(b)。

图1 煤矿开采综合模型(井工、露天)实物部分

煤矿开采综合模型可以连接到生产调度系统，通过调度系统操控各个设备模型和系统线路光电开关，并在由8块32寸液晶显示屏组成的大屏幕上展示相应环节路线，使得井下各系统各设备实现了可视化模拟操控。生产调度系统可以实时监控显示各生产环节，并可以通过切换分别显示井工和露天开采内容；通过预留的接口，可以远程连接生产矿井的实际生产调度系统，展示大屏幕尺寸为2 m×4 m，见图2。控制主机配置了综采、大采高、放顶煤、炮采、普采、房柱式、露天矿开采3D教学视频，模拟演示巷道布置与采矿工艺，配合教学使用。

图2 煤矿开采综合模型模拟调度系统

该模型主要功能如下：模拟演示立井施工、平巷施工、掘进施工的工艺过程；光电模拟演示矿井采、掘、机、运、通系统；演示露天开采的钻孔、采装、运输、排土、排卸各工艺的设备布置及工作原理；3D模拟演示综采、大采高、放顶煤、炮采、普采、房柱式、露天矿开采采矿工艺；地面工业广场电动升降等。

2 金属矿地下开采综合模型

由于金属矿山的资源有限，浅部资源逐渐枯竭，地下开采应用越来越广泛[8]。同煤矿开采一样，单纯地通过教材很难将复杂的金属矿山的整个系统和采矿方法讲清楚。因此，金属矿地下开采综合模型的设立十分必要。

该模型按现代化矿井设计制作，并根据教学要求，综合了多种开拓方式与采矿方法、常见硐室，采用现代材料与声、光、电等高科技手段，将矿井地面生产系统及设施、井下生产系统及设施形象展现，完整的开拓系统与采准系统展示了井下采、掘、机、运、通的生产工艺及地下开采的全貌。规格尺寸:10 000 mm×2 600 mm×2 000 mm，见图3。

图3 金属矿地下开采综合模型

模型展示的主要内容包括地面工业广场、充填材料制备、尾矿浓密脱水系统、塌陷区复垦与治理。开拓方式包括：竖井开拓、平硐开拓、竖井斜井联合开拓、斜坡道开拓等。

采矿方法包括全面采矿法、房柱式采矿法、浅孔留矿采矿法、垂直深孔阶段矿房采矿法、上向水平分层充填采矿法、有底柱分段崩落采矿法、无底柱分段崩落采矿法、分层崩落法、方框支架充填采矿法、溶浸采矿法、嗣后充填采矿法等，总计11种。

3 开拓与准备、回采以及灾害模型

采矿工程作为一门系统性工程，由众多系统构成，而每部分系统都关系着矿井整体的安全高效生产，缺一不可。由于我国煤矿开采以地下开采为主，因而以煤矿地下开采为背景，进一步展示和细化开拓、准备、开采方法和巷道掘进与支护系统等，这些系统通过模型展示可以使学生细致了解煤矿各个组成部分及功能。

3.1 开拓与准备综合模型

开拓系统综合模型由地面、井下两大部分组成，主要按井筒形式对开拓方式进行了分类，能完整显示平硐、竖井、斜井开拓、联合开拓系统、井底车场等。准备巷道的布置方式称准备方式。合理的准备方式，一般要在技术可行的多种准备方式中进行技术经济分析比较后才能确定。准备方式直接关系着工作面和矿井的生产效果。

该综合模型立体显示井下各系统的空间位置关系，着重表现开拓系统与采掘工作面的相对位置与衔接关系。并展示采区、盘区、带区、条带开采四种准备形式，能完整显示准备巷道的条数、空间位置，并显示近距离煤层群联合准备巷道布置。光、电模拟显示全矿井通风系统。模型的规格尺寸：4 200 mm×1 400 mm×1 800 mm，见图4。

