矿山VR教学系统在《采矿概论》课程中的应用

张村 赵毅鑫 滕腾 陈见行 张磊

摘  要：采矿工程本身就具有系统复杂，井巷交错，立体性强的特点。针对当前非采矿工程专业学生在《采矿概论》学习中普遍存在层次感不清，系统模糊等问题，提出了将虚拟仿真VR技术引入教学过程中的方法，建立了煤矿开采虚拟仿真漫游教学系统。将教学中的难点内容和演示性实验项目虚拟和仿真化，能够使得学生更加直观立体的了解整个采矿系统。该系统在全校《采矿概论》教学中进行了应用，提出了具体的教学方法。该虚拟教学系统的应用取得了较好的效果，為工程类专业教学改革提供有益的经验。

关键词：虚拟现实;矿山开采;教学系统;课程应用

中图分类号：G642 文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）04-0099-03

Abstract： Mining engineering itself has the characteristics of complex system， staggered lanes and wells， and strong three-dimensional. Aiming at the problems of ambiguous hierarchy and system ambiguity in the study ofIntroduction to Mining for non-mining engineering major students， a method of introducing VR technology into teaching process is proposed. A virtual simulation roaming teaching system for coal mining is established. By virtualization and simulation of difficult contents and demonstration experiment items in teaching system， students can understand the whole mining system more intuitively and stereoscopically. The system has been applied in the teaching of Introduction to Mining in the whole school， and specific teaching methods have been put forward. The application of the virtual teaching system has achieved good results and provided useful experience for the teaching reform of engineering major.

Keywords： virtual reality; mining; teaching system; course application

引言

虚拟现实作为近年来快速发展的一种新技术，由于解决了虚拟现实中硬件设备昂贵、三维建模繁琐和数据量大等缺点，迅速的在医疗、制造与维修、娱乐、航空航天等领域得到广泛的应用[1-3]。虚拟现实技术作为一种新型的教学媒体，以其自身强大的教学优势和潜力，逐渐受到教育工作者的重视和青睐，最终在实践教学广泛应用并发挥其重要作用[4，5]。虚拟仿真教学是指利用计算机软件和具体实物共同模拟出现场的真实场景，使学生处于一种虚拟的情境下进行学习。该种教学方法可以利用接近于现实的工作场景进行教学，教学方法生动形象，有利于提高学生的学习兴趣和加深对知识的理解[6，7]。

采矿概论是非采矿工程专业的通识必修课。该课程应用实践性强，需紧密结合现场生产实践[8-9]。采矿工程尤其是煤矿井工开采，整个生产系统井巷交错，层次立体感强，很难通过简单的演示使学生完成掌握，特别是针对非采矿工程的学生而言。因此，本文将传统的采矿概论课程教学和虚拟仿真技术结合起来，发挥各自的优点，使学生不受设备和场地的影响，能够掌握更多的知识和技能，对于采矿概论课程教学具有重要的意义。

一、矿山开采VR模拟系统构建

（一）VR矿井漫游系统

矿山开采VR模拟系统选择常见的现代化斜井开拓系统。井田开采一缓倾斜煤层，煤层赋存较浅、表层薄、水文地质条件简单。井田沿倾斜面划分2个阶段，设2个开采水平，每个上山阶段沿走向划分为若干个采区。每个采区布置1个回采工作面和1个准备工作面，具体井巷系统如图1所示。

矿山VR模拟系统针对上述井巷布置图，运用防爆全景相机对井下各个部位进行拍摄，之后采用Unity Pro团队开发模块进行矿井各巷道以及设备的构建，构建后的模型图如图2所示。

（二）矿井漫游系统操作流程

系统可以直接配合现代多媒体教室进行运行，系统运行需要HTC vive设备，携带笔记本连接教室多媒体投影设备。能够实现将头盔中看到的视角投影到大屏幕上，以实现全班人员能够共同进入该系统学习。

进入该系统后，首先出现在同学们面前的是图1所示的整个矿井的系统图，利用HTC手柄可以选择图1中任何一个位置进入。进入实际巷道后，就如同进入真实场景一样，同学们可以在现实场景中自由移动，也可以借助手柄进行跳跃式移动。

