CT技术在煤岩裂隙演化实验教学中的改革探讨

张 平 王登科 曾凡超

1.安全工程国家级实验教学示范中心(河南理工大学) 河南焦作 454000

2.河南理工大学安全科学与工程学院 河南焦作 454000

我国90%以上的煤炭产量来自于地下开采，随着开采深度的增加，地下煤岩体所处的力学环境与其主要的结构特征变得更为复杂，工人的工作环境差，没有得到有效改善，生命财产安全就得不到保证。煤矿安全生产形势严峻，严重制约着煤炭行业健康发展。由于地应力环境复杂，经常会导致如顶底板事故、煤与瓦斯突出、冲击地压等力学事故发生。以上事故的发生从本质而言都是煤岩变形破坏的结果，能够准确把握煤岩裂隙的物理性质，从而反映煤岩变形破坏的全过程，是煤炭安全开采领域中的基础性内容，同时也是重要的研究内容。

河南理工大学安全工程专业始终站在保护煤矿安全生产的最前列，一直把保障国家煤炭生产安全、服务经济社会建设作为自己的责任与使命，长期致力于煤矿安全问题系统研究，为培养富有创新精神和实践能力的复合型专业技术人才而不断努力[1]。构建安全工程专业实验课程体系，能够帮助培养学生的创新能力、实验能力和动手能力[2]。高校的实验教学环节是检验和验证理论、设计和设想的手段，很多课程要通过实验的形式才能进行[3]。实验教学仪器设备是开展实验教学的硬件基础。实验教学仪器设备的性能，对学生实践创新能力培养有着举足轻重的影响[4]。一所高校在教学实验室方面的建设，尤其是教学仪器设备的购置和使用方面的情况，直接影响其实践教学育人的效果。

当前，工业自动化和计算机技术的飞速发展为高校实验课程体系建设提供了优良的技术装备。探索以先进仪器设备促进专业实验教学体系建设，服务实践教学育人，使高校工作重心从注重规模发展逐步转移到规模可持续发展，同时更加注重提高教学质量，对培养新时期矿井施工与安全领域实践创新人才具有深远的现实意义。

1 当前实验课教学现状

本科生专业实验教学是大学生参与度最高的普适型实践教育平台，学生参与专业实验课程学习过程中的体验和收获，对其未来专业实践创新能力的发展具有关键的启发和导向作用。煤岩裂隙演化实验主要讲授煤岩的变形破坏规律，向学生普及煤岩在外界因素作用下的变形、破坏及失稳过程，让学生了解煤岩的微观结构和失稳破坏规律，在工程实践领域有着广泛的应用。传统的实验教学与基础建设严重脱节，很难适应创新型和工程实践型的教育背景[5]，已严重滞后于新形势下学生对获取知识途径的发展需求。

1.1 室内实验

受传统的教育理念和我国教育体制的双重影响，实验教学未能引起学校的足够重视，长期处于从属地位[6]。当前教学模式下，课程实验是按照教学大纲提前制订好的。实验教师准备好实验器材、调试好仪器设备，排除可能的障碍，讲解实验内容、原理、操作步骤并示范操作，学生模仿操作完成实验。此过程很难使学生真正理解煤岩变形、破坏的复杂现象。

1.2 实习观测

实践性较强是涉煤专业的重要特色之一，对工程学习而言，安排相关内容的野外认知实习是非常必要的，部分专业知识必须结合煤矿现场才能取得较好效果。而实际操作中联系实习基地困难、教学时间有限及需考虑学生安全等问题，很容易导致出现走马观花的现象[7]。实践教学环节薄弱、理论教学和实践应用脱节严重、培养的学生动手能力差、岗位适应能力差的弊端日趋显现，是当前亟须解决的主要问题。

2 CT技术在实验教学中的优势

现代计算机技术的飞速发展以及各种高精尖实验仪器设备的诞生，使得通过实验演示煤岩内部微观结构和变形破坏过程成为现实。基于工业CT的煤岩内部可视化技术(扫描原理如图1所示)能够有效避免学生面临抽象知识的困扰，教师能够借助于高性能计算机再现真实的物性变化，以一种直观的方式向学生展示相关内容。此方法在实验教学上的优势主要有如下体现。

图1 CT扫描原理示意图

2.1 实验设备先进

工业显微CT可以无扰动、多方位地对煤岩体的细微观结构变化进行连续扫描，可以对实验过程中煤样内部变化进行动态观测，得到试样的细观结构变化以及裂隙发育的变化情况，可将扫描测试结果以可视化的形式表现出来，这项技术是较先进的。通过CT技术可以将煤岩变形中不易观测的现象直观地演示出来，让学生更好地理解煤岩微观结构和变形破坏等情况。

