煤礦充填開采虛擬仿真實驗系統建設與教學改革探索

收稿日期：2024-04-24

作者簡介：尹博，內蒙古工業大學資源與環境工程學院副教授，博士

基金項目：內蒙古工業大學虛擬仿真實驗課程建設項目“煤礦充填開采虛擬仿真實驗”（XN2021008）；內蒙古工業大學核心課程建設項目“生態礦山建設理論與技術”（YHX202115）；內蒙古工業大學優秀教學團隊建設項目“煤礦綠色開采虛擬仿真實驗教學團隊”（2023年）

通訊作者：鄔鑫

摘" " 要：煤礦充填開采是采礦工程專業課程的重點學習內容。受限于“實驗貴、下井難”等客觀問題，煤礦充填開采實踐教學效果難以滿足新工科背景下礦業類人才培養要求。文章結合煤礦充填開采虛擬仿真實驗系統建設思路與架構特征，從煤礦充填開采實驗原理和知識結構入手，探討了虛擬仿真技術如何在煤礦充填開采實驗教學中發揮作用，系統闡述了煤礦充填開采虛擬仿真實驗的教學方法與應用過程，總結分析了煤礦充填開采虛擬仿真的教學特色，展望了其未來發展狀況，以期促進煤礦充填開采實驗教學的發展與進步，為虛擬仿真技術應用于采礦工程專業實踐教學改革提供參考。

關鍵詞：虛擬仿真；采礦工程；充填開采；教學改革

中圖分類號：G642" " " " " 文獻標識碼：A" " " " " "文章編號：1002-4107（2024）09-0075-05

隨著我國國民經濟的持續增長，煤炭產量隨之快速提高，但煤炭資源高強度開采的背后存在煤基固廢大規模排放、環境容量超標、生態與水資源破壞和因采煤引起的地質災害頻發等一系列問題。煤礦充填開采技術作為解決煤基固體廢棄物大規模處理及因煤炭開采導致的地表沉陷、地質災害、生態破壞等問題的重要手段，是煤炭資源安全、高效、綠色開采的重要組成部分[1]。對于高校而言，煤礦充填開采是采礦工程專業核心知識內容，充填開采因具有知識點多、實踐性強、涉及學科領域廣等特點，導致僅依靠理論、圖片、視頻等授課方式無法滿足新工科背景下學生實踐教學的要求，亟須強化實驗和實習等實踐教學手段，加深學生對充填開采知識的理解與掌握[2]。現有教學條件下，多數礦業類高校充填開采實踐教學面臨“實驗貴、下井難”的現實困難，一方面，高校無力實現設備多、系統性強、復雜性高、成本高昂的充填開采實驗；另一方面，煤礦危險性大、安全生產責任重大，在校學生很難到煤礦現場實習，導致實踐教學效果極不理想。

近十年來，虛擬仿真技術和實驗教學的融合發展模式逐漸成為落實高等教育數字化戰略與新時代實驗教學建設的重要舉措[3-4]。目前，虛擬仿真實驗教學已在國內高校多個學科得到成功應用，在很大程度上助推了高校實驗教學改革，對于培養高質量人才起到了重要的作用。隨著虛擬仿真技術的普及，將其應用于煤礦等高危行業及其專業教學也得到廣泛重視，現已在煤礦綜采裝備、采煤工藝和災害防治等實驗教學中開展了探索和應用[5-7]，并取得了較滿意的教學效果。為解決煤礦充填開采實踐教學面臨的難題，內蒙古工業大學煤礦綠色開采虛擬仿真實驗教學團隊基于“兩性一度”的課程建設標準，采用先進的虛擬仿真技術和現代信息化教學理念，依靠高逼真度的三維虛擬技術，還原煤礦井下充填開采工作場所的真實環境，構建了煤礦充填開采虛擬仿真教學實驗系統。本文結合煤礦充填開采虛擬仿真教學實驗教學特點，從實驗原理和知識結構入手，探討虛擬仿真技術如何在充填開采實驗教學中發揮作用，分析通過虛擬仿真實驗教學如何實現知識、能力和素養的教學目標，以期促進充填開采實驗教學的發展與進步，為虛擬仿真技術在采礦工程專業的應用提供參考。

