地方应用型本科高校瓦斯地质课程改革的思考

2013-04-11李建楼

宿州学院学报 2013年1期

李建楼

宿州学院地球科学与工程学院，安徽宿州，234000

煤层瓦斯作为一种地质体，其主要成分是甲烷，生于煤层，储于煤层，受地质条件和历史演化作用控制[1]。同时，由于煤田地质条件复杂，煤矿开采过程中瓦斯灾害威胁严重，故瓦斯被称为煤矿生产过程中的第一杀手。煤矿瓦斯灾害防治是全世界采煤国面临的共同难题，瓦斯地质理论是实现我国煤矿瓦斯灾害防治的重要基础[2]。瓦斯地质科学作为重点研究煤矿瓦斯地质灾害发生机理、预测和防治理论与技术的一门科学，把瓦斯作为地质体，研究其生成、赋存、运移和分布规律，微观研究涉及煤的分子和孔隙结构，宏观研究涉及板块和构造。目前,宿州学院地质工程专业使用的瓦斯地质教材为普通高等教育“十一五”国家级规划教材《瓦斯地质学》，内容丰富，涵盖了国内大部分煤田瓦斯分布特征，全面系统地反映了我国瓦斯地质研究的最新成果。近年来，宿州学院地质工程专业着手进行专业综合改革和强力推进地矿类本科实践教学改革，把专业建设视为学校的一项生命工程[3]。瓦斯地质课程作为一门实用性很强的地矿类专业课程，课堂教学过程中采用了多种教学方法，充分利用了各种教学资源，加大了实验教学的力度，改革了考核方法，提高了教学效果。

1 瓦斯地质课程教学改革目标

瓦斯地质学是煤矿瓦斯治理和煤层气资源开发的理论基础，是宿州学院地质工程、资源勘查工程专业的优势和特色课程。近几年来，瓦斯地质学的教学始终坚持“夯实专业理论基础，掌握基本操作技能、提高理论水平和创新能力”的教学理念，坚持“工程性、技术性、生产性、应用性” 的人才培养思路。瓦斯地质学的具体目标是培养学生掌握瓦斯地质学基本理论知识，具有较强认识瓦斯地质规律与解决瓦斯灾害治理方面的能力，能够在煤矿瓦斯治理和瓦斯抽采技术方面发挥重要作用，能够成为在煤炭及煤层气行业服务的高层次科技人才。

2 瓦斯地质课程教学内容改革

课程教学内容以煤矿瓦斯地质灾害特征、机理及其预测、防治为核心，具体内容包括煤层瓦斯生成理论、瓦斯的赋存和运移规律、煤与瓦斯突出特征及其机理、煤体结构特征、地质构造控制煤与瓦斯突出理论、煤与瓦斯突出预测方法与控制措施、瓦斯(煤层气)资源地面开发、煤矿瓦斯地质图的编制等。对瓦斯的生成理论部分，以成煤作用过程为主线进行展开论述，成煤作用过程分为两个阶段：泥炭化作用(或腐泥化作用)阶段和煤化作用阶段，两个阶段生成的瓦斯组分特征及成因各不相同。在泥炭化作用阶段，沼泽里的植物残体主要受生物化学作用转化为泥炭，同时产出的气称生物成因气，其中包含大量二氧化碳和甲烷；在煤化作用阶段，固相煤物质主要因受热发生复杂的物理化学变化，同时产出的气称热成因气。现今煤层里的气应该是热成因气，其主要成分是甲烷。对瓦斯的赋存和运移规律包括煤体孔隙与裂隙特征、煤体瓦斯赋存状态与瓦斯吸附解吸特征、煤层瓦斯渗透特征及影响因素、影响煤层瓦斯赋存和运移的地质因素等方面进行讲述。煤与瓦斯突出特征及其机理部分，对瓦斯的涌出、煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸以及煤与瓦斯突出的综合假说进行讲述。煤体结构部分，对煤体宏观结构特征和分类、煤的分子结构、构造煤结构演化和动力变质作用等方面进行讲述。地质构造控制煤与瓦斯突出理论部分，介绍中国地质构造分布特征、中国煤矿地质构造特征、中国煤层瓦斯分布特征、地质构造和构造应力对煤与瓦斯突出的影响等。煤与瓦斯突出预测方法与控制措施包括两大部分：1)预测方法包括传统的预测方法和现代地球物理方法；2)防治措施包括开采解放层、深孔松动爆破、钻孔抽采、水力压裂、金属骨架、通风措施等。瓦斯(煤层气)资源地面开发部分，介绍中国煤层瓦斯分布特征、中国煤层气开发简史、煤层气开发工艺流程和煤层气资源计算单元(块段)划分的原则等。煤矿瓦斯地质图编制部分，介绍瓦斯地质图编制的目的和意义、瓦斯地质图的分级、图例、采掘工作面瓦斯地质图编制方法、矿井瓦斯地质图编制方法和矿区瓦斯地质图编制方法等内容。教学内容的附件部分为瓦斯地质学实验内容，包括构造煤观测、煤的孔隙结构测定、煤的坚固性系数测定、煤的有机元素组成测定、瓦斯含量测定、瓦斯吸附常数测定、煤层瓦斯动力学模拟实验等，实验内容紧跟课堂理论教学，涉及多种瓦斯地质技能和思维的训练，对培养学生的实践能力和创新意识具有重要作用。

