张飞燕，杨小林，韩 颖，杨 明，潘荣锟，褚怀保，邓奇根，李 波

（1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000；3.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000）

“爆破安全”是安全工程专业本、专科学生的一门专业选修课程，主要讲述爆破理论基础、工业炸药、起爆技术、爆破安全与管理、岩石爆破理论、光面爆破与预裂爆破、井巷掘进爆破、爆破危害及爆破事故的预防与处理等内容[1]。该课程的主要实验教学内容均涉及高危险性的爆破器材、复杂多变的施工环境以及不可逆的施工过程，其中尤以地下巷道掘进爆破安全综合实验最具代表性[2-3]，该实验可将课程所有知识点集中、系统地体现出来，但其开设面临以下主要问题：

（1）中国对爆破器材实施严格管控，具有爆破特种作业资格的人员方能接触，以真实爆破器材为支撑的室内实验无法开展。

（2）巷道掘进爆破是采矿、交通、水利等工程施工条件最差的工序单元，具有独头掘进、空间狭窄、各工序相互干扰大、需强制通风和采光等特点，学生进入施工现场不仅影响企业正常生产，更会带来极大的安全隐患；此外，因爆破作业需具有爆破作业资格的人员实施，学生即使进入施工现场，也不能获得实操机会。

基于上述现实问题，室内真实实验及现场实验教学均难以开展，亟须探索新型、有效的实验教学手段。

《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高【2012】4 号）再次强调了实践教学的重要性，明确要求强化实践育人环节，提升实验教学水平[4]。近年来，在教育部的大力支持与推动下，全国高校掀起了虚拟仿真实验教学研究的热潮[5-8]。教育部高等教育司在其发布的《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函【2013】94 号）中明确指出：虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物；其任务是构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，在涉及高危或极端的环境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目[9]。基于此，依据“虚实结合、相互补充、能实不虚、相辅相成”的原则，本文借助虚拟仿真、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，开展巷道掘进爆破安全虚拟仿真实验教学平台构建研究，以期实现理论教学与实践育人的有机结合。

1 巷道掘进爆破安全虚拟仿真实验模块设置

根据真实巷道掘进爆破工艺与安全监测流程，对巷道掘进爆破安全虚拟仿真实验内容进行模块化设计，如图1 所示。

图1 虚拟仿真实验模块设置

实验内容分为3 个模块：巷道掘进爆破方案设计、巷道掘进爆破施工、爆破危害监测与分析。

1.1 巷道掘进爆破方案设计

在方案设计阶段，根据巷道掘进断面要求，需进行设计的参数主要包括：爆破方案、钻孔直径、炸药品种与型号、起爆方法与起爆器材、循环进尺、炸药单耗、装药系数、总装药量估算、炮孔总数目估算、炮孔孔深、炮孔间距、各炮孔装药系数与堵塞长度等[10]。

1.2 巷道掘进爆破施工

在爆破施工阶段，根据施工工艺要求，主要施工环节包括：在巷道断面上布孔、钻孔、清孔、检测瓦斯浓度、装药、堵塞、各炮孔间连线、布设监测点、连接起爆器、起爆等[11]。

1.3 爆破危害监测与分析

爆破危害监测项目主要包括：粉尘浓度、有毒有害气体浓度、爆破冲击波超压、爆破振动[1,12]。前期设计选取的炸药量、单段起爆药量不同，所监测到的相关数据也会不同，学生需提取不同监测数据并分析爆破效果及危害程度。

2 巷道掘进爆破安全虚拟仿真实验教学平台构建

根据实验内容进行学生交互性操作设计，实验设计环环相扣，前一步设计不合理，就无法进行下一步。该教学平台主要包括实验准备、实验过程、实验总结3 大环节，可对课程实验进行全过程考核。

2.1 实验准备

实验准备包括两方面内容：（1）实验目的、原理、方法、所用仪器耗材的学习；（2）实验涉及知识点的考核，考核合格后方可进入下一环节。实验准备环节界面如图2 所示。

图2 实验准备环节界面

2.2 参数设计

1）根据预设选项通过下拉菜单选取的参数。

部分爆破参数已在平台中预设选项，学生只需结合所学理论知识进行下拉选取即可，如：掘进爆破技术方案、钻孔直径、炸药品种、炸药型号、起爆方法、起爆雷管、起爆器、各种炮孔起爆雷管的段别、起爆药包位置、起爆顺序设置等。该类参数选取界面如图3 所示。

2）依据理论知识及经验选取的参数。

此类参数需依据课堂所学理论知识，并结合工程实践经验进行选取，如：循环进尺、炸药单耗、装药系数；掏槽孔个数、空孔直径、空孔个数；崩落孔、光面孔孔间距、孔深；掏槽孔、崩落孔的装药系数、光面孔的线装药密度；炮孔堵塞长度等[13]。该类参数选取界面如图4 所示。