2.2 抽象问题可视化

煤岩材料由于其自身组成和结构的复杂性，有些实验结果不能完全重复是非常正常的。此种差异的产生，并不是实验出现问题，而是受到煤岩自身不均质属性的直接影响。这些知识较为抽象，对学生的理解能力具有较高要求，如果实验教师不能言传身教，那么必然会使得学生对于这部分内容的掌握存在漏洞，不利于学生今后的发展。CT技术的可视化功能，保留了实验教学的直观性特点，避免了学生肆意猜想，将分析结果以图片、动画演示，把抽象的概念具体化，使学生理解透彻，不易忘记。

2.3 提高学习兴趣

CT技术可促进实验教学内容的及时更新，具有开放可视的特点，可有效地调动学生学习的主动性，开拓学生潜能，培养学生创新能力。能够最大限度地反映出工程中科学问题的实践操作过程，可使学生理论水平和实践技能大幅度提高，同时融合多媒体手段的教学方法，增加学生学习的自信心和兴趣，为后续课程的学习做好铺垫。

2.4 知识拓展性强

通过本实验课程学习可使学生加深对煤层及巷道围岩变形、失稳破坏等知识点的理解，激发学生对煤体失稳破坏主控因素的探讨，培养学生勇于探寻真理的兴趣。CT技术还可结合数值模拟再现已知的力学现象，加强对已有实验现象的解释，促使学生思考煤岩微观变形、实验规律和工程现象之间的联系，便于本科生更加深入理解和应用相关理论知识，及时提升我校本科教学效果(如图2所示)。

图2 煤岩的CT扫描与裂隙重构实验流程

3 CT技术在实验教学中的应用设计

当前中国高等教育迅速发展，为各高校开展本科实验教学课程体系建设创造了优良的软硬件环境[8]。对煤岩裂隙发育程度和演化规律的客观认识对提高矿井的安全高效开采具有重要的现实意义。开展裂隙损伤与发育演化规律实验课程，基于数字图像处理对煤岩裂隙形态发育规律进行分析，可对我国的煤矿安全施工管理工作起到一定的积极作用。

3.1 煤岩裂隙结构CT测试实验

煤岩体内的裂隙在真实状况下的分布情况主要包含裂隙粗糙程度、疏密程度、连通性以及开口程度等，现有的方法很难将这些指标直观地描述清楚。利用工业显微CT对煤岩的微观结构进行连续扫描，对煤样内部变化进行动态观测，将扫描测试结果以可视化的形式表现出来，可为师生呈现出具有直观视觉感的煤岩内部真实状况(如图3所示)。

图3 CT扫描下煤样表面与内部裂隙实验结果

3.2 受载煤岩体裂隙结构演化的实验教学

工业CT技术能克服传统测试装置的不足，将先进的CT扫描技术与三轴加载设备结合，可实现受载煤岩破坏全过程的CT扫描测试，得到受载煤岩失稳破坏全过程的应力—应变曲线和裂隙结构动态演化特征。将煤岩体的微观变形破坏与其宏观力学性质有机结合，对实验结果进行岩石力学分析和数字图像处理；研究在不同轴压及围压条件下煤体裂隙的发育形态，揭示煤岩受载破坏过程中裂隙的动态演化规律，为煤矿安全开采提供理论支撑。整个测试过程为“一次装样+多次扫描”的形式，通过测试能够完整地反映煤岩体破坏过程中裂隙结构的动态演化规律和力学特性。较传统的非在线加载测试煤体孔裂隙动态发育的过程更加科学可靠，符合原位研究开发煤岩体的思想，减少了测试过程中的不可控因素，使实验结果更具有说服力。

3.3 基于CT扫描的数字煤芯构建实验

基于CT扫描的数字煤芯是以真实岩芯为基础，通过运用计算机图像处理技术和一定的数值算法将真实煤芯数字化，最终构建出具有真实煤芯全部信息的三维数字煤芯。对于低渗透煤储层，构建与之对应的孔裂隙网络数字煤芯可以直观且定量地描述储层的微观孔裂隙结构特征，是开展煤储层表征和微观渗流机理研究的有效手段。将理论教学和实验教学融合，学习程度较好的本科生可开展相关的创新探究实验，为将来从事科学研究打下基础。通过将CT技术引入煤岩裂隙演化实验教学，可实现对未知虚拟现象的展现，让学生获得更多的数据信息。

4 结语

立足于安全工程专业实践教学具体环节，从实际问题出发，思考了安全工程专业实验教学在工程实践人才培养中存在的不足，探讨以先进仪器设备促进专业实验教学体系建设的实践教学育人之路。该实验课程的实施有利于启发学生创新思维和培养学生的综合能力；还可有效地解决普通高校实验教学内容少、课时有限等矛盾。构建安全工程专业实验课程体系可以培养富有创新精神和实践能力的安全技术与管理等方面复合型的高级工程技术人才，随着科技的发展和理论的创新，此过程需要长期持续的加强和完善。