基于实践能力培养的矿山仿真模型实验教学改革探讨

魏中举 余芳芳 黄宇琪 谢小平

摘 要：仿真模型贴合生产现场实际场景，可作为实验教学工具用来培养学生的实践能力，弥补专业课程抽象的理论教学。随着教育技术的发展，仿真模型从早期的实物仿真演示模型，逐步发展到互动式实操模型，再到数字化仿真模型、虚拟仿真模型，仿真实验教学方式不断改革创新，增加了学生实验过程的互动参与性，具有一定的实操感，提高了学生的动手实践能力，有效提升了专业课程的教学质量，为培养应用型工程技术人才奠定了基础。

关键词：仿真模型；实验教学；能力培养；教学改革；实践能力

Exploration of Experimental Teaching Reform

on Mining Simulation Model Based on Practical Ability Cultivation

Wei Zhongju Yu Fangfang Huang Yuqi Xie Xiaoping

College of Mining and Mechanical Engineering，Liupanshui Normal University GuizhouLiupanshui 553004

Abstract：The simulation model fits the actual production scene and can be used as an experimental teaching content to cultivate students' practical abilities and supplement the abstract theoretical teaching of professional courses.With the development of educational technology，simulation models have gradually evolved from physical simulation demonstration models to interactive practical models，then to digital simulation models and virtual simulation models.The simulation experimental teaching method continues to innovate，adding interactive participation in the student experimental process，with a certain sense of practical operation，enhancing students' practical abilities and improving the teaching quality of professional courses，which helps to cultivate applied engineering and technical talents.

Keywords：Simulation model；Experimental teaching；Ability cultivation；Teaching reform；Practical ability

仿真模型实验教学在高等学校专业课程教学中已成为一种重要的教学方法，尤其针对矿业类相关专业课程，专业理论教学较为抽象，而矿山生产现场又具有一定的危險性，通过仿真模型可以使学生全面直观地理解矿山生产的各个环节，形成空间立体感，加深对专业课程的理解［1］。

矿山开采是具有一定的复杂性，采场是不断推移变化的，通过矿山仿真模型可以对采矿流程、矿井设计、设备配置等方面进行模拟演示，涉及矿产开发的全过程，提高了学生对矿山开采的直观认识，为矿山相关专业课程的教学提供可视化的模拟场景和实践操作平台［2］。本文以六盘水师范学院采矿工程、安全工程等专业仿真模型实验室的建设为例，介绍矿山仿真模型实验教学改革的发展过程，仿真实验的改革思路可以为相关院校矿业类专业建设和实验教学提供借鉴。

1 采矿仿真模型

传统的课堂学习中，往往通过概念、理论、图片或视频等素材对专业知识或生产活动进行讲解，但由于缺乏实物对照，学生对生产现场较难形成具体的景象［34］。为了有助于学生理解、认知和掌握矿山开采相关知识，建设了早期的采矿仿真模型实验室。采矿仿真模型主要包括矿山地质模型、矿山开采模型和设备操作模型等，各种类型的模型展示相对齐全、便于讲解演示、操作简单，但早期模型相对规模较小，各个生产环节独立展示未形成一体化模型，学生动手操作少。

矿山地质模型，例如地质构造和地层赋存系列模型，通过采集实际矿山的地质数据和参数，在模型中可以模拟矿体形态、矿层结构和矿物组成等信息，从而为采矿方案的制订和优化提供参考依据，使学生清晰地认识各种地质构造、煤层赋存状态等，为煤层开采巷道布置等构建空间感，更好地理解空间层位关系。

采矿开采模型，通过模拟矿山采矿过程中的操作和流程，在模型中可以模拟矿山开采、运输、通风等环节，较为全面地展示矿山生产的各个环节。例如现代化矿井仿真模型，如图1所示，从地面工业广场，到主副井、井底车场、水平大巷，直到采煤工作面，全景展现了矿山开采的各个环节。其他模型，如矿井通风与安全仿真实验装置、采煤工作面“三量”观测线布置模型、全矿井消防降尘监控模型等，分别演示了通风系统、矿山岩层控制、矿井灾害治理等相关内容。

图1 现代化矿井仿真模型

设备操作模型，如立井罐笼提升与保护演示装置，通过制作设备实物模型，模拟采矿设备的实际操作过程，为矿山机械设备的教学提供演示。

2 回采巷道综合模型

为了更加真实地贴近矿山生产现场，在实验室设计开发了回采巷道综合模型，仿真程度高，学生进入实验室如身临煤矿井下，部分设备为矿山实际生产用设备，如局部通风机、锚杆钻机等，学生可以实际操作。

