露天开采仿真及模型教学体系建设与实践

2018-06-05常治国陈亚军曹小红李金波

实验技术与管理 2018年5期

常治国, 陈亚军, 曹小红, 李金波

(新疆工程学院矿业工程与地质学院, 新疆乌鲁木齐 830091)

新疆是我国重要的煤炭战略储备大省,随着国家“一带一路”战略的实施,新疆的煤炭产业也得到了前所未有的发展机遇[1]。新疆工程学院是有60年历史的以煤矿开采技术为特色的本科院校。60年来为新疆煤炭事业的发展输送了一大批高层次的技术人才。对于工科类院校,理论教学与实践相结合,才能使知识的传授形象生动、易于学生理解,实践环节是工科类专业人才培养的关键。然而,对于煤炭类高校,实践教学环节却存在一些突出的问题和困难[2-3]。例如新疆露天矿地处荒漠戈壁,距离城市较远,不具备长时间接纳学生住宿实习的条件,而且矿山环境复杂、安全风险较大、学校实习经费不足,也很难在现场进行长时间的实践教学[4]。因此,充分利用计算机仿真技术和实验模型教学系统,校企联合进行仿真实践教学系统的开发和建设势在必行。

近年来,随着计算机技术和加工制造业的快速发展,模拟软件与单片机的应用使得模型仿真实践教学在高校教学中的应用越来越广泛。例如张立强等人[5]研发了冶金专业仿真实践教学平台,建立了冶金工艺模拟流程；毛磊等人[6]将仿真实践教学应用在化工原理教学实践中,制定了相关的教学大纲和人才培养方案；陈雷雷等人[7]研究了仿真实践教学在工业施工设计中的综合应用；高红亮等人[8]通过实例,对电力系统进行了建模和运行,论证了仿真实践教学的高效性。仿真实践教学平台在高校的推广,极大地提高和丰富了实践环节的课程内容。借鉴其他学科仿真实验教学的成功经验,建立采矿工程露天开采方向校企联合实验室仿真实践平台具有重要的研究意义。

1 露天采矿专业仿真实践教学的必要性

采矿工程露天开采是一门注重现场实践的学科,学校培养的专业技术人才不仅要熟练掌握理论知识,更要有煤矿生产、设计的实际操作能力[9]。由于露天矿山是大型、复杂的几何空间体,各种开采平盘、开拓运输系统的布置和相互之间参数的匹配,以及随着时间推移工作面的推进和降深,都需要有良好的空间想象力。如果学生没有较强的三维空间和动态时序概念,很难从教材静态图中想象出空间结构,更难掌握露天开采过程的时空发展过程。教学实践也表明:单纯的理论教学方法很难让学生对露天矿山的整体生产流程有系统、全局性的概念[10]。增加采矿工程露天开采方向实践教学环节比例,让学生在接受理论教学的同时,及早接触生产实践,对于知识的融会贯通有重要的意义。

对于采矿工程专业,进行现场面对面实践教学,让学生亲自来到矿山现场参与煤矿生产建设,能够达到最佳的教学效果[11]。然而在实践教学中常会遇到一些问题,例如,离新疆工程学院最近的神华新疆黑山露天矿位于吐鲁番地区,乘大客车前往需要4小时车程,因而在理论教学中很难实时对照露天矿山的现状进行教学,到现场实习也只能集中在学期初或学期末的认识实习或生产实习中[12]。

应用仿真模拟平台及模型实践教学方式,可有效地解决矿山露天开采方向专业人才培养过程中遇到的这一难题。学生通过仿真实训视频播放软件,不仅能模拟不同的开采工艺、设计不同的开采参数,还能够通过实验模型观察不同工艺系统和不同时期露天矿推进过程和矿体的三维空间形态,在学习抽象理论知识的同时，实时观测矿山施工进度,进一步加深认识与理解。因此,露天开采仿真及模型实践教学平台为采矿工程露天开采方向的实践教学环节开辟了一条高效的途径。

2 露天采矿工艺仿真实践教学的作用

2.1 工艺系统模拟

露天采矿工艺学主要包括工艺环节和工艺系统两大部分,其中工艺环节包括地面准备、穿孔、爆破、采掘、运输、排土、复垦等,通过仿真模拟及模型实践教学平台,将整个工艺流程在实验室内再现,所有操作模型均根据现场实际生产现状图制作,让学生仿佛置身于露天矿生产现场,感受近似真实的生产现场。通过不同的工艺环节和设备相互组合,建立间断、连续、半连续、倒堆等多种复杂工艺系统,可直观地观察不同工艺系统在开拓运输系统的布置、设备的匹配等方面的区别和联系,增强学生学习的主动性、趣味性。

2.2 辅助课堂教学

学生通过仿真模拟及模型实践教学平台,可实时观察露天矿形态和生产的主要工艺环节,在模型上设计不同的开采参数,模拟露天矿水平推进和垂直降深的整个流程,以不同的视角进行观察,充分展示露天矿在不同时期的推进过程和三维空间形态。

