支撐一流學科建設的采礦模型實驗室建設探索

楊勝利， 楊 杰

(1. 中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院， 北京 100083；2. 放頂煤開采煤炭行業工程研究中心，北京 100083； 3. 共伴生能源精準開采北京市重點實驗室， 北京 100083)

中國礦業大學(北京)采礦工程被評為第一批“雙一流”建設學科，對采礦學科發展而言，既是新的歷史機遇，同時也帶來了新的挑戰[1]。一流學科有兩個標志，一是擁有一流科研，產出一流學術成果；二是有一流的教學，培養出一流的人才[2]。世界一流學科又必定要求建設與其相匹配的世界一流實驗室[3]，既包括科研實驗室，也包括教學實驗室。而采礦模型實驗室作為采礦工程實驗室的重要組成部分，同樣需要達到世界一流水平。采礦工程也是一門綜合性很強的工程學科，它主要講授固體(煤、金屬及非金屬)礦床開采的基本理論和方法，使學生熟悉并掌握礦區規劃、礦山開采設計、巖層控制技術、礦山安全技術及工程設計方面的基本知識[4]。

能源或資源的賦存條件千差萬別，要求的開采技術、面臨的技術難題都不同，這決定了采礦工程具有實踐性強的特點[5]。學生在傳統的學習環節中對這種實踐性活動認識有限，而采礦模型展示可以充分模擬采礦各個環節，便于學生理解、認知和掌握；采礦模型實驗室的建設要求實驗室模型必須滿足采礦方法及工藝展示齊全、智能自動化程度高、便于講解、操作簡單和運行可靠等要求[6]。

1 煤礦開采綜合模型

煤炭資源一直以來在一次能源的比例都超過63%，而且今后相當長一段時間預計也不會低于50%[7]。煤礦開采主要分為井工和露天開采，我國井工開采量占煤炭開采總量的88%左右，露天開采占12%左右。隨著一批大型露天礦的建設，露天開采所占的比例在“十三五”后預計會增加到15%。井工開采主要分為壁式體系和柱式體系采煤法，其中壁式體系占90%以上。壁式體系采煤法作為我國最為常見的采煤方法，已經形成了完備的工藝，尤以長臂采煤法最為成熟，而房柱式開采由于采出率低，國內較少應用。

為了最大限度地節省空間，將露天和井工開采設計布置在同一個模型中，在地表進行露天開采，在深部進行井工開采。井工部分實體模型包括：井田開拓、井巷工程與支護、準備方式、采煤工藝及回采巷道的布置、房柱式開采巷道布置、礦井通風與安全、礦山壓力及控制、礦井運輸與提升、礦井地面生產系統及工業場地、選礦廠及設備布置、煤炭地下氣化、瓦斯抽采(地表與井下)、常見硐室等方面。露天開采實體模型部分包括：剝巖、采場布置、常見落煤和運煤方式、排土場形式、邊坡加固與治理技術等內容，見圖1(a)。煤礦開采實體模型部分運用了聲、光、電高科技材料與手段，將煤礦地面建筑物及設施、井下生產系統與設施準確形象地仿真模擬出來，并采用多種剖視方法，完整體現井下開拓及采準巷道的布置。模型的規格尺寸：12 000 mm×3 500 mm×2 400 mm，見圖1(b)。

圖1 煤礦開采綜合模型(井工、露天)實物部分

煤礦開采綜合模型可以連接到生產調度系統，通過調度系統操控各個設備模型和系統線路光電開關，并在由8塊32寸液晶顯示屏組成的大屏幕上展示相應環節路線，使得井下各系統各設備實現了可視化模擬操控。生產調度系統可以實時監控顯示各生產環節，并可以通過切換分別顯示井工和露天開采內容；通過預留的接口，可以遠程連接生產礦井的實際生產調度系統，展示大屏幕尺寸為2 m×4 m，見圖2。控制主機配置了綜采、大采高、放頂煤、炮采、普采、房柱式、露天礦開采3D教學視頻，模擬演示巷道布置與采礦工藝，配合教學使用。

