“矿井动力灾害”研究生课程案例教学体系构建探索

龚 爽，神文龙，南 华

（河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003）

一、教改背景和意义

在国家“双一流”建设中，研究生教育教学活动是以培养国家高素质科研和技术人才为目标，以提高社会生产力的科学文化水平为根本任务的高端教育。教育部发布的《关于改进和加强研究生课程建设的意见》中指出，应优化课程内容，注重前沿引领和方法传授。根据学科发展、人才需求变化和课程实际教学效果，及时调整和凝练课程内容，加大课程的教学训练强度。重视通过对经典理论构建、关键问题突破和前沿研究进展的案例式教学等方式，强化研究生对创新过程的理解。加强方法论学习和训练，着力培养研究生的知识获取能力、学术鉴别能力、独立研究能力和解决实际问题能力［1］。

随着我国大多数矿井进入深部开采阶段，冲击地压和煤与瓦斯突出等动力灾害愈发严重，而且常诱发其他煤矿重大事故，如自然发火、突水、瓦斯爆炸等灾害，造成次生灾害。由于深部岩体具有高应力、高瓦斯、高地温、高岩溶水压力的特点，推测未来井下由冲击地压和煤与瓦斯突出诱发的复合动力灾害将会愈发常见，且诱发灾变的阈值有可能更低［2-5］。这一发展趋势迫切需要一批既具备采矿学基础知识，又掌握煤矿深部动力灾害监测、预警及防治技术的复合型人才。河南理工大学能源科学与工程学院矿压教研室负责的矿井动力灾害课程，其授课对象为矿业工程方向学术/专业型硕士研究生，该课程以煤矿动力灾害形成机理及预警防治技术为核心，以冲击地压扰动响应失稳理论和煤矿瓦斯动力灾害防治理论及控制技术为主要内容，涉及煤矿冲击地压形成理论、预测、防治、复合灾害以及含瓦斯煤岩破裂及渗透性特征、瓦斯抽放与治理技术等知识点，使学生熟悉并掌握当前冲击地压和煤矿瓦斯动力灾害的最新监测和预警防治方法。

实时精准地掌握矿井采掘工作面围岩矿压显现数据是防治各类灾害事故的基础，煤矿安全生产技术人员既要掌握各种现代化的监测技术手段，获取大量实时可靠矿压数据，又要理解大量矿压数据蕴含的灾害信息，实现矿压数据的高效合理利用［6-8］。“矿井动力灾害”课程将矿井灾害基础理论与相应现代化监测预警技术以及数据分析方法相结合，将煤矿深部动力灾害发生原理、监测方法、预警技术融合为一个个实际的案例，有利于增强学生理论与实践相结合的能力，提高学习矿井动力灾害的兴趣，激发学生的思维创新能力。

二、课程案例教学体系构建探索与实践

以河南理工大学矿井动力灾害研究生课程案例教学体系构建为例。河南理工大学能源科学与工程学院采矿工程为国家级一流本科专业、国家级特色专业、国家级专业综合改革试点、教育部卓越工程师教育培养计划试点专业，三次通过全国工程教育专业认证，在全国51个开设采矿工程专业的高校中排名第4，进入全国A类专业行列。学院设有矿业工程博士后流动站，矿业工程一级学科博士点、矿业工程一级学科硕士点、资源与环境和交通运输工程2个专业学位硕士点；矿业工程博士点为学校首个一级学科博士点，矿业工程学科属河南省一级重点学科。在以往的矿业工程专业硕士研究生培养过程中，研究生选课存在过于随意和松散，与以往所学的本科基础课程重叠等情况。例如，资源与环境方向的研究生缺少采矿学、矿井通风与安全和矿山压力及其控制等方面课程，可能会影响他们的课程掌握情况以及未来就业的拓展需求。同时，部分研究生课程存在不同程度的重叠和交叉，造成教学资源浪费，教学和科研间联系不够密切，煤矿现场矿井动力灾害案例分析内容缺乏等问题。

