胡浩 朱传奇 袁安营 张明 焦振华

摘  要：采矿工程作为一个多科学交叉的学科应具有更深入的实验实践教学。目前采矿工程实验课教学手段单一，试验系统简单、枯燥，实验内容相互独立。依托国家重点实验室仪器设备等硬件条件优势，对采矿工程综合实验课进行探索。通过建立“矿山虚拟仿真—三维相似材料模拟系统—岩石力学实验系统—工业CT”实验教学体系，有助于学生对专业课理论知识进行融会贯通，提高实验课教学效果。

关键词：采矿工程  实验教学  仪器  国家重点实验室

中圖分类号：TD80-4                        文献标识码：A                    文章编号：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

采矿工程作为一个多学科交叉融合的学科，包含力学、数学、物理学、环境科学、计算机技术等多门学科，所培养的学生为具有研究、应用型的复合型人才[1]。这就要求采矿工程的专业课设计具有更广理论知识，同时有更多的实验实践教学。

1  采矿工程实验教学现状

随着时代的发展，当前采矿工程专业传统的实验教学已很难实现创新型教育。多数煤炭院校采矿工程专业实验课主要包括三部分内容：岩石力学实验课、二维的相似材料模拟试验课、室内矿井模型的参观。

室内矿井模型多为早年制作且无法进行更新，模型中的开拓方式、工作面条件、机械装备等均与当前现代化矿井实际情况相差甚远。并且模型多为塑料等材料，存在着损坏修复困难等问题。二维的相似材料模拟试验所制作的模型为平面模型，无法反映巷道、采场开挖后真实的围岩情况。对于尚未接触过矿井的本科生来说，不够直观、难以引起学生共鸣，导致于教学效果一般[2]。岩石力学实验课的教学内容一般为煤岩的单轴压缩、劈裂、剪切等基本物理参数。并且学生少有机会参与实验操作，形成了“教师讲授学生观察”的教学模式。教学内容简单、教学形式单一，这些原因让学生失去了学习的兴趣与动力。

目前采矿工程实验课教学手段单一，加之简单、枯燥的试验系统，难以激发学生的学习、科研兴趣。同时，各专业课的实验内容相互独立，并没能构建好的实验教学系统[3-4]。因此，完善采矿工程实验课的实验系统，丰富实验课内容变的尤为重要。

2  采矿工程实验教学的定位

实验课教学作为理论课的补充与拓展，加深学生对理论知识的掌握与理解;激发学生的学习、科研兴趣。通过形象、直观的实验，调动学生的主观能动性;开拓视野、培养学生实践创新能力。通过实验课教学让学生掌握学科前沿知识，熟知学科前沿仪器设备。

3  采矿工程综合实验教学的探索

3.1 采矿工程综合实验教学平台

安徽理工大学是安徽省重点建设的特色高水平大学。采矿工程学科是学校最早设立的学科之一，历史悠久。经过数十年发展，采矿工程学科体系完整，围绕矿井安全高效回采等开展科研工作，科研水平不断提高，科研条件不断改善，科研实力不断增强。

实验课是对理论知识进行检验和验证的重要手段，实验是教学中必不可少的环节。仪器设备是实验教学开展的前提条件，是实验教学的基础。仪器设备的性能直接关系到实验课的教学效果，以及学生创新能力的培养情况[5]。安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室实验条件优越，现有实验大楼一栋，面积24650m2。实验室仪器设备总值达1亿多元，并构建了如下研究系统：仿工程复杂物理场煤岩力学演化特性实验系统;动静荷载下气固耦合煤岩冲击动力学特性实验系统;深部工程支护体性能检测系统;含瓦斯煤岩损伤、破坏微细观全时演化监测系统;三维立体相似材料模拟智能实验系统。

依托采矿工程学科优势，以及深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室仪器设备等硬件条件优势，对采矿工程综合实验进行探索。

3.2 采矿工程综合实验设计

采矿工程专业学生经过前期认识实习，已对矿井有了初步的认识。通过采矿工程综合实验对采煤学、岩体力学、矿山压力与岩层控制、矿山水文地质、井巷工程等专业课知识进行梳理[6]。让学生全面地了解矿井相关知识，有层次地进行探索性学习。结合实验室现有仪器设备，采矿工程综合实验课由以下四部分组成：矿山虚拟仿真系统—三维相似材料模拟系统—岩石力学实验系统—工业CT。

