張?jiān)?，馬文頂，嚴(yán)紅，張磊

(中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

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巖層移動(dòng)相似試驗(yàn)教學(xué)方法改革與實(shí)踐

張?jiān)?，馬文頂，嚴(yán)紅，張磊

(中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

摘要：基于巖層移動(dòng)物理相似模擬實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題，采用3DS Max 和Unity 3D等虛擬仿真軟件平臺，研制了巖層移動(dòng)相似試驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，探索了虛擬仿真與物理相似模擬相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：采礦工程；巖層移動(dòng)；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

信息技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用逐步深入，這有力地促進(jìn)了教育模式、教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方式的深刻變革[1,2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是信息技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的具體體現(xiàn)之一，它利用虛擬仿真軟件對實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)對象和實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行模擬，進(jìn)而達(dá)到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果[3-5]。目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法正在全國教育教學(xué)領(lǐng)域普遍推廣應(yīng)用，代表性的行動(dòng)就是在全國高校建設(shè)國家級的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。采礦工程是一個(gè)工程實(shí)踐性比較強(qiáng)的專業(yè)，在采礦工程專業(yè)大學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)中引入虛擬仿真教學(xué)模式，不僅有助于加強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)知識的理解和掌握，還可以拓展學(xué)生的知識面，激發(fā)學(xué)生對先進(jìn)科學(xué)技術(shù)知識的追求[6,7]。

巖層控制理論中的采場頂板活動(dòng)規(guī)律、礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律、巖層移動(dòng)與控制、巷道圍巖變形與控制等問題是采礦工程專業(yè)的核心內(nèi)容[8]。這些內(nèi)容的實(shí)踐性比較強(qiáng)，需要配套相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)來增強(qiáng)學(xué)生對這些知識的理解。物理相似模擬試驗(yàn)方法是基于相似理論的一種實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)方法，特別適合工程巖體的模擬試驗(yàn)，基本能夠展現(xiàn)采礦過程中頂板的活動(dòng)規(guī)律與巖層的變形破壞特征，教學(xué)過程直觀，教學(xué)效果比較好。但是，該方法存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、實(shí)驗(yàn)周期長、材料消耗多、實(shí)驗(yàn)環(huán)境差等問題，不能滿足學(xué)生全過程參與實(shí)驗(yàn)的要求，往往是十幾位同學(xué)做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，很難滿足本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需[9]。因此，有必要對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段進(jìn)行改革探索。

基于巖層移動(dòng)相似試驗(yàn)過程和虛擬仿真技術(shù)，中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心開發(fā)出了巖層移動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，對采用虛實(shí)結(jié)合的方法對巖層移動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行了實(shí)踐探索，取得了良好的效果。

1物理相似試驗(yàn)中存在的問題

物理相似模擬試驗(yàn)方法是采礦工程專業(yè)重要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容之一。但是，由于采礦場所的生產(chǎn)地質(zhì)條件復(fù)雜，物理模型上相對應(yīng)的邊界條件很難設(shè)置，一般需要進(jìn)行簡化處理，基本上只能滿足演示型和驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的要求?？蒲刑剿餍缘奈锢硐嗨茖?shí)驗(yàn)需要考慮很多因素，由于模型試驗(yàn)的局限性，很難在大綱中列為必選的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容?？陀^上，物理相似試驗(yàn)過程中還存在一定的局限性。

一是材料消耗多、實(shí)驗(yàn)成本高。對于一個(gè)普通的平面應(yīng)力模型架，一次實(shí)驗(yàn)需要消耗普通河砂、石膏、CaCO3和云母粉等相似模擬材料1 t以上(對于急傾斜煤層的模型，需要消耗近4 t)，以及各類傳感器(易損耗)等儀器設(shè)備。開出一次實(shí)驗(yàn)，所需相似材料、易損耗儀器設(shè)備、模型人工鋪設(shè)、固體廢棄物處理等費(fèi)用大約為2 000元。假如6人分成一個(gè)組，每個(gè)班級按30人計(jì)算，那么，一個(gè)班級一次試驗(yàn)的花費(fèi)是10 000元。每個(gè)年級共8個(gè)班級，共需80 000元，試驗(yàn)成本非常高。

二是過程環(huán)節(jié)多，實(shí)驗(yàn)周期長。巖層移動(dòng)的相似模擬試驗(yàn)要經(jīng)過試驗(yàn)設(shè)計(jì)、材料配比、相似材料制備、模板架設(shè)、鋪模型、晾干、拆模板、開挖、觀測、拆模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析等流程，整個(gè)過程最短耗時(shí)約2周。自然晾干過程中還需要經(jīng)常觀察模擬巖層的干濕情況，擇時(shí)酌量拆減模板。通風(fēng)條件不好時(shí)，還需要采取輔助通風(fēng)措施。冬天時(shí)，整個(gè)試驗(yàn)過程大約會(huì)持續(xù)1個(gè)月。

