新形勢下采礦工程專業的實驗教學

胡浩 朱傳奇 袁安營 張明 焦振華

摘? 要：采礦工程作為一個多科學交叉的學科應具有更深入的實驗實踐教學。目前采礦工程實驗課教學手段單一，試驗系統簡單、枯燥，實驗內容相互獨立。依托國家重點實驗室儀器設備等硬件條件優勢，對采礦工程綜合實驗課進行探索。通過建立“礦山虛擬仿真—三維相似材料模擬系統—巖石力學實驗系統—工業CT”實驗教學體系，有助于學生對專業課理論知識進行融會貫通，提高實驗課教學效果。

關鍵詞：采礦工程? 實驗教學? 儀器? 國家重點實驗室

中圖分類號：TD80-4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（c）-0215-04

Abstract： Mining engineering as a multi science interdisciplinary subject should have more in-depth experimental practice teaching. At present， the teaching method of mining engineering experiment course is single， the test system is simple and boring， and the experimental content is independent of each other. Relying on the advantages of hardware conditions such as instruments and equipment of State Key Laboratory， the comprehensive experimental course of mining engineering is explored. By establishing the experimental teaching system of "Mine Virtual Simulation—similar material simulation system—rock mechanics experimental system—CT"， it is helpful for students to understand the theoretical knowledge of professional courses and improve the teaching effect of experimental courses.

Key Words： Mining engineering; Experimental teaching; Instruments; State Key Laboratory

采礦工程作為一個多學科交叉融合的學科，包含力學、數學、物理學、環境科學、計算機技術等多門學科，所培養的學生為具有研究、應用型的復合型人才[1]。這就要求采礦工程的專業課設計具有更廣理論知識，同時有更多的實驗實踐教學。

1? 采礦工程實驗教學現狀

隨著時代的發展，當前采礦工程專業傳統的實驗教學已很難實現創新型教育。多數煤炭院校采礦工程專業實驗課主要包括三部分內容：巖石力學實驗課、二維的相似材料模擬試驗課、室內礦井模型的參觀。

室內礦井模型多為早年制作且無法進行更新，模型中的開拓方式、工作面條件、機械裝備等均與當前現代化礦井實際情況相差甚遠。并且模型多為塑料等材料，存在著損壞修復困難等問題。二維的相似材料模擬試驗所制作的模型為平面模型，無法反映巷道、采場開挖后真實的圍巖情況。對于尚未接觸過礦井的本科生來說，不夠直觀、難以引起學生共鳴，導致于教學效果一般[2]。巖石力學實驗課的教學內容一般為煤巖的單軸壓縮、劈裂、剪切等基本物理參數。并且學生少有機會參與實驗操作，形成了“教師講授學生觀察”的教學模式。教學內容簡單、教學形式單一，這些原因讓學生失去了學習的興趣與動力。

目前采礦工程實驗課教學手段單一，加之簡單、枯燥的試驗系統，難以激發學生的學習、科研興趣。同時，各專業課的實驗內容相互獨立，并沒能構建好的實驗教學系統[3-4]。因此，完善采礦工程實驗課的實驗系統，豐富實驗課內容變的尤為重要。

2? 采礦工程實驗教學的定位

實驗課教學作為理論課的補充與拓展，加深學生對理論知識的掌握與理解;激發學生的學習、科研興趣。通過形象、直觀的實驗，調動學生的主觀能動性;開拓視野、培養學生實踐創新能力。通過實驗課教學讓學生掌握學科前沿知識，熟知學科前沿儀器設備。

3? 采礦工程綜合實驗教學的探索

3.1 采礦工程綜合實驗教學平臺

安徽理工大學是安徽省重點建設的特色高水平大學。采礦工程學科是學校最早設立的學科之一，歷史悠久。經過數十年發展，采礦工程學科體系完整，圍繞礦井安全高效回采等開展科研工作，科研水平不斷提高，科研條件不斷改善，科研實力不斷增強。

實驗課是對理論知識進行檢驗和驗證的重要手段，實驗是教學中必不可少的環節。儀器設備是實驗教學開展的前提條件，是實驗教學的基礎。儀器設備的性能直接關系到實驗課的教學效果，以及學生創新能力的培養情況[5]。安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室實驗條件優越，現有實驗大樓一棟，面積24650m2。實驗室儀器設備總值達1億多元，并構建了如下研究系統：仿工程復雜物理場煤巖力學演化特性實驗系統;動靜荷載下氣固耦合煤巖沖擊動力學特性實驗系統;深部工程支護體性能檢測系統;含瓦斯煤巖損傷、破壞微細觀全時演化監測系統;三維立體相似材料模擬智能實驗系統。

依托采礦工程學科優勢，以及深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室儀器設備等硬件條件優勢，對采礦工程綜合實驗進行探索。