二、矿山VR系统课堂教学

（一）井巷认识

开机进入矿井系统后，首先教师先带上头盔，以问答的方式点击进入系统中任何一条井巷，让学生掌握每条巷道所处的层位，巷道断面特点，以及在整个系统的用途。具体在讲解过程中按照井巷掘进顺序进行讲解。一般情况下教师讲解巷道的类型可以分为以下几个方面：

（1）开拓巷道。为全矿井或一个开采水平服务的巷道属于开拓巷道。如图1中主副斜井和风井、井底车场、主要石门、阶段运输和回风大巷、采区回风和采区运输石门等井巷，以及掘进这些巷道的辅助巷道都属于开拓巷道。

（2）准备巷道。为采区和一个以上区段、分段服务的运输、通风巷道叫准备巷道。具体如图1中的采区上（下）山、区段集中巷、区段石门、采区车场等。

（3）回采巷道。指形成采煤工作面及为其服务的巷道。如图1所示属于这类巷道的有采煤工作面的区段运输平巷、区段回风平巷和开切眼、中切眼。

教师讲过一遍后，同时教会学生简单的操作方法，让学生上台体验。此时，教师任意说出巷道的名称要求学生进入相应的巷道，坐在下面的同学也可以指挥台上的同学。如此，同学们就可以对巷道的布置有一个更全面直观的了解，而不是仅仅停留在书面上线条式的识别。

（二）矿井设备认识

在进入每一条巷道的过程中，除了让学生掌握巷道所处位置，还要带领学生认识每条巷道内所布置的设备及其作用。比如当进入工作面后，先讲工作面的开采参数，之后就要讲相应的三机配套情况：采煤机型号、刮板输送机以及液压支架的型号。然后进一步说明工作面的循环作业图表（包括采煤机进刀方式、液压支架的支护方式等，具体如图2b所示）。当进入区段运输平巷时则给学生们介绍转载机、破碎机以及皮带运输机的具体情况（图3）。当进入区段回风平巷时，可以介绍设备列车中相应的设备及其作用。当进入变电所以及井底水仓时，介绍变电所及井底水仓的相关设备及其作用。在进入掘进工作面时，讲解掘进工艺的同时可以观察掘进机（图2a）。

在整个巷道系统走完一遍后，学生能够熟悉煤矿中的相应设备及其主要用途。

（三）生产系统漫游

在进行完井巷认识及内部设备的讲解后，学生基本上对煤矿井下的立体环境有着充分的认识。在此基础上，教师就可以进行煤矿各生产系统的讲解，而在讲解过程中，教师可以采用虚拟系统模型沿着各生产系统巷道完整的走一遍。常见的煤矿三大系统如煤矿运煤系统，教师可以从采煤工作面（刮板输送机）→区段运输平巷（转载机、皮带输送机）→采区运输上山（皮带输送机）→采区煤仓（暗溜井）→采区运输石门（皮带输送机）→阶段运输大巷（皮带输送机）→井底煤仓→主斜井（皮带输送机）→地面。除此之外，矿井通风系统与运料排矸系统采用同样的方法带学生们完整的走一遍。在系统漫游的过程中不仅能够将巷道位置层位及内部设备再強化一遍，同时还能更加完整立体的掌握煤矿生产系统。

三、结束语

矿山开采VR教学模型针对我国现代化矿井系统进行了等比例还原，可实现全矿井巷道漫游。针对当前非采矿工程专业学生在《采矿概论》学习中普遍存在层次感不清，系统模糊等问题，提出了将虚拟仿真VR技术引入教学过程中的方法。借助VR技术，将煤矿开采设备的现代化及自动化引入《采矿概论》课堂，让学生们走出书本，置身于真实矿井，更加立体直观的感受煤矿开采作业现场情况。同时，根据现场教学情况，给出了VR教学方法，大大丰富了学校的教学手段，实现了校外实习资源从基地直接引入课堂的同时有利于矿业企业的宣传。

参考文献：

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