（一）国内外矿井动力灾害研究生课程案例教学体系构建概况

总结国内外矿井动力灾害研究生课程案例教学体系构建概况，发现目前与矿井动力灾害教学相关的资料多注重理论知识的讲解，另外一些面向现场技术工人的培训手册过于烦琐且缺少对相关动力灾害监测预警和防治方法的系统化介绍。

（二）矿井动力灾害研究生课程案例教学体系特色

煤矿开采智能化、无人化是我国煤炭工业的发展方向，实时、高精度、高可靠、非接触式矿压显现监测方法不仅是煤矿动力灾害监测预警的重要手段，同时也是未来煤矿从业人员必须掌握的关键技术。“矿井动力灾害”课程以矿井动力灾害实时监测预警为目标，使学生在掌握煤矿动力灾害诱发机理的基础上，学习现代化实时、远距离矿压显现数据监测方法，结合5G信号传输、大数据融合分析，实时分析确实矿井煤岩体危险性，课程以实际案例为主体，系统分析各种现代化监测手段的应用过程，让学生能更加清晰、更为深刻地理解煤矿深部动力灾害监测、预警及防治技术，激发学生的创造能力和主动性，提高教学效果，同时为将来的工作打下坚实基础。“矿井动力灾害”研究生课程组成员均参与了多项煤矿深部动力灾害监测预警项目，在教学过程中紧密结合现场实际，已尝试开展了大量的产学研项目，积累了丰富的实践经验。教学中发现以实际案例讲授各类矿井监测技术效果较好，学生积极性高，课堂氛围活跃，为完成本案例教学体系的构建提供了坚实基础。

（三）课程案例教学体系构建框架

近年来，一方面积极探索构建课程案例教学体系，同时注重各案例教学的模块化使用，因此在教学过程中打破原有学科的知识体系，将各案例和知识点按照各种不同需求进行组合排列，形成教学案例模块化单元，实现了教学内容的有机组合。矿业工程研究生通过本科阶段学习了相关基础课程，如“煤矿开采学I”“井巷工程”“GIS空间数据库”“煤层气开发概论”“岩体力学与工程”“矿山压力及其控制”等，对基础的煤矿开采相关理论和煤与瓦斯突出相关知识点的介绍进行了初步的掌握。研究生阶段除了学校的公共课程外，以“现代测试技术”（32学时）、“高等工程力学”（32学时）、“数值分析方法及应用”（32学时）、“矿山压力及其控制”（46学时）、“煤矿开采学”（46学时）、“试验设计与数据处理”（16学时）、“巷道围岩控制原理”（32学时）为专业学位课，同时开设了“煤地质学”（32学时）、“煤层气开采工程”（32学时）、“采矿技术前沿进展”（16学时）、“巷道支护技术原理”（32学时）、“微震数据滤波分析”（16学时）、“煤矿岩层控制原理”（16学时）、“非线性突变与混沌理论”（32学时）等各类选修课程，辅助以“科技论文写作”（16学时）等，注重课程学科的基础理论，并兼顾学科的前沿发展动态。

