基于虚拟现实技术的应用岩石力学实验教学改革

侯晨 朱万成 刘洪磊 张鹏海

摘  要：应用岩石力学实验课程是高等学校采矿工程专业重要的专业课程，但受限于诸多因素，很多实验在日常教学中难以实现。利用虚拟现实技术，构建逼真的三维虚拟环境，采用人机交互操作界面，以完成教学大纲要求的必修与扩展教学实验，弥补了应用岩石力学实验在可行性、重复性、控制性、展示性方面的不足，为应用岩石力学实验教学和研究提供一种通用的分析工具，有助于实现“教与学的互动、理论与实践的结合、能力与兴趣的共增”这一教学目标。

关键词：虚拟现实;应用岩石力学;采矿工程;本科教学

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：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

應用岩石力学是固体力学的一个分支学科，主要研究岩石在外界因素作用下的应力、应变、破坏、稳定性判定及支护时机等内容，是为采矿工程、矿山工程力学、土木隧道等专业开设的一门专业基础课。通过教学，学生深刻认识到岩石力学基本原理应用于采矿、土木、水利等岩石工程问题的重要性，了解应用岩石力学实验结果的影响因素和岩体的工程特性以及分级方法。这是一门理论性及实践性很强且紧密结合生产实际的课程。

由于自然岩石、岩体材料的非均匀性、非连续性，以及受载历史的复杂性，相关岩石性质的获取需要进行大量的实验。因此，应用岩石力学实验课程一直是学生了解岩石、岩体强度和变形特征，激发学生兴趣的重要途径[1-2]。但实验的安全性、便捷性等也为相关实验教学工作的开展带来一定的挑战[3-6]。应用岩石力学实验教学分为现场实验和室内实验。现场实验教学成本高、实验周期长，联系、协调等环节都十分繁琐，也很难完整观测到灾害的演化过程[7]，而室内实验由于受到现场条件、实验设备等诸多因素的限制，如采动诱发矿山突水灾害、矿柱失稳破坏、空区尺寸优化及应力场分布规律等应用岩石力学的很多实验很难在实验室实际操作[8-10]。虚拟现实技术因交互性、沉浸性和构想性等特点，可以让参与者进行沉浸式体验，所形成的信息环境也具备交互效能多维化的特点[11-12]，使应用岩石力学课程的教学内容得到更为具体和有效的展示，并为学生提供了更好的学习环境。因此，本文主要探讨虚拟现实技术对于应用岩石力学课程的应用。

一、应用岩石力学实验教学存在的问题

（一）应用岩石力学的实验成本高昂

例如一个岩样的单轴压缩实验，需要经历现场取岩、试样加工、粘贴应变片、试验机加载等过程。现场获得岩块由于先天缺陷，且后天受到开采、爆破扰动，标准试样成品率极低，不算人工成本，一个标准试样的成本也在300元人民币左右。且由于自然岩石性质的先天离散型，需要进行重复性实验，又加大了岩石力学实验的支出。另外粘贴应变片、操作试验机都需要专业技术人员进行操作，这都极大增加了应用岩石力学实验的成本支出。

（二）应用岩石力学实验过程显示度不足

应用岩石力学的实验过程，主要通过应力-应变曲线展示，受制于岩石固体本身的不可透视性，岩石受力过程中的变形、破裂到破坏的力学变化无法做到直观展示，更不可能进行重复，导致学生对于实验过程只有一个表观的认识，无法进一步加深理解。

（三）实验设备功能单一，大量实验难以在室内展开

应用岩石实验设备目前主要集中于岩石单轴压、拉、剪等破坏基本试验机。而应用岩石力学课程体系包含岩石、岩体和工程三个维度。显而易见，在岩石尺度上，室内实验还可以对相关理论进行验证，在岩体和工程尺度上，室内实验研究难度很大。而采矿工程涉及到岩石试样的破坏，巷道的塌方、突水、岩爆，边坡的失稳滑移等灾害性现象，更是难以在实验室有效再现。