基于實踐能力培養的礦山仿真模型實驗教學改革探討

魏中舉 余芳芳 黃宇琪 謝小平

摘?要：仿真模型貼合生產現場實際場景，可作為實驗教學工具用來培養學生的實踐能力，彌補專業課程抽象的理論教學。隨著教育技術的發展，仿真模型從早期的實物仿真演示模型，逐步發展到互動式實操模型，再到數字化仿真模型、虛擬仿真模型，仿真實驗教學方式不斷改革創新，增加了學生實驗過程的互動參與性，具有一定的實操感，提高了學生的動手實踐能力，有效提升了專業課程的教學質量，為培養應用型工程技術人才奠定了基礎。

關鍵詞：仿真模型；實驗教學；能力培養；教學改革；實踐能力

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

仿真模型實驗教學在高等學校專業課程教學中已成為一種重要的教學方法，尤其針對礦業類相關專業課程，專業理論教學較為抽象，而礦山生產現場又具有一定的危險性，通過仿真模型可以使學生全面直觀地理解礦山生產的各個環節，形成空間立體感，加深對專業課程的理解［1］。

礦山開采是具有一定的復雜性，采場是不斷推移變化的，通過礦山仿真模型可以對采礦流程、礦井設計、設備配置等方面進行模擬演示，涉及礦產開發的全過程，提高了學生對礦山開采的直觀認識，為礦山相關專業課程的教學提供可視化的模擬場景和實踐操作平臺［2］。本文以六盤水師范學院采礦工程、安全工程等專業仿真模型實驗室的建設為例，介紹礦山仿真模型實驗教學改革的發展過程，仿真實驗的改革思路可以為相關院校礦業類專業建設和實驗教學提供借鑒。

1?采礦仿真模型

傳統的課堂學習中，往往通過概念、理論、圖片或視頻等素材對專業知識或生產活動進行講解，但由于缺乏實物對照，學生對生產現場較難形成具體的景象［34］。為了有助于學生理解、認知和掌握礦山開采相關知識，建設了早期的采礦仿真模型實驗室。采礦仿真模型主要包括礦山地質模型、礦山開采模型和設備操作模型等，各種類型的模型展示相對齊全、便于講解演示、操作簡單，但早期模型相對規模較小，各個生產環節獨立展示未形成一體化模型，學生動手操作少。

礦山地質模型，例如地質構造和地層賦存系列模型，通過采集實際礦山的地質數據和參數，在模型中可以模擬礦體形態、礦層結構和礦物組成等信息，從而為采礦方案的制訂和優化提供參考依據，使學生清晰地認識各種地質構造、煤層賦存狀態等，為煤層開采巷道布置等構建空間感，更好地理解空間層位關系。

采礦開采模型，通過模擬礦山采礦過程中的操作和流程，在模型中可以模擬礦山開采、運輸、通風等環節，較為全面地展示礦山生產的各個環節。例如現代化礦井仿真模型，如圖1所示，從地面工業廣場，到主副井、井底車場、水平大巷，直到采煤工作面，全景展現了礦山開采的各個環節。其他模型，如礦井通風與安全仿真實驗裝置、采煤工作面“三量”觀測線布置模型、全礦井消防降塵監控模型等，分別演示了通風系統、礦山巖層控制、礦井災害治理等相關內容。

圖1?現代化礦井仿真模型

設備操作模型，如立井罐籠提升與保護演示裝置，通過制作設備實物模型，模擬采礦設備的實際操作過程，為礦山機械設備的教學提供演示。

2?回采巷道綜合模型

為了更加真實地貼近礦山生產現場，在實驗室設計開發了回采巷道綜合模型，仿真程度高，學生進入實驗室如身臨煤礦井下，部分設備為礦山實際生產用設備，如局部通風機、錨桿鉆機等，學生可以實際操作。