一、實驗原理與知識結構

（一）實驗原理

煤礦充填開采是指將煤矸石破碎后與粉煤灰、水泥和水混合，按照預制配比攪拌制漿所形成的（似）膏體充填材料，通過管道泵送至井下采空區進行充填采煤，充填后的采空區可有效控制采礦引起的上覆巖層移動破壞，進而可減緩地表沉陷程度、減小水資源流失量、降低植被破壞規模和大規模消納煤基固廢。煤礦充填開采系統主要由矸石破碎系統、充填料漿配比攪拌系統、漿體泵送系統、管道輸送系統和井下充填系統等5個子系統組成。充填工藝復雜，牽涉設備多且運行過程不可視，各子系統銜接配合過程煩瑣，若僅通過枯燥無味的傳統理論方式講授，學生將難以理解，進而不愿學，其教學效果也難以保障。在此背景下，2021年內蒙古工業大學組建煤礦綠色開采虛擬仿真實驗教學團隊，進行了煤礦充填開采計算機虛擬化實驗教學的探索，經過近兩年的課程建設，初步建成了煤礦充填開采虛擬仿真實驗教學系統。

（二）知識結構

基于知識、能力、素質的有機融合原則，煤礦充填開采虛擬仿真實驗教學共計6學時，由1門實驗課程支撐2門專業課程的2個實驗內容，即煤礦充填開采虛擬仿真實驗服務于采礦工程專業本科四年級“煤礦

綠色開采”課程實驗中的煤礦充填開采實驗（4學時）和“礦山壓力與巖層控制”課程實驗中的充填開采控制覆巖移動實驗（2學時）。煤礦充填開采虛擬仿真實驗緊密圍繞理論教學內容，形成了“F-3T”知識結構圖譜（如圖1所示），即5個知識模塊（Five）、10個知識點（Ten）、3個實驗項目卡（Three）、2門專業理論課程（Two）。

二、課程中的應用

（一）煤礦充填開采虛擬仿真實驗系統簡介

煤礦充填開采虛擬仿真實驗系統通過構建高精度的煤礦充填生產三維虛擬仿真漫游場景，真實還原煤礦充填開采的地面充填站和井下充采工作面生產作業環境，立體再現煤礦充填生產全過程。在“不下井”的條件下，學生可在PC端、VR端共享三維虛擬實驗資源體驗，學習井上下充填生產作業過程，引導學生通過細膩的現場沉浸感加深對井下采煤工作面真實作業環境的熟悉度，幫助學生建立充填系統的感性認識，促使學生建立起對充填生產環境、工藝流程、關鍵步驟及主體設備的全局認識。此外，學生通過交互式操作可開展充填系統及其關鍵設備認知、充填材料制備及充填體力學性能、充填材料井上下輸送、充填技術工藝流程、充填開采控制地表沉陷機理等知識模塊的虛擬仿真實驗。通過多層次、多結構、多角度體系化的實驗內容，充分利用虛擬仿真教學技術優勢，讓學生身處煤礦虛擬環境中模擬真實的井下工作，幫助學生系統全面地掌握充填采煤的技術知識，有效彌補了傳統實驗教學手段的不足，更好地培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維，以此打造適應新時代礦業人才特點的新培養方式，探索傳統行業教學方式改革的新途徑。

（二）實驗教學方法

采用沉浸式、交互式、自主式和反思式相結合的實驗教學方法，以此培養學生的主動學習能力和創新能力，拓展學生動手能力。如表1所示。學生若想順利通過實驗考核必須進行前期課下的預習、計算等自主學習環節，否則在實驗交互式操作過程中會出現由于不當操作引發一系列扣分，如充填材料配比不合理導致充填體力學性能不達標，進而導致控制地表沉陷效果不理想；充填開采工序顛倒，造成充填輸送管路發生堵管事故；充填開采移架發生操作失誤，引發人員傷亡的生產事故。同時，融入理論課程中的原理、方法和技術，培養學生應用相關知識構建綜合設計型實驗項目，提高學生分析問題和解決問題的能力。通過理論教學與實踐教學的綜合訓練，進一步促進學生對采煤方法及礦壓控制等理論知識中的重點與難點的理解，提高學生未來在煤礦現場生產組織、管理的綜合能力。以此培養學生的主動學習能力和創新能力，提高學生的工程問題發現意識。

