智能采矿工程专业矿山测量学课程体系建设

郑美楠 刘 超 赵兴旺 郭庆彪 赵若南

（1.安徽理工大学空间信息与测绘工程学院,安徽 淮南 232001；2.乌拉尔国立矿业大学采矿工程学院,俄罗斯 叶卡捷琳堡 620000）

在煤炭行业供给侧结构性改革背景下，煤炭经济下行，“十四五”末期全国煤矿数量将控制在4 000处左右[1]。当前，我国煤炭工业正处在全面深化改革的重要时期，促进产业转型升级、实现高质量发展需要大量相关领域人才[2]。

为推动煤炭工业高质量发展，智能矿山建设逐渐被重视。煤矿智能化建设对实现煤炭资源的低碳绿色开发，推动产业优质发展，构建“智能＋绿色煤炭工业”新体系意义重大[3]。智能矿山的建设与应用迫切需求新型高素质的专业技能型人才，为此，教育部于2021年将智能采矿工程专业特设为目录外专业，通过众多高新技术，如人工智能、大数据、云计算、物联网等，改造升级传统采矿工程专业，以培养掌握智能化知识和应用的高级矿业领域人才[4-5]。然而，高校未能及时构建与之相应的人才培养模式，智能采矿工程专业人才培养仍处于探索阶段。

在智能采矿工程专业培养方案设定中，将矿山测量学课程作为该专业基础课程，其重要性不言而喻。矿山测量学课程任务是使学生具备从事矿山测量工作所必需的基础理论知识、技能和基本素质等，为从事地下矿山测量和科学研究打下坚实基础[6]。在传统采矿工程专业教学中，该课程由课程教学、矿山测量课程设计和矿山测量生产实习构成一个完整的课程体系。面对智能采矿工程专业的培养方案，如何将“智能测绘”引入矿山测量学课程以丰富课程教学内容、改善教学效果，需要教师深入思考[7]。为此，本文以矿山测量学课程为例，从教学内容、教学模式等方面，探讨智能采矿工程专业矿山测量学课程教学内容中存在的问题与相应的解决对策。

1 智能采矿专业矿山测量学课程教学存在的问题

矿山测量在矿山发展中发挥着关键作用，从矿山勘探建设到生产再到废弃关闭，贯穿矿山全生命周期。矿山测量被誉为矿山的“眼睛”，在保障矿山全生命周期安全绿色开发中具有重要的实际作用。矿山测量学属于测绘、采矿、地质的交叉边缘学科。该课程的传统实验教学通常在地下矿井开展，因井下环境复杂，教学过程中存在安全风险大、影响生产等问题，且由于采矿与岩层移动过程不可逆，地层内部矿体几何特征不可见，精密陀螺全站仪等贵重仪器实验成本高、寿命短，使得课程在实际过程中难以开展学习实践活动，严重制约了人才培养的质量。矿山测量学课程教学过程中主要存在以下问题。

1.1 课程教材陈旧

教材是教学之本，是学生学习、复习的重要参考资料，是教师进行教学工作的重要载体。现阶段面向智能采矿专业学生教学采用传统矿山测量学教材，学生经常疑惑“智能”在矿山测量中如何体现，矿山测量学教材多集中于对传统测量技术的介绍，针对先进的测量技术体现较少，因此，急需结合测绘学科发展，丰富矿山测量学教材内容。

1.2 教学内容更新慢

教师教学过程中通常结合教材进行课程讲解，很少涉及学科前沿知识。现今矿山测量学课程主讲井下平面控制测量、井下高程测量、矿井联系测量、贯通测量等主要章节，而对于非测绘类专业的智能采矿工程专业而言，学生对测绘专业了解不深，难以把智能测绘与智能采矿工程专业的部分专业课程（如智能掘进工程设计与施工、智能采矿学、智能矿山设计与优化等课程）融会贯通。例如无人机倾斜摄影测量技术、三维激光扫描技术、合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar,InSAR）技 术 等比较成熟且已在矿山开采沉陷中广泛应用的测绘前沿技术手段未能及时在教学内容中得到体现或体现得不够充分，导致教学内容与现代测绘技术的发展不协调。

1.3 实验与实习场地缺乏

矿山测量与其他测量工作的工作环境和工作方式区别较大，其工作环境空间有限、光线昏暗，使其难以创造出合适的模拟场景进行实验和实习，有条件的高校通常在地下停车场建立矿山测量实习场地，但这与井下测量环境仍有较大差异。同时，随着矿山安全问题日益受到社会各界的关注，许多煤炭企业出于安全因素的考虑，通常避免学生进入井下实习，学生到矿上多为参观式学习，导致理论和实践严重脱节。再加上学校测量设备短缺、测绘新仪器设备价格昂贵等因素，导致学生很难得到足够的训练。由于缺乏实验和实习的条件，学生学习以教师授课模式为主，导致教学模式单一，降低了学生的参与感，不能发挥学生的主体作用。