圖2 煤礦開采綜合模型模擬調度系統

該模型主要功能如下：模擬演示立井施工、平巷施工、掘進施工的工藝過程；光電模擬演示礦井采、掘、機、運、通系統；演示露天開采的鉆孔、采裝、運輸、排土、排卸各工藝的設備布置及工作原理；3D模擬演示綜采、大采高、放頂煤、炮采、普采、房柱式、露天礦開采采礦工藝；地面工業廣場電動升降等。

2 金屬礦地下開采綜合模型

由于金屬礦山的資源有限，淺部資源逐漸枯竭，地下開采應用越來越廣泛[8]。同煤礦開采一樣，單純地通過教材很難將復雜的金屬礦山的整個系統和采礦方法講清楚。因此，金屬礦地下開采綜合模型的設立十分必要。

該模型按現代化礦井設計制作，并根據教學要求，綜合了多種開拓方式與采礦方法、常見硐室，采用現代材料與聲、光、電等高科技手段，將礦井地面生產系統及設施、井下生產系統及設施形象展現，完整的開拓系統與采準系統展示了井下采、掘、機、運、通的生產工藝及地下開采的全貌。規格尺寸:10 000 mm×2 600 mm×2 000 mm，見圖3。

圖3 金屬礦地下開采綜合模型

模型展示的主要內容包括地面工業廣場、充填材料制備、尾礦濃密脫水系統、塌陷區復墾與治理。開拓方式包括：豎井開拓、平硐開拓、豎井斜井聯合開拓、斜坡道開拓等。

采礦方法包括全面采礦法、房柱式采礦法、淺孔留礦采礦法、垂直深孔階段礦房采礦法、上向水平分層充填采礦法、有底柱分段崩落采礦法、無底柱分段崩落采礦法、分層崩落法、方框支架充填采礦法、溶浸采礦法、嗣后充填采礦法等，總計11種。

3 開拓與準備、回采以及災害模型

采礦工程作為一門系統性工程，由眾多系統構成，而每部分系統都關系著礦井整體的安全高效生產，缺一不可。由于我國煤礦開采以地下開采為主，因而以煤礦地下開采為背景，進一步展示和細化開拓、準備、開采方法和巷道掘進與支護系統等，這些系統通過模型展示可以使學生細致了解煤礦各個組成部分及功能。

3.1 開拓與準備綜合模型

開拓系統綜合模型由地面、井下兩大部分組成，主要按井筒形式對開拓方式進行了分類，能完整顯示平硐、豎井、斜井開拓、聯合開拓系統、井底車場等。準備巷道的布置方式稱準備方式。合理的準備方式，一般要在技術可行的多種準備方式中進行技術經濟分析比較后才能確定。準備方式直接關系著工作面和礦井的生產效果。

該綜合模型立體顯示井下各系統的空間位置關系，著重表現開拓系統與采掘工作面的相對位置與銜接關系。并展示采區、盤區、帶區、條帶開采四種準備形式，能完整顯示準備巷道的條數、空間位置，并顯示近距離煤層群聯合準備巷道布置。光、電模擬顯示全礦井通風系統。模型的規格尺寸：4 200 mm×1 400 mm×1 800 mm，見圖4。

圖4 開拓與準備系統綜合模型

3.2 采煤方法綜合模型

采煤方法是指采煤系統與采煤工藝的綜合及其在時間、空間上的相互配合。而采煤系統是指采區內的巷道布置系統以及為了正常生產而建立的采區內用于運輸、通風等目的的生產系統，通常是一系列準備巷道和回采巷道構成的。由于煤層的自然賦存條件和采用的采煤機械不同，完成采煤工作各道工序的方法也就不同，在進行的順序、時間和空間上必須有規律地加以安排和配合。這種在采煤工作面內各道工序按照一定順序完成的方法及其配合成為采煤工藝。

