高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验建设

王恩元， 王 亮， 徐剑坤， 李晓伟， 裴晓东， 李忠辉， 刘清泉， 丁 增

（中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 221116）

0 引 言

我国煤炭开采向着智能化、大采深、大采高、高强度的趋势发展，深部煤层处于“三高一低”环境（高应力、高瓦斯压力、高地温和低渗透），煤炭开采面临更加严重的安全风险。其中，石门在揭穿煤层时，在高地应力与高瓦斯压力共同作用下易发生十分严重的煤与瓦斯突出，导致群死群伤事故多发，威胁安全生产。煤炭行业的安全可持续发展急需高校高质量人才的产出作为支撑，但目前与之配套的实验实践教学资源却难以满足人才培养的需要。矿山安全实验实践教学［1-5］普遍存在高危险、高复杂、高成本、过程不可逆等特点，各种煤岩动力灾害再现困难，缺少配套的教学资源与教学手段。虚拟仿真技术与实验实践教学结合有利于解决这一问题。

虚拟仿真实验教学项目，是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措［6］。近年来，随着虚拟仿真技术的不断进步，仿真实验广泛应用于各行各业的教学和培训［7-10］。

1 石门安全揭煤教学现状

在井工煤矿巷道掘进并揭露煤层的过程中，岩体破碎改变了应力环境和瓦斯赋存状态，富含瓦斯的煤层在地应力和瓦斯压力的共同作用下极易发生失稳，造成煤与瓦斯突出。据统计，石门揭煤工作面突出平均强度为其他各类巷道平均突出强度的6倍以上，超过80%的千吨级以上特大型突出事故都发生在石门揭煤过程中［11］。如2004年10月20日，河南郑煤集团大平煤矿21轨道下山岩石掘进工作面发生煤与瓦斯突出事故，突出煤岩量约1 894 t，瓦斯量25×104m3，同时诱发特别重大瓦斯爆炸事故，造成148人死亡。

石门安全揭煤流程和工艺极其复杂，需反复工程实践训练，但现场实验与实践教学危险性高，若发生事故则后果严重，因此现场教学开展困难［12-13］。目前，石门安全揭煤教学主要以仿真模型和模拟演示为主，但这与工程情境相去甚远，真实性差，体验度低；在教学过程中，也以教师讲解为主，学生参与度不高，动手环节少，难以达到实践训练的目的。

为解决实验实践教学资源与手段缺乏的问题，本文依据石门安全揭煤这一工程背景，吸收最新科研成果与工程技术应用案例，综合运用虚拟现实、系统仿真、“互联网+”等新一代信息技术，开发了高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验项目。

2 石门安全揭煤教学目标与知识体系

结合煤岩动力灾害防治课程的教学目的与教学内容，梳理并设计高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验教学的目标与知识体系（见图1）。

图1 实验项目知识体系

2.1 教学目标

（1）建立矿井生产系统三维认知。通过对现代化生产矿井及石门揭煤工作面真实情境的虚拟现实再现，引导学生认知工业广场、主要井巷及石门揭煤工作面的生产系统。

（2）了解石门揭煤诱发突出机理。了解煤与瓦斯突出分类及石门揭煤诱发突出机理。

（3）熟悉突出煤层石门揭煤流程。熟悉两个“四位一体”的概念及内含，包括区域综合防突工作流程及要求、局部综合防突工作流程及要求。

（4）掌握突出判定指标测试方法。掌握包括煤与瓦斯突出危险性预测、效果检验、验证的各项指标（瓦斯压力、瓦斯含量、钻屑指标等）及其测试步骤和方法。

（5）掌握煤与瓦斯突出防治工艺。掌握前探、钻机打钻、注浆泵注浆、金属骨架安装等主要设备的操作步骤与流程，并能实践操作。了解不同煤层增透措施（水力割缝、水力造穴等）的原理、操作要求以及适应条件。

（6）具备解决现场实际问题能力。通过完整、系统的三维虚拟仿真交互操作实验，培养学生具备运用现代科学技术及方法开展监测、预报和治理突出灾害的实践能力，以及开展石门安全揭煤工程实践能力。