回采巷道綜合模型主要包括井巷工程仿真、礦井輔助系統仿真、掘進工作面仿真、局部通風系統仿真等。井巷工程仿真，模擬回采工作面及回采巷道、緊急避險硐室等。礦井輔助系統仿真主要模擬井下的壓風系統和供排水系統等。壓風系統，布置兩臺螺桿式空壓機，可電動演示，一套壓氣管路系統，一套電控系統。井下供水系統，井下供水管路一套，采用PVC供水管，水管直徑25mm。排水系統，布置水泵兩臺，可電動演示。通信系統，智能交換機一臺、礦用電話機3部、通信線路等，實現控制室與各電話機和各電話機之間的自由通話及呼叫。掘進工作面仿真，布置掘進巷道斷面，采用錨噴支護，掘進工作面斷面預留演示孔2個，便于實操作業；巷道內配置煤礦用氣動錨桿鉆機一套，仿真隔爆開關3臺，瓦斯檢測儀一套。局部通風系統通過配置2臺軸流式局部通風機和風筒，局部通風機為真實的礦用設備，打開后提供新鮮空氣到掘進工作面。瓦斯抽采系統仿真，配置瓦斯抽放鉆場斷面一個，鉆孔作業鉆場斷面一個，在作業面可進行鉆孔作業實操和封孔作業實操。煤礦除塵、消防系統仿真，平巷內設置水棚六棚，每三棚一組，配置消防器材一套。緊急避險系統仿真，模擬臨時避難硐室，主框架采用方鋼焊接而成，采用防火材料，巷道表面采用樹脂高仿煤壁板。煤礦火災防治系統，配置拖管式注氮工藝設備一套，采用仿真拖管，主要材料為金屬制作。

3?互動式實操仿真模型

早期的采礦仿真模型以實物演示為主，雖有簡單操作，但缺乏人機交互式操作，回采巷道綜合模型，由于占地面積小，也僅能模擬部分生產場景。為了培養學生更好的實踐動手能力，設計開發了互動式實操仿真模型，主要包括采煤機械實操仿真模型和智能化綜掘工作面仿真系統。

3.1?采煤機械實操仿真模型

采煤機械實操仿真模型實現了硬件設備和軟件交互控制，為專業課程實驗教學提供了一種全新的手段和工具［5］。

該設備硬件根據采煤機1∶1比例進行3D模型設計制作，教學儀由教學儀機體、采煤機推桿、無線遙控器、功能控制按鈕、切換視角按鈕、退出按鈕、確認按鈕、備用按鈕、高集成數據電路板及各種功能調節組件等組成。硬件為全金屬框架、一體式設計，可以組建網絡，實現學生考試信息自動上傳到服務器，方便查詢與存檔，并可以打印成績單，考試成績自動存儲到服務器。采煤機械實操軟件系統，提供了仿真的場景教學，可拆解的采煤機械構造，并且設置了理論考試等部分，可對操作步驟進行評分，滿足了實驗教學及考核的需求，逼真性強、數據傳輸快、互動能夠準確快速地反應。

該設備實現虛擬場景與硬件系統互動，控制相符，并伴有相應語音、聲光提示，具備多種工況綜合演練的功能。采煤機操作教學儀不僅適用于高校學生的專業課程教學及考核使用，而且適用于一線生產操作人員的學習及培訓使用。

3.2?智能化綜掘工作面仿真系統

智能化綜掘工作面仿真系統直觀地展現了綜掘工作面、掘進機、集中控制操作平臺、煤礦巷道等場景，該系統包括：綜掘工作面及斷面模型；掘進工作面及各傳感器及截割軌跡等；仿真掘進機及各傳感器；瓦斯、溫度傳感器；掘進工作面供電設備；全過程視頻監控系統；集中控制操作平臺及顯示系統；網絡傳輸相關附件（包括快速插接光纜、連接器、礦用網線、安全型穩壓電源、信號轉換器、交換機等）。

智能化綜掘工作面仿真系統可以開展智能化掘進作業各工種的仿真培訓和訓練，是煤礦智能化掘進相關課程學習的一次革命，系統均在小電流、低電壓的工況下運行，具有本質安全特點，大大提升學生對綜掘系統的操作技能。

4?數字礦山模型及虛擬仿真模型

礦山實物模型使學生對礦山開采活動有了較為清晰的認識，但限于實驗室場地，實物模型往往只能展示礦山某個區域或部分設備。隨著科技的進步和教育信息技術的發展，數字礦山模型及虛擬仿真模型逐步替代實物模型，在實驗教學中發揮越來越重要的作用［6］。

數字礦山模型包括地下礦山三維數字模型、礦井通風系統模型等。數字礦山模型是利用計算機技術，通過現場數據采集、三維建模、數值仿真等步驟來實現的，能夠幫助學生更好地理解礦山地質情況、礦區內部結構、設備選型和巷道設計，還可以進行安全評估和應急預案設計［7］。