3.2.1 矿山虚拟仿真实系统

教学目的：全面了解矿井工业广场、井下工作环境、矿井机械设备以及生产工艺。

安徽理工大学虚拟仿真實验室为实验教学提供了一个大场景宽视野的3D教学环境，通过虚拟现实技术以及三维建模技术，创造出一个1：1的虚拟场景。内置动作捕捉系统，通过排布在空间中的数个动作捕捉摄像头将运动者的运动状态以图像的形式记录下来，通过3D图形工作站将图像数据进行处理，得到不同时间计量单位的空间位置（X，Y，Z），本实验可通过捕捉操作者头部、手部运动轨迹实时显示在LED大屏，实现自然高效的交互式教学效果。教师采用交互设备，模仿真实的实验、实践教学过程，学生佩戴立体眼镜，仿佛置身于真实的操作环境中。实验室可用于大型工程三维漫游（如矿井生产）、高精端仪器虚拟拆装及操作、危险系数较高的实验环节操作过程演练、不可逆公共安全灾害应急展示等。采矿工程虚拟仿真实验教学资源开放管理平台在校园网面向所有用户开放，对校内外展示虚拟仿真实验教学信息。学生可在校园内任意网络接入点访问平台资源，不仅可以方便地利用平台资源学习和开展实验，还可以根据平台上提供的器材自由搭建合理的典型实验项目。此外，虚拟仿真实验教学资源开放管理平台还具有信息发布、实验数据收集分析、互动交流、成绩评定、成果展示等功能。同时该平台为开放式，根据教学的需要可添加其他实验教学内容。

同课堂枯燥的教学相比，虚拟仿真实验课的3D及交互功能，可以让学生身临其境，亲身体验矿井环境，更深入地将理论知识与现场情况相结合，有利于学生深入思考围岩失稳等力学机理。结合虚拟仿真系统中的嵌入模块，授课老师可以从机械装备、回采工艺、围岩受力多个角度，全方位、立体式的引导学生展开学习采矿工程的相关知识点。激发学生学习的主观能动性，培养学生对未知问题进行积极探索的精神。

3.2.2 三维相似材料模拟系统

教学目的：通过相似材料模拟试验模型的设计、制作、开挖等步骤，掌握采场覆岩运动及矿山压力的规律。了解以应力为主控因素的三维矿压理论。

煤层回采过程中，随着工作面的推进，围岩原有力学平衡状态遭到破坏，上覆岩层发生变形移动，直至破坏垮落。三维相似材料模拟试验作为研究煤层回采过程顶板变形破坏的主要手段之一，具有方便、快捷、可重复的优势。三维相似材料模拟实验系统由：加载系统、回采系统、监测系统以及辅助配套系统等部分组成。采用多种检测方式相结合、运用多种检测与监测技术，能够有效获取煤层回采过程的关键信息，保证测量结果的可靠性。采用应力传感器对回采面的应力变化进行检测，采用分布式光纤应变传感技术对裂缝位置及开合程度进行评估，采用声发射技术监测裂隙的萌生及发展过程，采用超声检测技术与相控阵超声检测技术对实验模型内部裂隙成像，对煤层回采过程中上覆岩层破裂状态及应力变化情况进行全过程监测。

相比二维相似材料模拟实验台，三维相似材料模拟实现了模拟实验与现场的高度相似性。学生在实验过程中要同时考虑相似比、工作面布置、回采速度、煤层倾角等多重因素，确保模型与实际工况地质力学条件更相近，在此过程中学生能够对所学专业课知识进行梳理并运用。三维相似材料模拟系统更直观地展示了工作面的回采过程，尽可能地还原了实际条件下的生产状况，让学生直观认识上覆岩层变形破坏过程，掌握采场三维矿压的动态演化。