三是影響因素多，實(shí)驗(yàn)控制難度大。如果要達(dá)到材料配比表中材料的物理力學(xué)參數(shù)，配比和攪拌過程需要較高精度，否則材料的物理力學(xué)性質(zhì)可能會(huì)有較大的變化；模型鋪設(shè)時(shí)機(jī)、密實(shí)度等需要豐富的經(jīng)驗(yàn)，不同的人進(jìn)行鋪設(shè)，結(jié)果可能差別比較大；模型的干燥程度可能決定著實(shí)驗(yàn)的成敗，受很多因素影響，太濕模型容易垮，太干模型開挖時(shí)頂板懸露面積大?？傊?，影響模型鋪設(shè)過程的因素比較多，需要經(jīng)過大量的試驗(yàn)總結(jié)才能對試驗(yàn)過程進(jìn)行有效控制。

四是勞動(dòng)強(qiáng)度大、實(shí)驗(yàn)環(huán)境差、安全風(fēng)險(xiǎn)高。上千公斤的相似材料需要搬運(yùn)、攪拌和鋪設(shè)，幾百公斤的模板需要安裝和拆卸；模型鋪設(shè)和開挖都需要集中時(shí)間一次性完成，勞動(dòng)量比較集中。模型為金屬框架，比較重，搬運(yùn)、安裝和拆卸過程中容易發(fā)生機(jī)械傷害；實(shí)驗(yàn)配比、攪拌和模型鋪設(shè)過程中產(chǎn)生的粉塵大、地面濕滑；相似材料產(chǎn)生的粉塵容易吸入肺部，對身體健康有一定的影響。

由于存在以上問題，實(shí)驗(yàn)室目前只能勉強(qiáng)保證采礦工程專業(yè)本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作量，要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的開放共享，具有很大的難度。

2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件研制

圖1　巖層移動(dòng)虛擬仿真軟件界面

針對實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的突出問題，采用3DS Max 和Unity 3D等虛擬仿真軟件平臺，研制了相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件(如圖1)。該軟件能夠在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)相似物理實(shí)驗(yàn)中的材料配比、模型鋪設(shè)、邊界加載、開挖、監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析，界面簡單，完整虛擬構(gòu)建了巖層移動(dòng)相似試驗(yàn)的全過程，滿足了采礦工程專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。巖層移動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件主要由虛擬室內(nèi)環(huán)境、材料庫、模型架、工具庫和數(shù)據(jù)采集與分析器共5部分構(gòu)成，他們共同作用完成實(shí)驗(yàn)室中物理相似模擬試驗(yàn)所具有的全部過程模擬。

1)虛擬室內(nèi)環(huán)境。如圖2所示，軟件完全模擬中國礦業(yè)大學(xué)巖層移動(dòng)相似模擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的環(huán)境構(gòu)建，儀器設(shè)備齊全、整齊、直觀，非常逼真。在進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室之前，軟件要求學(xué)生確認(rèn)已經(jīng)了解實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)規(guī)章制度，并熟悉實(shí)驗(yàn)過程。

2)材料庫。材料庫的作用是提供鋪設(shè)模擬巖層需要的材料，不設(shè)巖石名稱，只提供材料配比所需的原材料。選用材料前，先根據(jù)模擬巖層的物理力學(xué)參數(shù)和相似比選擇材料配比號，之后根據(jù)模擬巖層的尺寸進(jìn)行相似材料的配比計(jì)算(見圖3)。在材料配比對話框中輸入重量即可。材料庫中的材料是預(yù)先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證過的，比如遼寧工程技術(shù)大學(xué)所做的沙子、碳酸鈣、石膏配比，都有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。在虛擬環(huán)境中進(jìn)行材料配比試驗(yàn)，對現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)過程是一個(gè)很好的補(bǔ)充。

圖2　虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境

圖3　虛擬材料配比

圖4　虛擬模型架

3)模型架。如圖4所示，虛擬模型架包括平面應(yīng)力模型架和平面應(yīng)變模型架。模型架的主要作用是提供模擬巖層的鋪設(shè)場地，模擬現(xiàn)實(shí)中的模型架制作。平面應(yīng)力模型架的長寬高有效尺寸分別為2 500 mm×200 mm×2 000 mm，主要由底座、油缸、側(cè)擋板、上擋板和模板組成。平面應(yīng)力模型架的有效尺寸分別為800 mm×200 mm×1 000 mm，主要由底座、側(cè)擋板、上擋板、模板和千斤頂組成。油缸和千斤頂?shù)淖饔檬翘峁┥细矌r層的載荷。