與此同時，實驗引入課程思政元素，如國家對能源的戰略需求、內蒙古自治區能源產業優勢和未來發展趨勢及現代化煤礦現實面貌及作業環境等內容，一方面培養學生從事煤礦高危行業“安全為天”的責任意識，另一方面以“大國工匠精神”和“國家工程師獎”為思政宣傳榜樣，融合最新充填科技研究成果，引導學生樹立“學一行、干一行、愛一行”的愛崗敬業精神與礦業工匠精神，培養學生對礦業行業的專業認同感及自豪感。

（三）實驗教學過程

結合課程教學要求和虛擬仿真實驗所實現的功能，煤礦充填開采虛擬仿真實驗共設置4個環節，包括預習、理論測試、虛擬實驗和實驗結果評價，共計17個實驗步驟，其中交互性操作步驟14個。實驗教學采用線下線上混合的方式進行，線下主要由學生根據實驗要求進行VR仿真實驗和集中實驗，熟悉整套仿真系統的使用方法及實驗步驟；線上學生可進行預習、理論測試和虛擬實驗。除此之外，專業教師還可進行集中教學管理、資源管理、考核管理和報告審核存儲等，實現無紙化考核。

1.預習環節

按教學要求，學生先開始線下預習，自主學習煤礦充填開采相關知識點，進入預習環節意味著學生已完成知識點預習，利用不少于5分鐘時間觀看虛擬仿真實驗教學引導視頻，學習系統操作要點和相關評分標準。完成上述預習環節方能進入下一環節。

2.理論測試環節

學生完成預習后進行煤礦充填開采方法、工藝技術、充填系統組成、充填關鍵設備構成及功能特點、充填開采控制地表沉陷原理等相關理論知識的測試。測試內容為預習部分的知識點，以客觀題試題庫形式隨機抽取測試題。理論測試通過者進入下一環節，不通過者重新進入預習環節進行二次學習，三次理論測試不通過者，視為本次學習成績不及格。此步驟設置目的是讓學生更好地掌握煤礦充填開采關鍵知識點，同時也為下一步開展實驗環節奠定必要的知識儲備。

3.虛擬實驗環節

理論測試通過后，進入虛擬實驗環節，此環節為充填開采虛擬仿真實驗的核心部分，根據實驗內容分步進行充填系統及其關鍵設備認知、充填材料制備及充填體力學性能、充填料漿井上下輸送、充填技術工藝流程和充填開采控制地表沉陷機理等知識模塊的學習。