1.4 学生学习动力不足

为了推动煤炭工业高质量发展，教育部开设了智能采矿工程专业，因受新能源行业冲击，煤炭行业经济下行，智能采矿工程专业虽然比传统采矿工程专业多了“智能”二字，但学生仍普遍认为其与传统采矿工程专业差异不大，毕业之后想去煤矿企业工作的不多。同时矿山测量学课程作为测绘类课程之一，与采矿工程类似，学生普遍的认知是毕业后需要到野外进行测量，因此，对矿山测量学感兴趣的学生少之又少。由于行业经济下滑及从业特点，学生缺少学习动力。

2 智能采矿专业矿山测量学课程教学改革探讨

针对智能采矿专业矿山测量学课程教学中存在的不足，结合矿山测量学科的内涵（①矿山地面和井下测量仪器与技术方法；②岩层与地表移动的观测和预计；③矿体几何、矿图绘制与储量管理；④矿山测量法规和专业教育）和智能测绘的发展，在教学实践中可从以下几个方面改进。

2.1 更新教学内容，强化教学效果

更新教学内容是提升教学效果的基础，结合矿山测量学科的内涵和智能测绘的发展，反复论证智能采矿专业矿山测量学课程的教学大纲，在保证课程应有的基本理论、知识和技能的基础上，要将测绘新仪器、新技术、新方法教授给学生，矿山测量学课程传统与智能采矿工程专业教学内容对比如表1所示。同时，还应对已有的教学方式方法进行改进和提升。此外，除矿山测量学课程教材以外，结合测绘学科的发展，还应给学生配套与课程相关的辅导书籍，如《矿山开采沉陷监测及预测新技术》《InSAR对地观测数据处理方法与综合测量》等。在课程教材和辅助教材的帮助下，保证教师讲课的内容覆盖学科前沿知识，使得学生掌握基本理论知识和技能。同时由于科学技术的不断发展，教师在授课过程中要注重培养学生的自学能力，这样才能不断提升学生所掌握的知识，进一步巩固学习效果。

表1 智能采矿工程专业矿山测量学课程教学内容

2.2 融合理论、科研与实践

教师在授课时要做到课程内容与科学研究相结合、理论知识与工程实践相融合。结合教师的科研项目和团队科研成果，将测绘领域的新理论、新方法、新技术及时融入课堂教学中，体现学科的发展动态，吸引学生的注意力。

如在讲授矿山测量中的开采沉陷监测时，首先讲解开采沉陷机理和监测必要性，使学生理解开采沉陷是由于地下煤炭采出后，周围岩体原有应力状态被破坏，应力重新分布后上覆岩层和地表产生的连续和非连续移动变形，地表沉陷后将导致房屋损毁、农田积水盐渍化、水土流失等诸多环境地质问题，同时，地表沉陷在时间和空间上是一个动态发展的过程，因此，精准获取地表沉陷对评价地表建构筑物损害程度、预防次生沉陷灾害意义重大。图1为课堂讲授的矿区开采沉陷案例，其中图1（a）为安徽淮南某矿开采引起的地表沉陷积水，图1（b）为陕西某矿开采后地表移动变形引起的地裂缝。通过该案例学生可直观地了解煤炭资源开采后引起的环境地质灾害。

图1 矿区开采沉陷案例

在此基础上，引入现阶段开采沉陷监测方法，主要包括传统地面测量（如水准测量、GNSS）和新型地表形变测量技术（如InSAR技术、三维激光扫描等）。并对比讲解两种方法的优缺点，常规地面测量方法精度高，但只能进行点线测量，难以获得面域信息，且费时、费力、成本高，而InSAR技术具备全天时、全天候、大范围、高频次、高精度地表形变监测的能力。在课堂讲授时，结合笔者的科研经历从InSAR算法改进、多源数据融合和三维形变监测三个方面进行深入讲解，拓宽学生视野，培养学生独立思考和创新性思维的能力。详述如下：

（1）针对开采沉陷速度快、梯度大以及非线性明显等特点，导致部分SAR影像干涉对失相干严重，使得部分时间段信息缺失，同时时序InSAR利用线性模型反演开采沉陷偏小的问题，利用多项式模型对InSAR反演形变算法进行改进，并利用概率积分模型反演结果替换失相干时段数据，联合InSAR监测结果与概率积分法预测结果，可有效提升InSAR监测形变的能力。