由于采煤方法種類繁多[9]，而通過采煤方法模型不僅能夠詳細觀察到采煤工作面內部開采流程(采煤機、刮板輸送機、液壓支架三機配套，可操控設備自行運轉),見圖5(a)，以及煤炭運輸流程(刮板輸送機、轉載機、皮帶輸送機)，見圖5(b)、5(c)，還能認識到不同采煤方法的區別與特征，見圖5(d)、5(e)。該模型包括：綜合機械化采煤方法、大采高采煤方法、放頂煤采煤方法、普通機械化采煤法、房柱式采煤法、錯層位采煤法、水平分段放頂煤法、柔性掩護支架采煤法、充填開采、薄煤層無人化開采等。該系統詳細顯示不同采煤方法回采巷道布置、采煤裝備、開采工藝等內容。光、電模擬顯示不同采煤方法生產、運輸、通風、材料、行人、瓦斯抽放等系統。規格尺寸：6 000 mm×1 800 mm×2 000 mm，見圖5。

圖5 采煤方法綜合模型

3.3 巷道掘進與支護綜合模型

煤礦巷道掘進分為巖巷和煤巷掘進。巷道斷面可分矩形、梯形及各類拱形等，見圖6(a)、6(b)。巖巷掘進是一個多工序交替過程，主要由破巖、裝運和支護三大工序組成。該模型包括巖巷和煤巷的掘進與支護。巖巷掘進模型包括：巷道斷面形式、爆破鉆孔布置、爆破工藝、裝巖裝備、運輸形式與裝備等。煤巷掘進模型包括：巷道斷面形式、破煤裝備與工藝、裝煤形式與裝備、運輸形式與裝備、探放水鉆孔布置、通風方式與裝備、瓦斯抽放等。支護模型包括：支護形式、支護材料、支護參數，以及支護機具。機具還包括鑿巖臺車、硬巖掘進機、連采機、盾構、掘錨機。模型規格尺寸：3 600 mm×1 000 mm×1 500 mm，見圖6。

以上開拓、準備、回采、掘進模型的開關及操作流程調用都可以通過觸摸顯示屏系統進行操作。

3.4 災害預測與防治模型

煤礦5大自然災害是指瓦斯、煤塵、水、火和頂板災害[10]。瓦斯是指井下各種有毒、易燃易爆的氣體；煤塵是指能爆炸的煤塵和濃度達到可以導致塵肺的煤塵；水是指可以導致煤礦淹井或出現人員傷亡的涌水或透水；火是泛指井下發生的各種火災；頂板災害是指煤礦巷道或采區頂上的巖層發生的各種垮塌或冒落事故。煤礦災害預測與防治直接關系到井下工作人員的生命安全，而通過此模型可以將各種災害直觀展現，從而更加便于理解災害原理。該模型包括煤礦開采過程中常見災害的預測與防治，包括工作面頂板大面積來壓、沖擊地壓、礦井突水、煤與瓦斯突出、地表沉陷與巖層移動等。該模型可以展示不同災害形式發生的機理與常見防治措施等，以及光、電模擬顯示不同災害形式的預測與防治。模型規格尺寸：3 000 mm×1 600 mm×1 500 mm，見圖7。

圖6 巷道掘進與支護綜合模型

圖7 災害預測與防治模型

4 采礦新技術

采礦新技術包括月球采礦、地下水庫、煤炭地下氣化、海洋采礦等，是未來采礦發展的方向。

4.1 月球采礦

月球作為人類的共同財產，大力發展月球采礦不僅符合國家能源戰略，更是應對國際競爭[11]的保障。模型用月球一塊陸地作為采礦平臺，建立太陽能發電站，仿真制作運輸車、礦倉、鑿巖機等模型，模擬演示月球采礦工藝。采礦平臺采用泡沫板、紗布、乳白膠等材料仿照月球表面設計制作，采礦機械采用有機玻璃、ABS板等材料仿真制作，模擬演示露天采場采礦工藝，該模型可以模擬演示月球采礦的采礦工藝，仿真演示月球的地表環境，并演示月球地表露天采場的結構及設備布置等，見圖8。