3.2 采礦工程綜合實驗設計

采礦工程專業學生經過前期認識實習，已對礦井有了初步的認識。通過采礦工程綜合實驗對采煤學、巖體力學、礦山壓力與巖層控制、礦山水文地質、井巷工程等專業課知識進行梳理[6]。讓學生全面地了解礦井相關知識，有層次地進行探索性學習。結合實驗室現有儀器設備，采礦工程綜合實驗課由以下四部分組成：礦山虛擬仿真系統—三維相似材料模擬系統—巖石力學實驗系統—工業CT。

3.2.1 礦山虛擬仿真實系統

教學目的：全面了解礦井工業廣場、井下工作環境、礦井機械設備以及生產工藝。

安徽理工大學虛擬仿真實驗室為實驗教學提供了一個大場景寬視野的3D教學環境，通過虛擬現實技術以及三維建模技術，創造出一個1：1的虛擬場景。內置動作捕捉系統，通過排布在空間中的數個動作捕捉攝像頭將運動者的運動狀態以圖像的形式記錄下來，通過3D圖形工作站將圖像數據進行處理，得到不同時間計量單位的空間位置（X，Y，Z），本實驗可通過捕捉操作者頭部、手部運動軌跡實時顯示在LED大屏，實現自然高效的交互式教學效果。教師采用交互設備，模仿真實的實驗、實踐教學過程，學生佩戴立體眼鏡，仿佛置身于真實的操作環境中。實驗室可用于大型工程三維漫游（如礦井生產）、高精端儀器虛擬拆裝及操作、危險系數較高的實驗環節操作過程演練、不可逆公共安全災害應急展示等。采礦工程虛擬仿真實驗教學資源開放管理平臺在校園網面向所有用戶開放，對校內外展示虛擬仿真實驗教學信息。學生可在校園內任意網絡接入點訪問平臺資源，不僅可以方便地利用平臺資源學習和開展實驗，還可以根據平臺上提供的器材自由搭建合理的典型實驗項目。此外，虛擬仿真實驗教學資源開放管理平臺還具有信息發布、實驗數據收集分析、互動交流、成績評定、成果展示等功能。同時該平臺為開放式，根據教學的需要可添加其他實驗教學內容。

同課堂枯燥的教學相比，虛擬仿真實驗課的3D及交互功能，可以讓學生身臨其境，親身體驗礦井環境，更深入地將理論知識與現場情況相結合，有利于學生深入思考圍巖失穩等力學機理。結合虛擬仿真系統中的嵌入模塊，授課老師可以從機械裝備、回采工藝、圍巖受力多個角度，全方位、立體式的引導學生展開學習采礦工程的相關知識點。激發學生學習的主觀能動性，培養學生對未知問題進行積極探索的精神。

3.2.2 三維相似材料模擬系統

教學目的：通過相似材料模擬試驗模型的設計、制作、開挖等步驟，掌握采場覆巖運動及礦山壓力的規律。了解以應力為主控因素的三維礦壓理論。

煤層回采過程中，隨著工作面的推進，圍巖原有力學平衡狀態遭到破壞，上覆巖層發生變形移動，直至破壞垮落。三維相似材料模擬試驗作為研究煤層回采過程頂板變形破壞的主要手段之一，具有方便、快捷、可重復的優勢。三維相似材料模擬實驗系統由：加載系統、回采系統、監測系統以及輔助配套系統等部分組成。采用多種檢測方式相結合、運用多種檢測與監測技術，能夠有效獲取煤層回采過程的關鍵信息，保證測量結果的可靠性。采用應力傳感器對回采面的應力變化進行檢測，采用分布式光纖應變傳感技術對裂縫位置及開合程度進行評估，采用聲發射技術監測裂隙的萌生及發展過程，采用超聲檢測技術與相控陣超聲檢測技術對實驗模型內部裂隙成像，對煤層回采過程中上覆巖層破裂狀態及應力變化情況進行全過程監測。

相比二維相似材料模擬實驗臺，三維相似材料模擬實現了模擬實驗與現場的高度相似性。學生在實驗過程中要同時考慮相似比、工作面布置、回采速度、煤層傾角等多重因素，確保模型與實際工況地質力學條件更相近，在此過程中學生能夠對所學專業課知識進行梳理并運用。三維相似材料模擬系統更直觀地展示了工作面的回采過程，盡可能地還原了實際條件下的生產狀況，讓學生直觀認識上覆巖層變形破壞過程，掌握采場三維礦壓的動態演化。