（1）充填系統及其關鍵設備認知。充填系統和設備認知模塊的建設目的是促進學生在初始學習階段能夠快速熟悉整個充填開采系統的構成，便于后續實驗的開展。當進入實驗系統后，界面即刻顯示高逼真的充填地面站場景，該場景取景于國內真實礦井充填站環境，可在VR端通過操控手柄在充填站內進行漫游參觀。充填站內按功能劃分有矸石破碎區、充填原材料儲存區、充填材料制備攪拌區和料漿泵送區等區域，學生可根據箭頭提示分別找到學習任務對應的相關地點及設備，并在相應區域完成設備名稱輸入，隨即分別彈出各個設備的工作原理演示，再將各個零散的設備分別拼裝成矸石破碎系統、配比攪拌系統及管道輸送系統，獲得該步驟設定的實驗分值。通過沉浸式和交互式學習可提高學生對煤礦充填開采系統關鍵設備組成及設備功能和工作原理的直觀認識，增加充填生產系統的理解深度。（2）充填材料制備及充填體力學性能。充填材料制備及充填體力學性能是“煤礦綠色開采”課程實驗的重要組成部分，學生在實驗室觀摩與實操完成粉煤灰、煤矸石和水泥等充填原材料配比、制備，充填料漿坍落度、泌水率、凝結時間、流變性能和力學性能等實驗測試后，進入虛擬實驗學習場景，按照實驗方法通過PC端重新操作充填材料制備及充填體力學性能測試，并得到充填材料合理配比和性能參數。再將此參數輸入至虛擬的煤礦充填工業控制系統界面，通過煤炭開采日進度表換算出充填料漿制備體量參數，完成“預設充填條件”任務下達，獲得此步驟的相應實驗分值。以上交互式學習可有效提高學生對充填材料制備過程和膏體材料性能參數測試方法的理解程度。（3）充填料漿井上下輸送。本環節主要考查學生對充填料漿輸送方式及其流動特性與流體力學等核心知識點的掌握。進入虛擬仿真實驗，界面切換至充填料漿攪拌與泵送車間場景，首先了解稱料器、螺旋輸送機、攪拌機和充填工業泵等設備功能與使用方法，然后運用鼠標和鍵盤手動完成充填原材料計量、稱重、投送、攪拌和泵送等流程，最后以視頻和動畫形式演示充填料漿泵送進入充填管路，并以半透視狀態顯示充填料漿從地面輸送至井下的全過程。除此之外，本環節還預設了反思教學方法模塊，當錯誤點擊充填作業工序或未按“預設充填條件”進行充填作業，系統界面會彈出充填系統能力過載或充填輸送管路發生堵管事故等警示消息，并發出聲光報警，提示由于不當操作已對充填工作造成嚴重經濟損傷，違規者將面臨處罰。由此，通過交互式和反思式學習，讓學生切身體會關于充填原理、方法和技術的學習對于指導和實踐充填開采現場工作的重要性。（4）充填技術工藝流程。當進入本環節學習時，虛擬仿真實驗界面將從地面轉入地下學習場景，以第一視角沿著井下充填輸送管道漫游并觀看巷道、工作面井下場所及采煤機、充填液壓支架等采煤設備。學生按照已學的采煤學知識先進行采煤作業虛擬操作訓練，而后進行充填作業虛擬操作訓練。當進行充填作業虛擬操作訓練時，依照充填作業流程依次點擊“檢查準備”“管道充水”“灰漿推水”“正常（輪流）充填”“清水洗管”“停止充填并養護”等工序按鍵，此時系統界面會分別呈現各充填程序啟動、運行畫面，并可直觀看到充填料漿沿著輸送管路注入至工作面后方的采空區和采空區被注滿充實的動畫效果，由此完成“煤礦綠色開采”課程中關于充填開采的虛擬實驗。整個實驗過程環環相扣，以交互式學習為特色的教學方法，有效彌補了理論教學中生硬死板的文字表述短板，促進了學生掌握充填采煤作業工序要點和對充填開采方法的熟悉程度。（5）充填開采控制地表沉陷機理。為了更好地闡明充填開采對于巖層移動變形的控制機理，設置了充填開采控制地表沉陷機理的學習場景，系統界面通過動畫方式對比展示分別采用全部垮落法和充填法處理采空區時，上覆巖層的垮落、移動特點和地表的變形程度，形象地呈現出充填開采對控制地表沉陷的作用效果，將原有看不見、難理解的覆巖移動變形變為直觀可見，更形象地揭示了煤礦充填開采控制覆巖移動及減緩地表沉陷機理，進而有效解決了學生對于“礦山壓力與巖層控制”課程中難點知識難理解的問題。另外，通過充填開采控制地表沉陷機理的學習可進一步解釋充填開采對地表構筑物、潛水資源和生態環境的保護作用，由此加深學生體會國家大力推行煤炭綠色開采的重要意義。

4.實驗結果評價

系統實驗考核完成后自動計算并保存上述實驗步驟的得分，得到實驗成績。除此之外，學生線下還需結合實驗的四個部分內容撰寫“煤礦充填開采實驗報

告”，進一步鞏固學習效果。學生將實驗報告通過“實驗結果”中的報告上傳、提交后，教師可在線進行評閱打分，實驗系統將自動生成實驗報告成績。煤礦充填開采虛擬仿真實驗總成績評定方法按照“知識”“能力”和

“素養”三方面進行考核，實驗總成績=知識得分×60%+能力得分×20%+素養得分×20%，具體評定標準見表2。教師將上述得分輸入評分系統各項目中，實驗系統后臺自動將每個學生的“知識”“能力”和“素養”分數相加，得到總成績，總分根據：≥90、90～80、80～70、70～60、≤60五個分數段將成績結果分別輸出為優秀、良好、中等、及格和不及格。教師點擊總成績輸出，系統將根據實驗成績評定輸出模板自動生成每個學生的多項成績單，成績單中包括“知識”“能力”和“素養”具體得分情況，教師點擊打印成績單即可留存教學材料，可實現無紙化教學資料整理。