回采巷道综合模型主要包括井巷工程仿真、矿井辅助系统仿真、掘进工作面仿真、局部通风系统仿真等。井巷工程仿真，模拟回采工作面及回采巷道、紧急避险硐室等。矿井辅助系统仿真主要模拟井下的压风系统和供排水系统等。压风系统，布置两台螺杆式空压机，可电动演示，一套压气管路系统，一套电控系统。井下供水系统，井下供水管路一套，采用PVC供水管，水管直径25mm。排水系统，布置水泵两台，可电动演示。通信系统，智能交换机一台、矿用电话机3部、通信线路等，实现控制室与各电话机和各电话机之间的自由通话及呼叫。掘进工作面仿真，布置掘进巷道断面，采用锚喷支护，掘进工作面断面预留演示孔2个，便于实操作业；巷道内配置煤矿用气动锚杆钻机一套，仿真隔爆开关3台，瓦斯检测仪一套。局部通风系统通过配置2台轴流式局部通风机和风筒，局部通风机为真实的矿用设备，打开后提供新鲜空气到掘进工作面。瓦斯抽采系统仿真，配置瓦斯抽放钻场断面一个，钻孔作业钻场断面一个，在作业面可进行钻孔作业实操和封孔作业实操。煤矿除尘、消防系统仿真，平巷内设置水棚六棚，每三棚一组，配置消防器材一套。紧急避险系统仿真，模拟临时避难硐室，主框架采用方钢焊接而成，采用防火材料，巷道表面采用树脂高仿煤壁板。煤矿火灾防治系统，配置拖管式注氮工艺设备一套，采用仿真拖管，主要材料为金属制作。

3 互动式实操仿真模型

早期的采矿仿真模型以实物演示为主，虽有简单操作，但缺乏人机交互式操作，回采巷道综合模型，由于占地面积小，也仅能模拟部分生产场景。为了培养学生更好的实践动手能力，设计开发了互动式实操仿真模型，主要包括采煤机械实操仿真模型和智能化综掘工作面仿真系统。

3.1 采煤机械实操仿真模型

采煤机械实操仿真模型实现了硬件设备和软件交互控制，为专业课程实验教学提供了一种全新的手段和工具［5］。

该设备硬件根据采煤机1∶1比例进行3D模型设计制作，教学仪由教学仪机体、采煤机推杆、无线遥控器、功能控制按钮、切换视角按钮、退出按钮、确认按钮、备用按钮、高集成数据电路板及各种功能调节组件等组成。硬件为全金属框架、一体式设计，可以组建网络，实现学生考试信息自动上传到服务器，方便查询与存档，并可以打印成绩单，考试成绩自动存储到服务器。采煤机械实操软件系统，提供了仿真的场景教学，可拆解的采煤机械构造，并且设置了理论考试等部分，可对操作步骤进行评分，满足了实验教学及考核的需求，逼真性强、数据传输快、互动能够准确快速地反应。

该设备实现虚拟场景与硬件系统互动，控制相符，并伴有相应语音、声光提示，具备多种工况综合演练的功能。采煤机操作教学仪不仅适用于高校学生的专业课程教学及考核使用，而且适用于一线生产操作人员的学习及培训使用。

3.2 智能化综掘工作面仿真系统

智能化综掘工作面仿真系统直观地展现了综掘工作面、掘进机、集中控制操作平台、煤矿巷道等场景，该系统包括：综掘工作面及断面模型；掘进工作面及各传感器及截割轨迹等；仿真掘进机及各传感器；瓦斯、温度传感器；掘进工作面供电设备；全过程视频监控系统；集中控制操作平台及显示系统；网络传输相关附件（包括快速插接光缆、连接器、矿用网线、安全型稳压电源、信号转换器、交换机等）。

智能化综掘工作面仿真系统可以开展智能化掘进作业各工种的仿真培训和训练，是煤矿智能化掘进相关课程学習的一次革命，系统均在小电流、低电压的工况下运行，具有本质安全特点，大大提升学生对综掘系统的操作技能。

4 数字矿山模型及虚拟仿真模型

矿山实物模型使学生对矿山开采活动有了较为清晰的认识，但限于实验室场地，实物模型往往只能展示矿山某个区域或部分设备。随着科技的进步和教育信息技术的发展，数字矿山模型及虚拟仿真模型逐步替代实物模型，在实验教学中发挥越来越重要的作用［6］。