在模型实训室,还可以通过平台讲解露天矿常出现的事故案例,例如模拟不同形态的露天矿边坡滑坡形式,模拟设备运行故障等异常工况。模拟平台将理论化、抽象化的书本知识转化为更容易理解的实体呈现给学生,达到良好的辅助课堂教学的目的。

2.3 补充校外实习

采矿工程的校外实习主要包括大二第4学期末的认识实习,大三第6学期末的生产实习和大四第8学期的毕业实习。通过实习,要求学生能够运用所学的专业知识,深入现场接受工程训练,了解现场生产组织调度、采剥进度计划、开拓运输系统、主要设备的运行参数和相互之间的匹配关系等。

然而,校外实习的时间毕竟有限,正常的教学周也很难挤出时间组织学生到现场补充实习。因此,学生可以在校内通过仿真模拟及模型实践教学平台再现生产现场情况,对实习过程中未掌握的重点、难点知识,可以在平台上反复模拟操作,进一步巩固实习成果,达到补充校外实习的目的。

3 仿真模拟及模型实践教学平台的建设

3.1 露天矿仿真实训平台功能

根据山坡露天矿(图1)和深凹露天矿(图2)不同的矿体赋存形态,在露天矿矿体模型的基础上进行不同方式的开采,实际开采过程就是露天矿坑几何形态与矿体几何形态切割过程。不同的开采工艺设计有不同的开采参数,如平盘宽度、台阶高度、台阶组合方式、坡道限制坡度、设备的最小转弯半径等,由这些参数组合构成不同形状的矿坑几何形态,而后用生成的矿体几何形态去切割矿体,形成不同时期的矿体形态,这样就可将露天矿开采过程从始至终演示出来,以不同的视角进行观察,充分展示出露天矿推进过程和矿体的三维空间形态。

图1 山坡露天矿间断工艺模型

图2 深凹露天矿半连续工艺模型

露天开采仿真实训平台可展示出不同工艺的开采状态,不同时期矿山、矿体的三维立体形态,以及开采出的矿体、剥离物的空间形态。由于这些数据是三维数据,因此非常直观。露天矿仿真实训软件系统既有平面图,也有三维图,平面图和三维图在平面上是对应的,通过平面和三维的立体转换,可极大地提高图形的三维立体感,帮助学生尽快掌握露天矿的情况,建立露天矿平面与三维立体的对应关系。

3.2 岩石台阶顺层斜面滑坡监测模型

整座山体为切面状,山体立面为岩层色,动作岩石坡部分为岩石层状,其下为局部绿化,台阶处为仿真公路断面。岩石坡动作部分共分为4层,由玻璃钢翻制成整体岩石坡,再由人工分切,拼接打磨为各岩石层,如图3所示。

图3 岩石台阶顺层斜面滑坡模型

岩石台阶顺层斜面滑坡监测模型演示系统由轨道、轨道轮、有轨电机、绳索电机、变压器以及时间继电器等电子元件组成,模型上配备的传感装置包括微型地表位移传感装置、微型深部位移传感装置。模型上预留有振动加速度传感器、振动速度传感器的固定装置。接通电源后,按预定时间最下层连接轨道的电机开始工作,底部岩层随着电机一起沿轨道向下滑动到设定距离后,电机走到轨道的末端脱离轨道,靠惯性冲下山坡,其他岩层(3层)按各自轨道有序滑落(轨道的最末端)。动作停止后,按预定时间框架内绳索电机开始工作,将岩层由上至下逐层拉回原状。可直观显示边坡顺层滑坡整体运行轨迹。

4 结语

通过多年坚持不懈的建设,新疆工程学院露天开采专业构建了全面实现露天矿生产流程的可视化仿真平台,模拟内容覆盖了露天矿穿、爆、采、运、排整个工艺环节。学生在掌握理论知识的同时,可实时参与生产系统的布置,以三维模型逼真地还原矿山生产情景,促进了理论教学质量的提高,为解决目前采矿专业实习、实践等方面存在的问题提供了有效的途径。

参考文献(References)

[1] 赵菲菲,敬莉.“一带一路”背景下的新疆煤炭产业生态产业链构建研究[J].伊犁师范学院学报(社会科学版),2015,34(3):56-62.

[2] 王青,顾晓薇,邱景平,等.《采矿学》本科专业教材建设改革与实践[J].教育教学论坛,2014(10):31-34.

[3] 弓小平,木合塔尔·扎日,黄滚,等.我国采矿工程专业改革现状与问题[J].高等理科教育,2010(3):58-63.

[4] 管伟明,木合塔尔·扎日,郭宏正.新疆大学采矿工程专业实践能力培养模式探讨[J].中国地质教育,2010,19(2):40-43.

[5] 张立强,包燕平,王敏,等.仿真实践教学在冶金专业的应用[J].中国冶金教育,2013(6):45-47.

[6] 毛磊,童仕唐,梁文懂,等.化学工程专业仿真实践教学的探讨[J].高等理科教育,2006(4):87-89.

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[10] 张伟光,尹彬.采矿工程专业应用型人才培养方案探讨[J].教育教学论坛,2017(47):225-226.

[11] 高喜才,伍永平.西部采矿工程专业特色实验教学示范平台建设实践[J].实验技术与管理,2011,28(5):27-29.