图4 开拓与准备系统综合模型

3.2 采煤方法综合模型

采煤方法是指采煤系统与采煤工艺的综合及其在时间、空间上的相互配合。而采煤系统是指采区内的巷道布置系统以及为了正常生产而建立的采区内用于运输、通风等目的的生产系统，通常是一系列准备巷道和回采巷道构成的。由于煤层的自然赋存条件和采用的采煤机械不同，完成采煤工作各道工序的方法也就不同，在进行的顺序、时间和空间上必须有规律地加以安排和配合。这种在采煤工作面内各道工序按照一定顺序完成的方法及其配合成为采煤工艺。

由于采煤方法种类繁多[9]，而通过采煤方法模型不仅能够详细观察到采煤工作面内部开采流程(采煤机、刮板输送机、液压支架三机配套，可操控设备自行运转),见图5(a)，以及煤炭运输流程(刮板输送机、转载机、皮带输送机)，见图5(b)、5(c)，还能认识到不同采煤方法的区别与特征，见图5(d)、5(e)。该模型包括：综合机械化采煤方法、大采高采煤方法、放顶煤采煤方法、普通机械化采煤法、房柱式采煤法、错层位采煤法、水平分段放顶煤法、柔性掩护支架采煤法、充填开采、薄煤层无人化开采等。该系统详细显示不同采煤方法回采巷道布置、采煤装备、开采工艺等内容。光、电模拟显示不同采煤方法生产、运输、通风、材料、行人、瓦斯抽放等系统。规格尺寸：6 000 mm×1 800 mm×2 000 mm，见图5。

图5 采煤方法综合模型

3.3 巷道掘进与支护综合模型

煤矿巷道掘进分为岩巷和煤巷掘进。巷道断面可分矩形、梯形及各类拱形等，见图6(a)、6(b)。岩巷掘进是一个多工序交替过程，主要由破岩、装运和支护三大工序组成。该模型包括岩巷和煤巷的掘进与支护。岩巷掘进模型包括：巷道断面形式、爆破钻孔布置、爆破工艺、装岩装备、运输形式与装备等。煤巷掘进模型包括：巷道断面形式、破煤装备与工艺、装煤形式与装备、运输形式与装备、探放水钻孔布置、通风方式与装备、瓦斯抽放等。支护模型包括：支护形式、支护材料、支护参数，以及支护机具。机具还包括凿岩台车、硬岩掘进机、连采机、盾构、掘锚机。模型规格尺寸：3 600 mm×1 000 mm×1 500 mm，见图6。

以上开拓、准备、回采、掘进模型的开关及操作流程调用都可以通过触摸显示屏系统进行操作。

3.4 灾害预测与防治模型

煤矿5大自然灾害是指瓦斯、煤尘、水、火和顶板灾害[10]。瓦斯是指井下各种有毒、易燃易爆的气体；煤尘是指能爆炸的煤尘和浓度达到可以导致尘肺的煤尘；水是指可以导致煤矿淹井或出现人员伤亡的涌水或透水；火是泛指井下发生的各种火灾；顶板灾害是指煤矿巷道或采区顶上的岩层发生的各种垮塌或冒落事故。煤矿灾害预测与防治直接关系到井下工作人员的生命安全，而通过此模型可以将各种灾害直观展现，从而更加便于理解灾害原理。该模型包括煤矿开采过程中常见灾害的预测与防治，包括工作面顶板大面积来压、冲击地压、矿井突水、煤与瓦斯突出、地表沉陷与岩层移动等。该模型可以展示不同灾害形式发生的机理与常见防治措施等，以及光、电模拟显示不同灾害形式的预测与防治。模型规格尺寸：3 000 mm×1 600 mm×1 500 mm，见图7。

图6 巷道掘进与支护综合模型

图7 灾害预测与防治模型

4 采矿新技术

采矿新技术包括月球采矿、地下水库、煤炭地下气化、海洋采矿等，是未来采矿发展的方向。

4.1 月球采矿

月球作为人类的共同财产，大力发展月球采矿不仅符合国家能源战略，更是应对国际竞争[11]的保障。模型用月球一块陆地作为采矿平台，建立太阳能发电站，仿真制作运输车、矿仓、凿岩机等模型，模拟演示月球采矿工艺。采矿平台采用泡沫板、纱布、乳白胶等材料仿照月球表面设计制作，采矿机械采用有机玻璃、ABS板等材料仿真制作，模拟演示露天采场采矿工艺，该模型可以模拟演示月球采矿的采矿工艺，仿真演示月球的地表环境，并演示月球地表露天采场的结构及设备布置等，见图8。