2.2 知识体系

（1）揭煤前探分析模块。包括石门揭煤的定义、前探钻孔探煤共2个知识点。使学习者了解石门揭煤的相关概念，了解石门揭煤煤与瓦斯突出的特点、危险性及分类，掌握前探钻孔探煤的意义、要求及原理。

（2）区域四位一体模块。包括区域预测、区域防突措施、区域措施效果检验及区域验证4个知识点。使学习者掌握区域突出危险性预测、区域措施效果检验及区域验证的指标和方法，掌握区域性防突措施及煤层增透的原理和步骤，最终使学习者在交互操作过程中深刻理解并系统掌握区域综合防突技术的流程及原理。

（3）局部四位一体模块。包括工作面预测、工作面防突措施、工作面措施效果检验、揭煤验证及安全防护措施5个知识点。使学习者掌握工作面突出危险性预测、工作面措施效果检验及揭煤验证的指标和方法，掌握工作面防突措施以及安全防护措施的原理、步骤及必要性，最终使学习者在交互操作过程中深刻理解并系统掌握局部综合防突技术的流程及原理。

（4）远距离揭煤模块。包括远距离爆破揭煤1个知识点。使学习者掌握远距离爆破安全揭煤的工艺流程、注意事项及施工参数，最终使学习者在交互操作过程中认识到严格按照规定确定爆破参数（爆破范围、爆破时间、人员位置）的重要性和必要性。

3 虚拟仿真实验教学软件设计与开发

基于高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验教学的目的与内容，设计软件系统架构，运用虚拟现实、系统仿真、“互联网+”等技术开发配套软件，采用面向服务的软件架构开发，集实物仿真、创新设计、智能指导、自动批改和教学管理于一体，通过各模块数据接口的无缝衔接，增加开放度与适应性，最终达到实验教学的自主性、交互性和可扩展性［14-16］。

3.1 软件设计

如图2所示，软件系统架构分为数据层、支撑层、通用服务层、仿真层、应用层5层。每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验教学软件的构建。

图2 高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验系统总体架构

（1）数据层。存储虚拟仿真实验涉及的多种类型虚拟实验组件及数据，分别设置基础元件库、实验课程库、典型实验库、标准答案库、规则库、实验数据、用户信息等模块。

（2）支撑层。是虚拟仿真实验教学与开放共享平台的核心框架，是实验项目正常开放运行的基础，负责整个基础系统的运行、维护和管理。分别设置安全管理、服务容器、数据管理、资源管理与监控、域管理、域间信息服务等模块。

（3）通用服务层。提供虚拟实验教学环境所需的一些通用支持组件，以便用户能够快速在虚拟实验环境中完成实验。分别设置实验教务管理、实验教学管理、理论知识学习、实验资源管理、智能指导、互动交流、实验结果自动批改、实验报告管理、教学效果评、项目开放与共享等模块，同时提供相应集成接口工具，以便第3方虚拟实验集成接入。

（4）仿真层。主要是针对实验教学项目进行的实验场景构建、设备建模、设备交互功能开发、任务引导系统嵌入，为上层提供实验交互数据的格式化输出。

（5）应用层。是基于以上基础层开发的面向最终用户的应用服务，其利用仿真层提供的实验交互数据，设计各种实验环节，面向师生开展教学应用。高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验教学项目在应用层设计了矿井认知、瓦斯治理工艺理论、瓦斯治理流程实践和实验考核等。

3.2 软件开发

基于以上系统架构，按照B/S架构路线，综合应用HTML5、3D Studio Max、Unreal Development Kit、Photoshop等技术与工具进行软件开发。为追求开发质量与应用效果，设计单场景模型总面数不少于2 000 000面、贴图分辨率为1 024×1 024、动作反馈时间不多于1 s、显示刷新率高于30 Hz、显示分辨率为1 920×1 080。

