綜采放頂煤工藝技術虛擬仿真實驗教學

侯運炳，楊大鵬，張 勇，姜喜迪，孫振明，潘衛東

（中國礦業大學（北京） 能源與礦業學院，北京 100083）

近年來，虛擬仿真技術廣泛應用于教學和培訓[1-5]，在煤炭企業技術培訓和高校采礦實驗教學中也得到一定程度的應用[6-11]。綜采放頂煤（簡稱“綜放”）是煤礦開采學的核心教學內容，也是對系統性、實踐性要求極高的大型復雜實驗項目，但實驗室無法提供所需的大型昂貴設備系統以及配套作業的采煤方法及工藝的實驗條件。同時，由于受到安全、環境、繁忙生產等因素影響，學生難以在真實現代化礦井危險環境中進行系統學習和實驗。為推行教學方法改革，本文采用先進的虛擬仿真技術，研發了綜采放頂煤虛擬仿真實驗教學系統，以解決教學難題[12-13]。

1 實時光影技術的應用

為了提升礦井虛擬環境真實感和現場沉浸感，應用實時光影技術增加圖形圖像的逼真度。在虛擬仿真場景中，當物體確定了幾何形態之后，光照決定了整個場景的顯示效果。因此，真實感圖形的生成取決于如何建立一個合適的光照模型。

光線追蹤技術以攝像機為出發點，追蹤光線在場景中到處反射的路徑，在此過程中收集并儲存顏色。因為它模擬了光的實際行為，所以能提供比光柵化逼真得多的結果，例如柔和的、帶細節的陰影，以及來自屏幕外物體的反光。光線追蹤已經被追求極致真實影像的人們在電影中使用了幾十年，但對達到影視級分辨率的一幀畫面進行光線追蹤非常費時，運算常需要幾個小時甚至幾天。

虛擬綜放工作面生產系統在現實中為昏暗的主體，光線追蹤技術的應用將大幅提升展示效果，提高學生體驗水平。為達到高度逼真的仿真效果，虛擬仿真實驗系統在構建過程中，采用虛幻引擎 4（UE4）技術與實時光線追蹤（RTRT）相結合，創作出在細微光照效果上能夠與許多脫機渲染器效果相媲美的交互式體驗。實時光線追蹤可以讓系統看起來更自然，制作出面積光源下的柔和陰影、準確的環境光遮蔽、交互式的全局光照等效果。

本項目應用的新技術對設備軟硬件提出了較高的要求，其中系統版本要求 Windows 10 RS5（構建版1809）或更高版本，使用最新設備驅動程序的NVIDIA RTX系列顯卡或某些支持DXR的GTX系列顯卡。同時，虛幻引擎需要版本4.22或更高版本。

具體技術應用包括：

（1）光線追蹤陰影為環境中的物體模擬柔和的面積光照效果。根據光源的大小或光源的角度，物體的陰影在靠近接觸面的部分會比較銳利，離接觸面越遠就越柔和且變寬。

（2）光線追蹤反射（RTR）模擬準確的環境反光，可支持多次反射，在反光表面呈現相互反射效果。

（3）光線追蹤半透明（RTT）能準確表現玻璃和液體材質，在透明表面上顯示符合物理規律的光線反射、吸收和折射。

（4）光線追蹤環境光遮蔽（RTAO）準確地對環境光照被遮擋的區域投射陰影，使物體更好地融入環境，例如在角落和墻壁相交處投射陰影。與屏幕空間環境光遮蔽（SSAO）相比，RTAO能使物體融入環境，并為場景增加深度，使被間接照明的區域呈現自然的陰影。

（5）光線追蹤全局光照（RTGI）向未被給定光源直接照射的區域添加實時交互反射光照。

2 虛擬生產環境建立

1）實驗設備。主要實驗設備包括：120°環形屏幕、3D投影系統、3D眼鏡、VR頭盔、VR手柄、網服務器、計算機、音響等。

2）虛擬礦井生產系統。

應用三維模擬仿真和VR技術，構建大型煤礦的工業廣場和井下真實的生產環境等場景，構建綜采放頂煤工作面虛擬生產系統，引導學生進行綜采放頂煤工藝實驗。

模擬礦井采用立井單水平開拓方式，在井田中部開掘主、副立井后開掘井底車場和主石門，在煤層地板巖層中開掘主要運輸大巷并向井田兩翼延伸。當運輸大巷掘至各采區下部邊界中部時，開掘采區運輸石門。在開掘的各井巷內安裝相應設備，形成生產系統，如圖1所示。

圖1 虛擬礦井生產系統

3）虛擬綜采工作面生產系統。

以現代化真實礦井特厚煤層綜放工作面為依托構造虛擬仿真綜采放頂煤工作面及生產工藝系統。沿煤層底板布置長度為200 m、采高為3 m、煤層厚度為9 m、煤的硬度系數為2.1、煤層傾角為3°的放頂煤工作面；采用雙滾筒采煤機割煤，采煤機采高范圍為1.8～4 m，截深為 0.8 m；采用低位放頂煤液壓支架放煤，支架支護強度為0.8 MPa，適用于厚度為6～10 m的煤層；采用前后兩部刮板輸送機運煤，設計長度為200 m，刮板鏈速為1.3 m/s；采煤機進刀方式為端部斜切進刀，放煤方式采用單輪間隔放煤，放煤步距為 0.8 m，采放比為1∶2。虛擬綜放工作面如圖2所示。