3 教学方法改革

教学方法的使用目的在于通过灵活的教学形式，培养学生对瓦斯地质的兴趣，掌握瓦斯地质相关的基本理论知识，增强学生在瓦斯地质观测、试验、分析和预测方面的实际应用能力，以适应今后工作的需要。在教学过程中，坚持以课堂讲授为主、理论教学与实践教学并重的策略，重视启发式、案例式、讨论式等现代教育方法在教学中的应用，实验室内采用煤层瓦斯动力作用模拟装置等教学模型，供学生使用，启发学生主动研究和探讨的兴趣，提高学生的动手能力，激发学生的创造能力。针对课程教学中的重点、难点，可以采用启发式教学，讲授时力求深入浅出，用生活中的小常识启发学生理解学术理论中的一些科学问题；案例式教学采用举例的方法，把活生生的案例展现给学生，学生如同身临其境，可以增强感性认识；讨论式教学一改平时教师一言堂的情形，采用师生之间平等互动的方式，课堂上互相提问，随时解答，遇到难点问题就重点解决，对于学生理解教学重点和难点行之有效。专家讲座如同给课堂教学这种家常饭增添了一道大菜，可以丰富教学形式和内容，提高教学效果。

3.1 启发式教学

针对教材中所谓的重点、难点，可以采用启发式教学，例如，针对煤层瓦斯的赋存状态和运移特征，可以用潮湿的衣服启发学生，由于水分子和衣服之间的耦合特征与瓦斯分子和煤基质之间的耦合特征基本相同，因此解释起来形象、直观，学生很容易理解。针对煤层气的卸压抽采，可以把煤层想象为一个巨大的海绵弹性体，在围岩压力及煤层内部的应力降低的情况下，孔隙体积增大或裂隙贯通都有利于煤层气的抽采。启发式教学可以让教师把前沿研究成果深入浅出地介绍给学生，培养学生的学习兴趣。

3.2 案例式教学

本课程采用实际发生的事件作为案例，培养学生运用理论知识解释现实问题的能力。针对构造煤的结构研究，从某煤矿某受构造运动破坏程度高的煤层取煤样，以该煤样为例，采用宏观和微观的研究方法，宏观方法包括现场肉眼观察和标本观察，微观方法包括光学显微镜观察和扫描电子显微镜观察，理论教学结合生产实际案例，有利于学生正确判识构造煤。又例如，针对煤结构对煤与瓦斯耦合动力学特征的影响，举例介绍专家学者在构造煤方面的最新研究成果，让学生能够了解该方面科学研究的最新进展和前沿。

3.3 讨论式教学

针对学生在学习过程中容易出现个别概念理解模糊的现象，可以采用讨论式教学。例如，在教材的绪论部分，教师引导学生讨论煤层气和瓦斯的概念有哪几层含义。“煤层气”一词意指赋存在煤层里的天然气。如果讨论“煤层气”的成分，则包含甲烷、重烃、二氧化碳、氮气等多种气体成分；如果计算“煤层气”的含量或资源量，则仅指甲烷一种气体的量。“瓦斯”一词是我国采煤界习惯用的术语，广义上的瓦斯是煤矿井下除大气以外的气体总称，包含赋存在煤层及岩层里并涌入到矿井的天然气、矿井生产过程中生成的炮烟和其他废气、井下各种化学及生物化学反应生成的气体、深源放射性物质蜕变生成的气体、地下水释放出的气体等多种来源的气体，其成分包括甲烷、重烃、氢气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、硫化氢等。在确定“瓦斯风化带”时又指甲烷、二氧化碳和氮气三种气体。通常所称的“瓦斯涌出量”往往仅指甲烷一种气体的涌出量，不包含二氧化碳和氮气的量。通常所称的“煤层瓦斯含量”又仅仅指甲烷一种气体的含量，所称的“瓦斯资源量”也仅仅指甲烷一种气体的资源量，如果计算包含二氧化碳在内的含量，则需要加以说明。又例如，在瓦斯的生成理论部分，让学生讨论煤中三种有机显微组分组的生烃潜能和生烃贡献问题。壳质组又称稳定组，在泥炭化阶段和煤化作用早期，壳质组内的多数组分是稳定的。这些组分现今的生烃潜能最强，可是过去的生烃贡献却最小。惰质组组分现今的生烃潜能很弱，其化学结构的芳构化程度强，官能团与侧链几乎全脱落，被认为是具“惰性”的组分。惰质组的成因很复杂，其中有些惰质组组分天生如此，它们现今的生烃潜能弱，过去的生烃贡献也小。惰质组内还有些组分并非天生如此，在以往的煤变质作用过程中，与共生的壳质组和镜质组比较，它们产出较多的气态与液体烃，以致自身芳构化程度增强。这些惰质组现今生烃潜能弱却是过去生烃贡献大所造成的。总之，采用讨论的方式澄清了某些概念的具体含义，对讨论的结果进行概括和总结，学生对某些知识的掌握更加牢固，讨论式教学在课堂教学中得到了学生的普遍认可。