图3 预设选项参数选取界面

图4 依据理论知识及经验选取参数界面

3）需理论计算确定的参数。

此类参数需结合前述可下拉菜单选取的参数，根据公式计算确定，如总装药量、炮孔数量、掏槽孔深度、空孔深度、掏槽孔最大段起爆药量等。参数设计过程中，后台预置程序自动进行计算、正误判别，并在交互操作过程中及时给出提示。例如参数掏槽孔深度，该参数设计过程中需根据循环进尺进行计算，掏槽孔深度为循环进尺的1.2～1.3 倍，如图5 所示。若参数设计有误，系统会提示“输入不正确”，则需要进行参数修改，此时如不修改，则无法进行下一步的实验。例如总装药量，若参数计算错误，系统则提示“输入不正确，请重新填写”，如图6 所示。

图5 需理论计算确定参数界面

图6 参数设计错误系统提示界面

2.3 爆破施工

平台设计有工具背包[14]，施工阶段可按照施工工艺流程从工具背包里选择相应工具及爆破器材。

1）巷道断面布孔。

根据参数设计阶段确定的炮孔间距，用户以第一人称漫游方式在巷道断面布置炮孔。炮孔布置完毕后，平台后台程序进行自检，判断炮孔数量是否符合相关要求。若符合要求，则进行下一步操作；否则，平台会给出提示，需重新进行布置，如图7 所示。

图7 炮孔布置界面

2）钻孔、清孔、验孔、制作起爆药包、检测工作面瓦斯浓度、装药、堵塞。

该施工环节同样采用第一人称漫游方式，在巷道掘进爆破施工环境中进行操作，如图8 所示。

图8 第一人称漫游施工操作界面

首先，从工具背包选择相应工具，包括钻机、风管、带有刻度的木棍，分别进行钻孔、清孔、验孔工作。其次，完成炮孔检验后，可进行起爆药包的制作，用木棍在药包一端扎个小孔，把雷管插入药包并扎紧。再次，根据《煤矿安全规程》第三百四十七条[15]规定，井下爆破作业必须执行“一炮三检制”和“3人连锁爆破”制度，并在起爆前检查爆破地点的甲烷浓度，即采掘工作面装药前、爆破前、爆破后，爆破工、班组长、瓦斯检查员都必须在现场，3 人都要检查爆破地点附近20 m 以内风流中的瓦斯，瓦斯浓度达到1%则不准装药、爆破；爆破后瓦斯浓度达到1%时，必须立即处理，并不准用煤电钻施工钻孔。因此，只有当工作面瓦斯浓度符合规定时，方可继续进行装药、填塞工作。

3）起爆。

在工作面瓦斯浓度检测合格的情况下，从工具背包选择起爆器，连接起爆线，点击“起爆”按钮起爆并通风[15-16]，如图9 所示。

2.4 爆破危害监测与分析

在该阶段，依次选择监测项目、布置监测点、放置监测仪器，平台自动采集相关实验数据，如图10所示。爆破危害监测项目可根据实际情况选做，任意一项做完后，系统会出现对话框，询问是否继续实验，如图11 所示。选“是”则跳转至图10 所示界面，继续进行其他监测项目实验，选“否”则实验结束。

2.5 实验总结

实验结束后，平台自动生成数据表格，主要包括爆破设计参数一览表、监测数据采集表，如图12 和13 所示。学生对上述数据进行分析后，可在线撰写实验报告。

图9 起爆及通风界面

图10 监测项目选择界面

图11 单项监测项目完成界面

图12 爆破设计参数一览表界面

图13 监测数据采集表界面

3 实验教学考核系统

考核系统依次对实验教学平台3 大环节进行考核，具体考核内容、方法及对应分值见表1。

表1 实验考核内容、方法及分值一览表

实验准备环节分两项，由系统自动评判考核：实验预习满分10 分，只要学习过就给满分；知识点测试满分10 分，错一个扣1 分。成绩低于6 分为不合格，需重新学习至成绩合格后，方可进入下一环节。

实验过程环节由系统根据交互实验步骤自动进行评判考核，满分50 分，错一步扣1 分。

实验结束，系统自动统计并给出实验准备、实验过程两大环节成绩，如图14 所示。待实验报告提交后，实验总结环节的成绩由任课教师进行评判。3 大环节成绩总和，即为实验课程总成绩。

图14 实验准备及过程环节成绩界面

4 结语

巷道掘进爆破安全虚拟仿真实验教学平台解决了“爆破安全”课程室内真实实验及现场实验教学难以开展的问题，成功构建了高度仿真的虚拟实验环境，让学生能够在虚拟环境中开展爆破实验、模拟真实实验过程，达到了教学大纲所要求的教学效果。

巷道掘进爆破安全虚拟仿真实验教学平台采用的开放式、引导式、探究式的教学方式，不仅使实验内容的深度与广度得以延伸，同时大大激发了学生的学习兴趣，丰富了学生的学习模式，提高了学生自主学习、团队协作、工程实践及实验创新等方面的能力，具有传统实验教学无法比拟的优势。该平台已获得计算机软件著作权登记证书（软著登字第4257966 号），既可单机稳定、可靠运行，又可置于基于Internet 的开放教学管理平台上，为不同高校相关专业学生提供共享使用，拓展了教学资源共享与辐射范围。