另一方面，在课程案例教学体系构建内容和相关知识点中，始终以煤矿动力灾害形成机理及预警防治技术为核心，以冲击地压扰动响应失稳理论和煤矿瓦斯动力灾害防治理论及控制技术为主要内容，涉及煤矿冲击地压形成理论、预测、防治、复合灾害以及含瓦斯煤岩破裂及渗透性特征、瓦斯抽放与治理技术等知识点，使研究生熟悉并掌握当前冲击地压和煤矿瓦斯动力灾害的最新监测和预警防治方法。案例建设以矿井动力灾害监测、预警和防治方法为中心，包含“2类知识点，22个实用案例”，通过介绍深部矿井动力灾害诱发机制，分析各类动力灾害前兆信息，进而将不同仪器监测原理、使用方法、注意事项融入到一个个实际案例中，学习掌握冲击地压扰动响应失稳理论和煤矿瓦斯动力灾害防控技术。本案例库主要内容及相关知识点如下：（1）冲击地压机理知识点；（2）煤与瓦斯突出知识点；（3）冲击地压、岩爆、矿震对比分析案例；（4）煤柱冲击地压典型案例；（5）采煤工作面冲击地压典型案例；（6）巷道冲击地压典型案例；（7）坚硬及巨厚砾岩顶板断裂型冲击地压典型案例；（8）断层错动型冲击地压典型案例；（9）冲击地压发生突跳、延迟的典型案例；（10）冲击地压过程煤岩破坏局部化及破裂分区化案例；（11）冲击地压危险性区域预测案例；（12）冲击地压微震监测案例；（13）冲击地压危险性电荷监测案例；（14）冲击地压局部性防治措施效果考察案例；（15）防冲吸能支护方法及效果考察典型案例；（16）开采保护层卸压范围考察案例；（17）预抽煤层瓦斯防突效果考察案例；（18）松动爆破防突效果考察案例；（19）钻孔排放瓦斯控制范围考察案例；（20）水力冲孔卸压范围考察案例；（21）采前预抽煤层瓦斯典型案例；（22）抽采开采煤层瓦斯典型案例；（23）采空区瓦斯抽采范围考察案例；（24）采煤工作面上隅角瓦斯积聚诱发瓦斯爆炸典型案例。

各案例融合典型矿井的现场图片或相关视频为导入，结合讲授的知识点介绍各案例的考察范围及其原理，并将案例类型划分为解释型案例，如案例库（1）冲击地压机理知识点和（2）煤与瓦斯突出知识点，解释这两种典型动力灾害的发生过程及其特征，并对比分析其区别和联系。此外，还有衔接型案例，如案例库（11）冲击地压危险性区域预测案例、（12）冲击地压微震监测案例、（13）冲击地压危险性电荷监测案例、（14）冲击地压局部性防治措施效果考察案例等，属于顺次衔接，层层递进，首先进行案例（11）的分析，进行冲击地压危险区域的预警和预测分析，然后重点分析监测手段中最为常用的现场微震监测方法及其监测的结果分析，辅以同类监测方法如电荷监测的相关介绍，最后针对性地提出冲击地压危险区域的预警和预测分析，以及防治方法。最后，还有分析型案例，如案例库（3）～（7）等，其实现了知识点的由点到线、由线到面的延伸拓展，不断深入逐渐阐述相关案例的发生条件和相关原理及防治方法。

由于“矿井动力灾害”课程的内容要求，导致其具有与煤矿现场紧密结合实践性较强的特点。而“矿井动力灾害”课程组教师长期致力于煤矿深部动力灾害监测、预警及防治工作，长期深入徐州矿务集团、兖矿集团、开滦集团、中国平煤神马集团、皖北矿业集团、淮南矿业集团、大同矿业集团等煤矿企业下属矿井开展冲击地压、煤与瓦斯突出防治工作，具备丰富的理论及实践知识；并且参与多项与煤矿深部动力灾害防治相关的纵、横向课题，对煤岩冲击倾向性鉴定、微震监测、电磁辐射监测、声发射监测、电法监测、钻屑量监测、瓦斯压力测定、瓦斯含量测定、在线应力计监测等方法有较深入理解，因此可以在课程案例讲授过程中，将各种相关的测试及仪器使用方法给研究生做更为详尽的介绍。

结语

结合“矿井动力灾害”研究生课程的定位以及实践性和应用性较强的特点，结合当前采矿工程专业的发展方向及趋势，针对性地提出了案例教学体系构建及其教学优化模式，为矿业工程研究生深入理解掌握矿井动力灾害的基础理论提供了更为多样化的学习路径。教学实践表明，该教学模式不受传统教学中时间和空间的限制，通过将丰富生动的现场案例分析、前沿的现代化监测技术以及穿插在课堂中的思政元素及安全工程相关方法等教学内容的有机结合，激发了学生的学习兴趣，有助于学生对课程内容的深入理解和掌握，教学效果良好。