（2）由于InSAR监测结果无法获取大梯度形变，且监测结果受DEM精度影响，因此利用高精度DEM数据可有效提升InSAR监测精度。融合SAR数据和无人机DEM数据、三维激光扫描数据等，或融合InSAR监测结果和偏移量跟踪结果、子带干涉结果等，可有效提高InSAR形变监测精度。

（3）矿区开采沉陷复杂，地表沉陷的同时常伴随水平移动，直接利用InSAR技术获取垂直向形变可能对地表下沉/上升出现误判，无法正确解译关闭矿井地表沉陷规律。基于升、降轨SAR数据获取矿区地表三维移动变形，可分析关闭矿井地表下沉与水平移动之间关系，同时结合采空区空间分布、工作面开采等信息，明确矿区地表三维形变时空演化规律。

最后，结合实际工程案例解释说明InSAR技术在矿山开采沉陷监测中的应用效果。图2为课堂讲授的InSAR监测淮北某矿区开采沉陷案例，其中图2（a）为淮北矿区大范围地表沉陷InSAR监测结果，图2（b）为淮北某煤矿InSAR精细化监测结果与工作面、铁路等叠加分析结果。在工程案例讲解过程中，引导学生思考InSAR技术除了形变监测外还可以在矿山测量中得到哪些应用，同时让学生举一反三思考三维激光扫描、无人机摄影测量等技术在矿山测量中的应用，并利用课下时间寻找相应的工程案例，通过理论结合实践，提高学生知识应用的能力，让学生参与到课堂中来，不仅可以提高学生的学习兴趣还能提高教学效果，还可以通过“理论+科研+实践”，让学生深入体会技术的发展带来的行业的变革。

图2 InSAR技术监测开采沉陷案例

2.3 引入虚拟仿真实训平台

传统矿山测量实验教学中，由于场地、仪器限制，导致教师重课堂教学、轻实验教学，学生参与度低，同时，井下高危环境下开展该类实验教学，存在安全风险大、影响生产等问题。随着虚拟仿真技术的发展，2017年7月，《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》中明确指出虚拟仿真技术可作为实验、实习教学的新途径，鼓励教师积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式。

虚拟仿真教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互与网络通信等技术，构建虚拟化的现实实验环境和对象，可使学生切身体会实验与实习过程，有效地弥补了传统实验教学手段的不足。现今虚拟仿真实验教学平台较多（如江苏省高等学校虚拟仿真实验教学共享平台、南方测绘虚拟仿真实训室、中国矿业大学矿山测量虚拟仿真实验中心），为教师开展实验教学提供了良好平台[8]。其中中国矿业大学研发的矿山测量学虚拟仿真实验教学系统涵盖矿山测量仪器认识、井上下联系测量、井下高程测量、贯通测量、陀螺定向等实验教学内容，图3为矿山测量学虚拟仿真实验教学系统操作界面。教师应勇于尝试虚实混合式的线上、线下联合教学模式，将学生引入矿山测量虚拟环境中，进而提升学生的矿山测量实验实习兴趣，并且通过虚拟仿真教学平台反复练习可提高学生的实践技能，使其掌握矿山测量的相关知识，培养学生解决复杂工程问题的能力，有效地弥补了传统实验教学手段的不足。教师有效地利用现有虚拟仿真教学平台资源，可使课程教学达到事半功倍的效果。

图3 矿山测量学课程虚拟仿真实验教学系统

2.4 融入课程思政

为全面践行党的“绿水青山就是金山银山”的发展理念，拓展矿山测量的应用领域，笔者教学过程中深入挖掘了矿山测量的应用领域，如露天采矿边坡稳定性监测、尾矿库监测等，并从2023年2月22日内蒙古自治区新井煤业有限公司矿区坍塌事故中让学生了解矿山测量工作的重要性。同时培养学生的职业素养与职业道德，并结合国家重大工程案例（如功勋矿“新疆可可托海三号矿坑”、淮南大通国家矿山公园、江苏徐州潘安湖国家湿地公园等）挖掘课程思政内容，让学生以先辈为楷模，发扬爱国情怀、增强职业精神、激发学生学习动力。

3 结语

矿山测量学课程作为智能采矿工程专业重要的基础专业课，面对专业发展的需要，将“智能测绘”有效融入课堂，提升教学效果至关重要。本文针对传统矿山测量学课程教材陈旧、教学内容更新慢、实验与实习场地缺乏和学生学习动力不足等问题，结合矿山测量学内涵和智能测绘发展，从教学内容、理论+科研+实践、实习实训、课程思政等方面对智能采矿工程专业矿山测量学课程教学改革进行了探讨，以期提升课堂教学效果，积极调动学生学习积极性，为智能采矿工程专业矿山测量学课程教学提供参考。