4 实验过程

高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验教学软件使用文字图片、动画视频、场景漫游、三维场景体验与交互操作等多种形式展现12个知识点，组成矿井认知、瓦斯治理工艺理论、瓦斯治理流程实践、实验考核等4个模块，可供学习者课前预习、理论学习、实操实验与学习考核［17-18］。学习者使用该软件开展的实验流程如图3所示。

图3 实验流程

4.1 矿井认知

点击矿井认知按钮，进入场景漫游，将对井工煤矿的煤岩层地质环境、地面工业广场、井下巷道、生产系统进行宏观展示，再逐步切换到石门揭煤工作面，讲述石门揭煤的概念、位置，展示石门和煤层的剖面关系，如图4、5所示学习者可根据提示进行漫游操作。

图4 矿井认知界面

4.2 瓦斯治理工艺理论

点击瓦斯治理工艺理论按钮进入理论学习模块，该模块对石门安全揭煤工艺流程及所涉及的知识点进行了详细介绍，帮助学生掌握石门揭煤的基础理论知识，亦提供检索功能，便于学习者在实践操作遇到问题时查阅学习。

图5 石门揭煤工作面

4.3 瓦斯治理流程实践

在瓦斯治理工艺理论学习模块完成后，点击瓦斯治理流程实践按钮进入实践实操模块，依次有前探钻孔探煤、区域预测、区域防突措施、区域效果检验、区域验证、局部（工作面）防突措施、局部效果检验、安全防护措施、远距离爆破等9个实验环节，如图6～9所示。

图6 前探钻孔探煤演示界面

图7 区域防突措施界面

图8 局部（工作面）防突措施界面

图9 爆破等待界面

4.4 实验考核

实践环节完成后，学习者点击实验考核按钮进入考核模块。系统从题库中随机抽取试题组成试卷，考核石门安全揭煤实验中所涉及的理论和实践知识，考核学习者的掌握程度。试卷分为判断题和单选题，点击“提交”后，系统自动给出得分。实验考核同时要求提供实验报告1份，根据完整性、新颖性、适用性原则进行评价。

5 实验评价方法

高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验采用综合评价法，强调学生在知识学习与技能训练效果上的多样化、系统性与综合性，全面考察学生在进行石门安全揭煤作业中所涉及到的基础理论知识、突出灾害预测参数实测与实验操作能力、防突作业工程实践能力等，采用多种表现形式对知识与能力进行反复考察，从而建立全流程跟踪评价体系，如表1所示。

表1 虚拟仿真实验评价体系

6 实践效果

高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验教学项目建设中积极将课程思政元素融入，引入安全一流学科在重大灾害防控方面的最新科研成果，用虚拟仿真形式向学生展示最先进的防治理念与技术，鼓励学生掌握扎实的专业知识，服务国家能源安全重大战略，培养学生的爱国情怀和使命感。

高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验项目于2017年9月在我校上线，已纳入煤岩动力灾害防治等课程的教学计划，累计培养本科生、研究生331人，教学效果良好。

7 结 语

为解决石门安全揭煤实验教学与实践培训开展困难、教学资源与教学手段缺乏，建设了高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验教学系统，在教学实践中该系统表现出安全、可靠、经济、环保等特点，取得了良好的教学效果。同时在教学方法与教学模式上还表现出以下特点：

（1）按照“理论-实践结合、应用驱动、深度融合、持续发展”的教学理念，借助数据与算法模拟、推演物理实体在现实环境中的行为，通过人机交互实现学生的知识迁移与技能培养，打造了场景化、交互式、体验式与融入式教学新模式。

（2）形成以学习者为主体、以核心素养发展为中心，采用信息化教育手段、在数字空间完成学习的教学模式，利于具备多专业知识结构、兼备实践与创新能力的复合型拔尖人才培养，适应行业发展需要。

（3）联想映射，借助于具有沉浸性、真实感的三维空间，可拓展学习者的认知记忆的范围与系统性。突破时空限定，打破了传统封闭式集中学习的组织模式，将学习场地从物理空间拓展到了数字空间。