圖8 采礦新技術模型

4.2 煤炭地下氣化

煤炭地下氣化是將處于地下的煤炭進行有控制地燃燒，通過對煤的熱作用及化學作用產生可燃氣體的過程。煤炭地下氣化燃燒后的灰渣留在地下，采用充填技術，大大減少了地表下沉和無固體物質排放，因此煤炭地下氣化減少了地面環境的破壞，這是其他潔凈煤技術無法比擬的。地下氣化煤氣可以集中凈化，脫除焦油、硫和粉塵等其他有害物質，甚至可降CO。經地面變換后，采用分離技術將CO2分離出來儲存或作其他用途，從而得到潔凈煤氣，因此，地下氣化技術有利于解決大氣污染問題。

模型按照有井式煤炭氣化設計制作，分為地面和井下兩部分組成。地面部分包括儲氣罐、氣化站、運輸管道等，井下部分包括氣體運輸管道、除塵器、巷道系統、脫硫裝置等。模型本體采用鋼結構，模型部分采用高檔有機玻璃，電腦雕刻，仿真制作，各管線和氣體光電模擬，動態演示。該模型可以模擬煤炭地下氣化的結構組成，光電演示煤炭地下氣化的氣體運輸路線，見圖8。

4.3 地下水庫

煤礦開采會對地下水系統形成嚴重破壞，而建立地下水庫不僅能最大限度減少地下水流失，還能使地下水系統通過人為調控實現循環。模型分為地表管道設備和地下水庫兩部分。地下含水層采用透水系數好的砂巖制作，布置隔水層。地下水庫工程主要由以下幾部分組成：地下水壩、蓄水的庫容、能夠把大量降水和地面水有效地滲入地下水庫地各種各樣的引水回灌工程，以及水井等可以從地下水庫提取用水的工程。地表管道設備包括抽水管道、水廠、凈水池等。地下含水層采用透水系數好的砂巖制作，布置隔水層，地下大壩、地表管道設備采用有機玻璃、ABS板等材料仿真制作，該模型可以模擬演示地下水庫的結構，演示地下水庫的儲水功能，并演示地表抽水調節水庫水位等，見圖8。

4.4 海洋采礦

我國領海面積廣闊，海洋資源豐富[12]，海洋采礦日益成為采礦行業新趨勢。設計模型為一深海開采綜合演示模型(見圖9)，包括深海礦產的采集、海底軟管輸送、海底礦物制備及裝載、礦物輸送及提升，以及海洋支持及作業平臺等。模型可以模擬演示深水動力定位半潛式作業平臺的結構，以及深水動力定位半潛式作業平臺的工作原理；模擬演示浮式水下設備的總體組成及配置，以及電動模擬演示塔吊的旋轉運動；了解鏈斗式采礦船的結構及工作原理，以及海底集礦機及提升管道的結構及工作原理等。

另外，為了展示煤炭形成過程、煤炭開發利用歷史、煤炭資源分布等，制作了相應的展板。展示內容包括：地質年代表、成煤巖系、煤種煤質、地質構造、煤層賦存條件、頂底板特征、我國煤炭資源分布等。

5 結語

(1) 中國礦業大學(北京)采礦工程作為第一批“雙一流”建設學科，需要一流的實驗室來支撐學科發展。而采礦工程又因為其綜合性、實踐性強的學科特點，采礦模型實驗室的建設必不可少。

(2) 采礦模型實驗室采用動態機械仿真模型與計算機智能化系統演示相結合的方法，具有智能自動化程度高、便于講解、操作簡單和運行可靠等特點。

(3) 采礦模型實驗室的設立，填補了采礦整套系統各個環節類型配套模型展示運轉的空白，展示了未來采礦發展的方向和技術，極大推動了采礦工程的教學和學科發展。

圖9 海洋采礦模型