数字矿山模型包括地下矿山三维数字模型、矿井通风系统模型等。数字矿山模型是利用计算机技术，通过现场数据采集、三维建模、数值仿真等步骤来实现的，能够帮助学生更好地理解矿山地质情况、矿区内部结构、设备选型和巷道设计，还可以进行安全评估和应急预案设计［7］。

虚拟仿真模型建立了硬件设备和教学软件。硬件设备包括沉浸式立体投影显示系统1套，虚拟现实实验室系统软件1套，处理平台和虚拟头盔各5套，三维可视化工作站系统1套等。开发的虚拟仿真软件主要包括二维相似材料模拟实验、岩石力学虚拟仿真实验、煤矿生产系统虚拟仿真、智能开采虚拟仿真模型等。

智能开采虚拟仿真模型主要对矿井智能化综采面进行仿真，仿真其工作环境、主要工作设备等，实现第一人称行走。在三维场景中动态仿真实际采煤工艺流程，仿真地面远程操控室、井下综控室，通过远程操控完成综采工作面采煤机、刮板输送机、转载机、端头支架、液压支架等设备，并可通过视频窗口观看设备运行状况。

智能开采虚拟仿真模型主要包括工业广场仿真、井巷工程仿真、智能化综采工作面仿真、地面办公室集中控制中心、井下集控室集中控制系统仿真等，如图2、图3所示。

井巷工程仿真建立了矿井三维的井巷空间布置形式，介绍了矿山的井巷工程类别、主要井巷、主要硐室、工作面构成等部分，对主要巷道及硐室的作用及要求进行说明。智能化综采工作面仿真可实现第一人称行走以及主要机械设备的交互式操作，例如采煤机控制台交互式操作、液压支架交互式操作等。综采工作面地表远程控制系统，包括采煤机集控台操作模式、液压支架集控台操作模式、实时监控画面等。各操作模式可以实现交互式操作，在地面控制中心、井下集控室实现对井下采煤设备的远程智能控制。

结语

矿山仿真模型以实际生产现场为原型，涵盖矿山地质、矿井开采、设备操作等矿山生产的各个环节，给专业教学提供了相对真实的工具展示，又具有相对真实的交互式实操性，可以培养学生的应用实践能力。矿山仿真模型实验教学经历了简单的实物仿真模型，再到较为复杂的综合模型、互动实操仿真模型，随着教育信息技术的发展，目前数字矿山模型、虚拟仿真模型应用越来越广泛，为专业实验教学转型升级提供了有力的支撑。在仿真模型教学的同时，积极引导学生结合专业课程知识点及礦山实际生产原型，充分发挥学生的自主性，动手实践制作新的矿山模型，并对矿山模型进行优选，鼓励学生参加全国采矿工程专业实践作品大赛，锻炼了学生的实践创新能力，并取得了丰硕的成果。

参考文献：

［1］杨胜利，杨杰.支撑一流学科建设的采矿模型实验室建设探索［J］.实验技术与管理，2019，36（01）：253258.

［2］朱卫兵，王晓振.面向采矿卓越工程师的模拟支架研制与应用［J］.实验室科学，2018，21（02）：1922.

［3］岳雨霏，贾奥祺，张宇辰，等.电气类本科生传统实验课程改革需求探索［J］.科技风，2021（09）：7576.

［4］吴超，徐帅，梁瑞余，等.基于3D打印技术的采矿方法物理模型制作研究［J］.中国矿业，2020，29（10）：96101.

［5］宋润生.试论采掘机械虚拟实操设备在安全技能培训中的运用［J］.西部探矿工程，2019，31（06）：133134.

［6］游善红，曹洪龙，胡剑凌.基于虚拟仿真实验的通信原理教学改革探索与实践［J］.科技创新导报，2019，16（31）：203206.

［7］林吉飞，乔登攀，董娟，等.数字矿山模型创建及其在采矿专业教学中的应用［J］.昆明冶金高等专科学校学报，2021，37（05）：109114.

基金项目：贵州省高等学校教学内容和课程体系改革项目（2020194；2022284）；贵州省一流本科课程（金课）建设项目（GZSylkc202231）；六盘水师范学院一流本科课程建设项目（LPSSYylkz202008）；六盘水师范学院教学内容和课程体系改革研究项目（LPSSYjg202134）；六盘水师范学院采矿工程专业教学团队（LPSSYjxtd201808）

作者简介：魏中举（1985— ），男，硕士，副教授，研究方向：矿山压力与岩层控制、虚拟仿真实验教学。