图8 采矿新技术模型

4.2 煤炭地下气化

煤炭地下气化是将处于地下的煤炭进行有控制地燃烧，通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体的过程。煤炭地下气化燃烧后的灰渣留在地下，采用充填技术，大大减少了地表下沉和无固体物质排放，因此煤炭地下气化减少了地面环境的破坏，这是其他洁净煤技术无法比拟的。地下气化煤气可以集中净化，脱除焦油、硫和粉尘等其他有害物质，甚至可降CO。经地面变换后，采用分离技术将CO2分离出来储存或作其他用途，从而得到洁净煤气，因此，地下气化技术有利于解决大气污染问题。

模型按照有井式煤炭气化设计制作，分为地面和井下两部分组成。地面部分包括储气罐、气化站、运输管道等，井下部分包括气体运输管道、除尘器、巷道系统、脱硫装置等。模型本体采用钢结构，模型部分采用高档有机玻璃，电脑雕刻，仿真制作，各管线和气体光电模拟，动态演示。该模型可以模拟煤炭地下气化的结构组成，光电演示煤炭地下气化的气体运输路线，见图8。

4.3 地下水库

煤矿开采会对地下水系统形成严重破坏，而建立地下水库不仅能最大限度减少地下水流失，还能使地下水系统通过人为调控实现循环。模型分为地表管道设备和地下水库两部分。地下含水层采用透水系数好的砂岩制作，布置隔水层。地下水库工程主要由以下几部分组成：地下水坝、蓄水的库容、能够把大量降水和地面水有效地渗入地下水库地各种各样的引水回灌工程，以及水井等可以从地下水库提取用水的工程。地表管道设备包括抽水管道、水厂、净水池等。地下含水层采用透水系数好的砂岩制作，布置隔水层，地下大坝、地表管道设备采用有机玻璃、ABS板等材料仿真制作，该模型可以模拟演示地下水库的结构，演示地下水库的储水功能，并演示地表抽水调节水库水位等，见图8。

4.4 海洋采矿

我国领海面积广阔，海洋资源丰富[12]，海洋采矿日益成为采矿行业新趋势。设计模型为一深海开采综合演示模型(见图9)，包括深海矿产的采集、海底软管输送、海底矿物制备及装载、矿物输送及提升，以及海洋支持及作业平台等。模型可以模拟演示深水动力定位半潜式作业平台的结构，以及深水动力定位半潜式作业平台的工作原理；模拟演示浮式水下设备的总体组成及配置，以及电动模拟演示塔吊的旋转运动；了解链斗式采矿船的结构及工作原理，以及海底集矿机及提升管道的结构及工作原理等。

另外，为了展示煤炭形成过程、煤炭开发利用历史、煤炭资源分布等，制作了相应的展板。展示内容包括：地质年代表、成煤岩系、煤种煤质、地质构造、煤层赋存条件、顶底板特征、我国煤炭资源分布等。

5 结语

(1) 中国矿业大学(北京)采矿工程作为第一批“双一流”建设学科，需要一流的实验室来支撑学科发展。而采矿工程又因为其综合性、实践性强的学科特点，采矿模型实验室的建设必不可少。

(2) 采矿模型实验室采用动态机械仿真模型与计算机智能化系统演示相结合的方法，具有智能自动化程度高、便于讲解、操作简单和运行可靠等特点。

(3) 采矿模型实验室的设立，填补了采矿整套系统各个环节类型配套模型展示运转的空白，展示了未来采矿发展的方向和技术，极大推动了采矿工程的教学和学科发展。

图9 海洋采矿模型