三、教學總結與展望

（一）總結

煤礦充填開采虛擬仿真實驗的設計和建設完全依照采礦工程本科實踐實驗教學的培養目標制定而成，仿真系統的開發目的是搭建完善的煤礦充填開采實驗教學體系，實現高水平人才培養的目標。在設計、建設和教學全生命階段遵循“121”教學理念，即1個核心點（學生發展為核心）、2條互動線（人機互動線、師生互動線）、1個實—虛—實教學結合面（理論學習—虛擬仿

真—實習實踐），如圖2所示。煤礦充填開采虛擬仿真實驗教學以學生為中心，充分還原煤礦井下充填開采工作面真實環境，教學內容與礦井現場充填作業流程一致，具備“抽象對象形象化、復雜問題簡約化、分散內容系統化、教學演考一體化”的教學內容特色。教學過程中，教師通過提問、質疑等方式激發學生對充填開采進行充分想象。通過師生互動，發掘學生的創造潛能，引導學生提高解決實際問題的綜合能力。實驗過程中，設置相應充填開采的任務，提出對應的問題，引導學生積極思考并解答問題。通過反復的人機互動，充分發揮學生的積極主動性，增強學生對知識的獲取興趣和能力，培養學生獨立思考、分析問題與解決問題的能力。通過理論學習、虛擬仿真、實習實踐相結合的實—虛—實教學途徑，促使學生對充填開采學習的技能螺旋式上升，不斷加深學生對于煤礦充填系統、關鍵設備、主要工藝流程、基礎理論及相關技術的認識與理解、記憶與掌握。

（二）展望

煤礦充填開采虛擬仿真實驗系統的建設并不是一蹴而就的，其開發歷程也經歷了一波三折。總結來看，開放式虛擬仿真實驗教學平臺以計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術為依托，采用面向服務的軟件架構開發運行。其中，支撐實驗系統運行的平臺及運行架構共分為五層，從下至上分別為數據層、支撐層、通用服務層、仿真層和應用層，每一層都為上一層提供服務，直到完成具體虛擬實驗教學環境的構建。由此不難看出，能夠保障虛擬仿真實驗系統順利運行的關鍵還是在最底層的數據層建設功底，煤礦充填開采虛擬仿真實驗平臺涉及多種類型虛擬實驗組件及數據，分別設置虛擬實驗的基礎元件庫、實驗課程庫、典型實驗庫、標準答案庫、規則庫、實驗數據、用戶信息等來實現對相應數據的存放和管理，這些數據庫的建設過程花費了大量的人力和財力。在虛擬仿真技術不斷發展和虛擬仿真教學水平不斷提升的背景下，技術更迭重要，硬件換代也很重要，但最重要的還是數據庫持續建設，其過程仍是一個長期且煩瑣的工作，需要不斷積累、持續更新和長期維護。

除此之外，在目前教學效果的基礎上，未來虛擬仿真教學的發展重點是關于實驗教學課程持續建設的服務計劃，煤礦充填開采虛擬仿真實驗課程后續優化建設中嚴格遵循“兩性一度”的質量標準，尤其是在課程內容的前沿性、教學過程的探究性和“跳一跳才能夠得著”的學習挑戰度上加碼發力，未來持續建設的規劃主要有：（1）增設移動端實驗系統，學生通過手機、平板電腦等移動設備可全天候實驗學習；（2）優化系統學習體驗和教學效果，完善實驗系統的相關知識架構；（3）加大與煤礦企業交流力度，重點推廣煤礦企業技術人員培訓與繼續教育功能，與企業聯合開發共建實驗平臺，加大定制性實驗平臺的建設力度，增強優質實驗資源共享。

四、結語

煤礦充填開采虛擬教學的探索與應用一直立足于新工科背景下的礦業類人才培養要求，對于實現知識、能力、素養的有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維具有重要意義。雖然僅僅依靠虛擬仿真實驗教學并不能完全替代真實的煤礦充填開采實踐訓練，但其對于煤礦充填開采教學是重要補充手段。未來，煤礦充填開采虛擬教學將在助力礦業學科雙一流發展，推動科研與實驗教學齊頭并進，向工程化、科學化、系統化的虛擬實驗教學平臺發展方向上不斷完善和持續精進，為最終實現提高高校人才培養質量和提升煤礦專業技術人員充填開采水平更好地服務。

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