4)工具庫。工具庫提供一些模擬過程中需要的工具，有開挖工具、回填工具、支護(hù)工具、應(yīng)力計(jì)模擬器和位移計(jì)模擬器。開挖工具制作成鏟子狀，主要模擬現(xiàn)實(shí)中人工開挖過程；回填工具制作成磚塊狀，模擬現(xiàn)實(shí)中的充填過程；支護(hù)工具制作成支架狀，模擬現(xiàn)實(shí)中的采場支架維護(hù)頂板；應(yīng)力計(jì)模擬器和位移計(jì)模擬器制作成表頭狀，用于安設(shè)在模擬巖層中，監(jiān)測應(yīng)力和位移變化。

5)數(shù)據(jù)采集與分析器。數(shù)據(jù)分析器的主要作用是分析應(yīng)力計(jì)模擬器和位移計(jì)模擬器的數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)查詢和初步分析功能，主要是通過虛擬的計(jì)算機(jī)和界面來體現(xiàn)。

3虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

巖層移動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件開發(fā)以后，進(jìn)一步完善了巖層移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法，充分發(fā)揮了“實(shí)之真、虛之?dāng)M”的優(yōu)點(diǎn)，具體是遵循“虛實(shí)結(jié)合、先虛后實(shí)、先獨(dú)立后合作、先模擬后驗(yàn)證”的原則。

3.1虛實(shí)結(jié)合、先虛后實(shí)

物理相似模擬方法屬于同類模擬，具有過程真實(shí)直觀、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點(diǎn)，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法卻具有物理相似模擬方法不具備的省時(shí)省力、成本低廉、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，虛實(shí)結(jié)合法有助于實(shí)現(xiàn)單一方法缺點(diǎn)的規(guī)避和兩種方法優(yōu)點(diǎn)的配合。物理相似模擬試驗(yàn)開始后，一旦發(fā)現(xiàn)問題，修正成本較高。先開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行物理相似實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生得到了實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，對過程更加熟悉，可以降低物理實(shí)驗(yàn)失誤概率。實(shí)踐過程中，需要適當(dāng)控制虛擬仿真方法的使用比重，真正發(fā)揮虛擬仿真方法對物理相似方法的有效補(bǔ)充作用。

3.2先獨(dú)立后合作

限于實(shí)驗(yàn)室的硬件條件，物理相似模擬試驗(yàn)教學(xué)過程中，只能采取小組的形式，每位同學(xué)只能完成試驗(yàn)中的一部分工作，這樣就無法對實(shí)驗(yàn)全過程有深刻的認(rèn)識。先獨(dú)立開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，后分小組進(jìn)行物理相似實(shí)驗(yàn)，可以彌補(bǔ)這一問題。學(xué)生可以通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對巖層移動(dòng)的物理相似實(shí)驗(yàn)全過程進(jìn)行深入了解，后通過物理相似實(shí)驗(yàn)加深認(rèn)識，并對實(shí)驗(yàn)中的一部分內(nèi)容發(fā)揮主要作用。

3.3先模擬后驗(yàn)證

巖層移動(dòng)物理相似模擬試驗(yàn)?zāi)軌蛘宫F(xiàn)的巖層移動(dòng)特征有限，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也只能與書本或者課堂中學(xué)到的相關(guān)知識進(jìn)行對比。先根據(jù)給定條件開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，對可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一個(gè)大致的了解，然后采用物理相似試驗(yàn)的方法驗(yàn)證虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，既可以豐富實(shí)驗(yàn)過程對巖層移動(dòng)規(guī)律的解釋，又增加了一個(gè)對比環(huán)節(jié)，即虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與物理相似試驗(yàn)結(jié)果對比。通過對比分析，可以加深同學(xué)們對巖層移動(dòng)規(guī)律的理解和掌握。

4結(jié)語

采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充，是新形勢下信息化教學(xué)的重要手段之一。論文論述了物理相似模擬試驗(yàn)方法在巖層移動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的困難，利用計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，設(shè)計(jì)了巖層移動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，探索了虛擬仿真與物理相似模擬相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，完善采礦工程專業(yè)多層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，取得了良好的教學(xué)效果。

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(責(zé)任校對謝宜辰)

doi:10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.05.014

收稿日期：20151002

基金項(xiàng)目：中國礦業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革與建設(shè)課題(2014SY01);江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PPZY2015A046)

作者簡介：張?jiān)?1985-)，男，安徽阜南人，講師，博士，主要從事采礦工程方面的教學(xué)和科研工作。

中圖分類號：G482

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5884(2016)05-0044-04