3.4 综合式教学

课堂教学过程中常常可以把启发式、案例式和讨论式三种教学方式联合使用，这就是综合式教学法。例如，某矿有一条大断层，以该断层为界划分为两个采区。两采区开采同一煤层，且煤厚和顶板均相同。该断层为一不导气的正断层，断层两侧的两个采区瓦斯互不相通，各自为独立的瓦斯区；煤层的直接顶底板也基本上不透气，瓦斯只有一个可能的逸散通道，即煤层对盘的岩层。由于这个断层下盘的煤层对盘为导气的泥质砂岩，故下盘煤层瓦斯很小；断层上盘的煤层对盘为不透气的泥岩，故上盘煤层瓦斯较大。在教学过程中，教师对不同岩石的透气性特征稍加提示，学生根据案例讨论分析，问题很快迎刃而解。

3.5 聘请煤矿安全生产专家作学术报告或专题讲座

瓦斯地质理论知识与煤矿安全生产密切相关，授课教师组织学生到煤矿生产一线参观，听专家报告或专题讲座，与煤矿安全生产专家面对面地交流，让学生直接面对煤矿安全生产过程中可能遇到的实际问题，深刻领会到学习理论知识对于解决实际生产问题的必要性、重要性和迫切性。

3.6 加大实践教学力度

除了形式灵活的课堂教学以外，实践教学的形式和内容也不断丰富，实验室增加试验设备，校外增加实习基地，学生的实践应用能力可得到进一步增强。

瓦斯地质学的面向对象是煤矿安全生产或煤层气开发相关的人员，要求理论与实践并重。瓦斯地质学课程建设初期以理论教学为主，实践教学跟不上；随着实践教学条件的改善，已经建立了瓦斯地质实验室，增添了开展多种实验所需要的仪器设备，实验教学条件逐步完善，课程教学改革已经到了水到渠成的阶段。实验室内的教学分为三个层次：(1)基础认识性实验。构造煤的肉眼观察、显微镜观察和煤的坚固性系数测试都是围绕构造煤的识别展开的，为基础性、认识性的实验。(2)操作分析性实验。煤的元素组成测试，包括有机元素组成和无机元素组成测试，有机元素组成主要测试C、H、O、N和S，无机元素可以测试20多种。煤的孔隙结构测试包括测试孔径分布特征、总孔容和比表面积。通过测试煤的元素组成和孔隙结构，可以分析该煤体对瓦斯的吸附能力。(3)探索性实验。通过室内瓦斯吸附、解吸和渗透实验，让学生能够综合运用煤岩学、瓦斯地质、岩石力学、流体力学、热力学、传感器技术、测试技术等知识，有利于培养和增强学生的科研创新意识。另外，实习基地对瓦斯地质课程教学起到了重要的推动作用。随着校企合作的不断深入，宿州学院与皖北煤电集团、淮北矿业集团、第三勘探队等大型企业合作建立了长期稳定的实践教学基地，本课程部分实践教学环节已经转移到企业(煤矿、选煤厂和地质勘探队)，学生大二进行认识实习、大三到生产单位参加生产实习，聘请了企业的高级工程师和工程技术人员担任学生的指导教师，提高了实践教学的质量。

4 改革考核方法

为了反映学生的知识面和综合能力，增加了考核内容，改革了考核方法。首先，建立试题库，考核内容覆盖课堂教学内容及瓦斯地质学参考教材相关的所有知识，包括教科书和主要参考资料的内容以及教师要求学生查阅的有关材料，以此检测学生的自学能力，有效调动学生学习的积极性和主动性。其次，推进电子化考试，学生在电脑上打开授课教师自主开发的考试系统即可答题，答题完成后自动生成考试成绩，客观、公正、公开、透明，节约考试成本，提高考核工作效率。另外，还应加大实践能力考核的力度，提高实验课程成绩在学生综合成绩中的比例。