虛擬仿真模型建立了硬件設備和教學軟件。硬件設備包括沉浸式立體投影顯示系統1套，虛擬現實實驗室系統軟件1套，處理平臺和虛擬頭盔各5套，三維可視化工作站系統1套等。開發的虛擬仿真軟件主要包括二維相似材料模擬實驗、巖石力學虛擬仿真實驗、煤礦生產系統虛擬仿真、智能開采虛擬仿真模型等。

智能開采虛擬仿真模型主要對礦井智能化綜采面進行仿真，仿真其工作環境、主要工作設備等，實現第一人稱行走。在三維場景中動態仿真實際采煤工藝流程，仿真地面遠程操控室、井下綜控室，通過遠程操控完成綜采工作面采煤機、刮板輸送機、轉載機、端頭支架、液壓支架等設備，并可通過視頻窗口觀看設備運行狀況。

智能開采虛擬仿真模型主要包括工業廣場仿真、井巷工程仿真、智能化綜采工作面仿真、地面辦公室集中控制中心、井下集控室集中控制系統仿真等，如圖2、圖3所示。

井巷工程仿真建立了礦井三維的井巷空間布置形式，介紹了礦山的井巷工程類別、主要井巷、主要硐室、工作面構成等部分，對主要巷道及硐室的作用及要求進行說明。智能化綜采工作面仿真可實現第一人稱行走以及主要機械設備的交互式操作，例如采煤機控制臺交互式操作、液壓支架交互式操作等。綜采工作面地表遠程控制系統，包括采煤機集控臺操作模式、液壓支架集控臺操作模式、實時監控畫面等。各操作模式可以實現交互式操作，在地面控制中心、井下集控室實現對井下采煤設備的遠程智能控制。

結語

礦山仿真模型以實際生產現場為原型，涵蓋礦山地質、礦井開采、設備操作等礦山生產的各個環節，給專業教學提供了相對真實的工具展示，又具有相對真實的交互式實操性，可以培養學生的應用實踐能力。礦山仿真模型實驗教學經歷了簡單的實物仿真模型，再到較為復雜的綜合模型、互動實操仿真模型，隨著教育信息技術的發展，目前數字礦山模型、虛擬仿真模型應用越來越廣泛，為專業實驗教學轉型升級提供了有力的支撐。在仿真模型教學的同時，積極引導學生結合專業課程知識點及礦山實際生產原型，充分發揮學生的自主性，動手實踐制作新的礦山模型，并對礦山模型進行優選，鼓勵學生參加全國采礦工程專業實踐作品大賽，鍛煉了學生的實踐創新能力，并取得了豐碩的成果。

參考文獻：

［1］楊勝利，楊杰.支撐一流學科建設的采礦模型實驗室建設探索［J］.實驗技術與管理，2019，36（01）：253258.

［2］朱衛兵，王曉振.面向采礦卓越工程師的模擬支架研制與應用［J］.實驗室科學，2018，21（02）：1922.

［3］岳雨霏，賈奧祺，張宇辰，等.電氣類本科生傳統實驗課程改革需求探索［J］.科技風，2021（09）：7576.

［4］吳超，徐帥，梁瑞余，等.基于3D打印技術的采礦方法物理模型制作研究［J］.中國礦業，2020，29（10）：96101.

［5］宋潤生.試論采掘機械虛擬實操設備在安全技能培訓中的運用［J］.西部探礦工程，2019，31（06）：133134.

［6］游善紅，曹洪龍，胡劍凌.基于虛擬仿真實驗的通信原理教學改革探索與實踐［J］.科技創新導報，2019，16（31）：203206.

［7］林吉飛，喬登攀，董娟，等.數字礦山模型創建及其在采礦專業教學中的應用［J］.昆明冶金高等專科學校學報，2021，37（05）：109114.

基金項目：貴州省高等學校教學內容和課程體系改革項目（2020194；2022284）；貴州省一流本科課程（金課）建設項目（GZSylkc202231）；六盤水師范學院一流本科課程建設項目（LPSSYylkz202008）；六盤水師范學院教學內容和課程體系改革研究項目（LPSSYjg202134）；六盤水師范學院采礦工程專業教學團隊（LPSSYjxtd201808）

作者簡介：魏中舉（1985—?），男，碩士，副教授，研究方向：礦山壓力與巖層控制、虛擬仿真實驗教學。