圖2 虛擬綜放工作面

4）虛擬采煤設備。

虛擬綜采放頂煤工作面布置的主要采煤設備包括：MGTY250/600-1.1D型電牽引采煤機、ZFS6000/17/33低位放頂煤液壓支架、液壓支架、SGZ-830/800刮板輸送機、SZZ-800/315轉載機、PCM-160破碎機、SSJ1200/2×250帶式輸送機、ZT133200/19/35端頭液壓支架等。

3 實驗方法

應用三維虛擬仿真技術，使學生通過沉浸感知、三維視頻觀摩、交互操作訓練方法掌握綜放工藝技術。本實驗由場景認知、設備學習、綜放工藝、實驗考核4個部分、29個步驟組成，見圖3。

圖3 虛擬仿真實驗內容及過程

3.1 場景認知

在虛擬環境下漫游工業廣場，學生可以通過第一視角經副井罐籠下井，沿巷道前往綜采放頂煤工作面，了解工業廣場建筑物構成，熟悉綜采放頂煤工作面生產設備系統，見圖4和5。

3.2 設備學習

在三維動態仿真環境下，學生可以拆解采煤機、放頂煤液壓支架、端頭支架、刮板輸送機、轉載機、破碎機、帶式輸送機等虛擬采煤設備，學習設備的結構和組成。圖6為采煤機的結構拆解。

學生還可以通過設備控制面板交互模擬操作采煤機、放頂煤液壓支架、端頭支架、刮板輸送機、轉載機、破碎機、帶式輸送機等虛擬采煤設備，學習設備的運動控制和工作原理。圖7為采煤機的控制交互操作界面。

3.3 綜放工藝

綜放工藝學習部分主要包括實驗環境、工藝視頻、工藝實踐、綜放工藝循環這4個模塊。

（1）實驗環境。首先通過實驗環境學習模塊，學生們學習虛擬綜采放頂煤工作面的開采條件、工作面布置、綜放工藝參數，見圖8。

（2）綜采放頂煤工藝視頻。通過綜采放頂煤視頻，學生們觀摩學習綜采放頂煤基本知識、放頂煤工藝流程、頂煤放出制度等，獲得工藝整體認識，如圖9所示。

圖4 地面工業廣場

圖5 井底車場

圖6 采煤機結構拆解

圖7 采煤機交互操作

圖8 實驗環境

圖9 放頂煤工藝介紹

（3）綜采放頂煤工藝交互操作實踐。綜采放頂煤工藝操作實踐是在虛擬綜采放頂煤工作面環境下，學生按照綜采放頂煤工藝和煤礦安全規程要求交互操作采煤設備，逐一進行采煤機割煤、放頂煤液壓支架移架、推刮板版輸送機、放頂煤、拉后部刮板輸送機等作業的操作實踐訓練，從而掌握綜放作業各工種的實際操作，如圖10和11所示。

圖10 采煤機割煤操作訓練

圖11 液壓支架放頂煤操作訓練

（4）工藝循環。綜采放頂煤工作面以采煤機割煤為中心，從進刀割煤、移架、推前部刮板輸送機、放頂煤、拉后部刮板輸送機，從而完成全部工序，到再次進刀割煤前，為一個正規作業循環。以采煤機割煤為中心，學生按照作業規程和放煤制度，模擬多人交互操作采煤機、放頂煤液壓支架等采煤設備進行綜采放頂煤生產，模擬綜采放頂煤工藝循環過程，從而達到以下教學目的：學習綜采工作面采煤機端部斜切進刀、割三角煤、正常割煤、端部割煤的工藝技術；學習頂煤放出方式、制度和工藝技術方法；學習采煤、放煤各作業工種協調作業流程和關系；提高學生對綜采放頂煤現場生產組織管理能力。端部斜切進刀割煤與單輪間隔放頂煤工藝的界面分別如圖12和13所示。

圖12 端部斜切進刀割煤

圖13 單輪間隔放頂煤

3.4 實驗考核

本系統設置兩種考核測試方式：試題形式考核和看圖測試考核。試題形式考核是根據放頂煤理論技術知識和實驗項目內容建立題庫，隨機出題進行考核。看圖測試考核是根據系統顯示的采煤設備拆解的部件和提出的問題，選擇與問題一致的部件。系統將兩種考核方式得到的成績匯總，考核完畢生成實驗報告。

4 結論

本系統已在“采礦學”“采煤概論”“礦井實習”等多門課程和實習環節得到大范圍應用，取得了良好教學效果。

綜采放頂煤工藝技術虛擬仿真實驗教學系統實現了傳統教學方法的改革：

（1）發揮虛擬仿真技術優勢，靈活設計實驗方案，提供比實驗室和現代化礦井現場更為豐富、系統的內容，幫助學生從礦井生產系統、生產設備、工藝操作訓練、綜放工藝過程及作業循環等方面進行學習，從多層次多角度系統掌握綜放開采知識。

（2）為學生提供虛擬環境沉浸感知、三維工藝作業視頻觀摩學習、交互操作訓練等全方位先進的虛擬仿真教學手段和方法，提高學生興趣和學習效果。

（3）改變教師傳統的注入式教學方式，強調“以學生為中心”的實驗教學理念，將學習資源、學習空間開放，使學生自己學習和教師指導有機結合起來，實驗平臺通過沉浸式顯示和交互式操作引導學生完成綜采放頂煤技術工藝實驗，更利于綜放知識的系統掌握和創新能力的培養。

（4）課堂綜放理論教學、實驗室工藝參數優化試驗和虛擬仿真實驗實踐教學的結合，提高了學生理論聯系實際能力、現場實踐和組織管理能力、科技創新能力。