3.2.3 岩石力学实验系统

教学目的：掌握岩石单轴压缩、剪切、劈裂等实验的方法，能够完成单轴抗压强度、抗拉强度、泊松比、弹性模量等力学参数的计算。

实验室MTS816岩石力学实验系统，由美国MTS公司生产的专门用于岩石及混凝土试验的多功能电液伺服控制刚性试验机，具备轴压、围岩、剪切三套独立的闭环伺服控制系统，可完成煤岩体单轴压缩试验、三轴压缩试验、三轴压缩流变试验、剪切试验、拉伸试验、断裂试验、渗流试验、高低温试验等，能够测定煤岩体各种力学特性，具有精度高，可靠性好，响应速度快等优点，是目前世界上最为先进的室内岩石力学试验设备。全程计算机控制，可实现自动数据采集及处理;配备轴压、围压与剪切三套独立的伺服系统;实心钢制荷重架只储存很小的弹性能从而实现刚性压力试验;伺服阀反应敏捷，试验精度高;与试件直接接触的引伸计可在高温高压环境中工作，实现的应力、应变进行精确的测量;试验可采用任意加载波形与速率，三种控制方式可在试验中自动转换;调节范围宽广的闭环加热系统可提供均匀的温度场。MTS-816岩石力学实验系统为目前我国最先进岩石力学实验系统之一，剪切、渗流等模块齐全，可配合PIC-2型声发射监测系统使用。气固耦合煤岩细观变形监测系统与MTS-816岩石力学实验系统联合使用，可以实现煤岩体气固、流固耦合细观力学实验。

以MTS816为主的岩石力学实验系统将工程现场的问题带入实验室小尺度进行分析解决，探究试样破裂原因，最终将实验结果回归现场用于解决现场问题。培养学生知识运用能力以及探索创新能力。在试验过程中配合声发射设备，可以帮助学生拓宽科技视野，

3.2.4 工业CT

教学目的：从微观变形认识试件破坏。了解学科前沿知识，熟知学科前沿仪器设备。

实验室Phoenix v|tome|x L 300配置了独有的单极300kV微焦点射线管。由于射线管的单极设计，系统不仅有高放大倍率，而且可用于高衰减率材料的试件检测。v|tome|x L 300以花岗岩为机械平台基座，配有辐射安全防护室，可检测重量达50kg、长度达600mm/直径达500mm的试件。特点：二维检测和三维CT的细节分辨率达1微米，单极设计的射线管，具有高放大倍率（射线管到试件的最小距离为5mm），可实现高精度测量功能，缺陷识别和高精度量测，检测范围广泛，无需更换射线管可检测各种不同的试件，可对高衰减率试件采用300kV的非破坏性定量分析，采用三维加速重建软件，可在数分钟内完成重建。对内部结构进行三维数据模型重构，获取内部所有物理信息，包括各个组分的占比、形参以及其他根据定制化的功能。可开展动载作用下含瓦斯煤岩体微观损伤演化探测;实现煤岩体内部几何形态、断裂面表面形态、结构面三维空间分布特征的智能监测;开展动静载荷作用下含瓦斯煤岩多尺度裂隙演化及三维重构实验。三轴加载驱替装置可以模拟地层条件下的压力环境，进行驱替并获得轴向及外围应力变化曲线，并实时观测三轴施压过程中，内部孔隙变化、裂缝变化等形貌发展规律，于驱替过程中进行快速CT扫描，观察驱替路径。三轴力学加载装置与岩芯数字扫描仪配套使用，可实现加载全过程的快速CT扫描，该装置具备恒温系统，实时监测温度变化与调控。

利用CT技术将煤岩试件内部可视化，直观的展示煤岩内部微观结构，让学生更好的理解煤岩变形破坏过程，解决了长久以来这类抽象知识对学生的困扰。同时，工业CT拓宽了学生的视野，改变了学生对采矿工程专业—枯燥艰苦的认识，增加了学习兴趣。

4  结语

通过建立“矿山虚拟仿真实验系统—三维相似材料模拟系统—岩石力学实验系统—工业CT” 实验教学体系，系统地向学生展示了“工程现场—实验室尺度—微观变形”之间的联系，培养学生将现场问题转换到实验室进行分析的思维方式。同时利于学生对专业课理论知识进行梳理，提高实验课教学效果。

参考文献

[1] 邵安林，邱景平，柳小波，等.采矿卓越工程师培养模式的改革与探索[J].高教学刊，2020（8）：150-152.

[2] 张源，他旭鹏，马阳升，等.岩层移动物理模拟实验教学系统的改进与应用[J].教育教学论坛，2019（49）：267-270.

[3] 王鹏，王瑞，张伟光，等.采矿工程专业实践教学改革对策分析——以新疆工程学院为例[J].当代教育实践与教学研究，2018（5）：72-73.

[4] 赵兵朝，余学义，聂丽华，等.以创新能力培养为导向的采矿工程人才培养改革与实践[J].技术与创新管理，2019，40（3）：304-307.

[5] 张平，王登科，曾凡超.CT技术在煤岩裂隙演化实验教学中的改革探讨[J].中国现代教育装备，2019（15）：11-13.

[6] 陈静，刘伟韬，秦忠诚，等.依托矿业工程国家级实验教学示范中心探索高校本科实验教学体系新模式[J].教育现代化，2019，6（5）：79-84.