3.2.3 巖石力學實驗系統

教學目的：掌握巖石單軸壓縮、剪切、劈裂等實驗的方法，能夠完成單軸抗壓強度、抗拉強度、泊松比、彈性模量等力學參數的計算。

實驗室MTS816巖石力學實驗系統，由美國MTS公司生產的專門用于巖石及混凝土試驗的多功能電液伺服控制剛性試驗機，具備軸壓、圍巖、剪切三套獨立的閉環伺服控制系統，可完成煤巖體單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗、三軸壓縮流變試驗、剪切試驗、拉伸試驗、斷裂試驗、滲流試驗、高低溫試驗等，能夠測定煤巖體各種力學特性，具有精度高，可靠性好，響應速度快等優點，是目前世界上最為先進的室內巖石力學試驗設備。全程計算機控制，可實現自動數據采集及處理;配備軸壓、圍壓與剪切三套獨立的伺服系統;實心鋼制荷重架只儲存很小的彈性能從而實現剛性壓力試驗;伺服閥反應敏捷，試驗精度高;與試件直接接觸的引伸計可在高溫高壓環境中工作，實現的應力、應變進行精確的測量;試驗可采用任意加載波形與速率，三種控制方式可在試驗中自動轉換;調節范圍寬廣的閉環加熱系統可提供均勻的溫度場。MTS-816巖石力學實驗系統為目前我國最先進巖石力學實驗系統之一，剪切、滲流等模塊齊全，可配合PIC-2型聲發射監測系統使用。氣固耦合煤巖細觀變形監測系統與MTS-816巖石力學實驗系統聯合使用，可以實現煤巖體氣固、流固耦合細觀力學實驗。

以MTS816為主的巖石力學實驗系統將工程現場的問題帶入實驗室小尺度進行分析解決，探究試樣破裂原因，最終將實驗結果回歸現場用于解決現場問題。培養學生知識運用能力以及探索創新能力。在試驗過程中配合聲發射設備，可以幫助學生拓寬科技視野，

3.2.4 工業CT

教學目的：從微觀變形認識試件破壞。了解學科前沿知識，熟知學科前沿儀器設備。

實驗室Phoenix v|tome|x L 300配置了獨有的單極300kV微焦點射線管。由于射線管的單極設計，系統不僅有高放大倍率，而且可用于高衰減率材料的試件檢測。v|tome|x L 300以花崗巖為機械平臺基座，配有輻射安全防護室，可檢測重量達50kg、長度達600mm/直徑達500mm的試件。特點：二維檢測和三維CT的細節分辨率達1微米，單極設計的射線管，具有高放大倍率（射線管到試件的最小距離為5mm），可實現高精度測量功能，缺陷識別和高精度量測，檢測范圍廣泛，無需更換射線管可檢測各種不同的試件，可對高衰減率試件采用300kV的非破壞性定量分析，采用三維加速重建軟件，可在數分鐘內完成重建。對內部結構進行三維數據模型重構，獲取內部所有物理信息，包括各個組分的占比、形參以及其他根據定制化的功能。可開展動載作用下含瓦斯煤巖體微觀損傷演化探測;實現煤巖體內部幾何形態、斷裂面表面形態、結構面三維空間分布特征的智能監測;開展動靜載荷作用下含瓦斯煤巖多尺度裂隙演化及三維重構實驗。三軸加載驅替裝置可以模擬地層條件下的壓力環境，進行驅替并獲得軸向及外圍應力變化曲線，并實時觀測三軸施壓過程中，內部孔隙變化、裂縫變化等形貌發展規律，于驅替過程中進行快速CT掃描，觀察驅替路徑。三軸力學加載裝置與巖芯數字掃描儀配套使用，可實現加載全過程的快速CT掃描，該裝置具備恒溫系統，實時監測溫度變化與調控。

利用CT技術將煤巖試件內部可視化，直觀的展示煤巖內部微觀結構，讓學生更好的理解煤巖變形破壞過程，解決了長久以來這類抽象知識對學生的困擾。同時，工業CT拓寬了學生的視野，改變了學生對采礦工程專業—枯燥艱苦的認識，增加了學習興趣。

4? 結語

通過建立“礦山虛擬仿真實驗系統—三維相似材料模擬系統—巖石力學實驗系統—工業CT” 實驗教學體系，系統地向學生展示了“工程現場—實驗室尺度—微觀變形”之間的聯系，培養學生將現場問題轉換到實驗室進行分析的思維方式。同時利于學生對專業課理論知識進行梳理，提高實驗課教學效果。

參考文獻

[1] 邵安林，邱景平，柳小波，等.采礦卓越工程師培養模式的改革與探索[J].高教學刊，2020（8）：150-152.

[2] 張源，他旭鵬，馬陽升，等.巖層移動物理模擬實驗教學系統的改進與應用[J].教育教學論壇，2019（49）：267-270.

[3] 王鵬，王瑞，張偉光，等.采礦工程專業實踐教學改革對策分析——以新疆工程學院為例[J].當代教育實踐與教學研究，2018（5）：72-73.

[4] 趙兵朝，余學義，聶麗華，等.以創新能力培養為導向的采礦工程人才培養改革與實踐[J].技術與創新管理，2019，40（3）：304-307.

[5] 張平，王登科，曾凡超.CT技術在煤巖裂隙演化實驗教學中的改革探討[J].中國現代教育裝備，2019（15）：11-13.

[6] 陳靜，劉偉韜，秦忠誠，等.依托礦業工程國家級實驗教學示范中心探索高校本科實驗教學體系新模式[J].教育現代化，2019，6（5）：79-84.