矿井水害防治虚拟仿真实验指导书
矿井水害防治虚拟仿真实验
矿井水害在我国煤矿生产过程中时有发生，尤其是突水灾害，往往造成巨大的人员伤亡和财产损失，是煤矿重大灾害问题之一。广东大兴煤矿“8.7”特大突水事故造成121人死亡，直接经济损失4725万元。由于矿井水害具有深部不可见、过程不可逆、机理不明确等特点，使得常规模拟难以实现，导致学生感性认识不足，无法达到预期教学效果。为了让学生能够动态、直观、生动地了解水害发生过程，认识水害发生机理、掌握水害防治方法，培养具有专业胜任能力和现场适应能力的水文地质人才，本项目设计了“矿井水害防治虚拟仿真实验”。
本实验系《矿井水害防治》课程的必修实验，依托中国矿业大学在地质学、水文地质学等学科的优势，服务于水文与水资源工程，地质工程，安全工程，采矿工程等专业。本实验坚持“学生中心、问题导向、学科融合、创新实践”的实验教学理念，按照“虚实结合、以虚补实”的原则，以矿井水文地质模型为切入点，选取顶板突水、底板突水、陷落柱突水等典型矿井突水类型，采用3D建模、动画、人机交互等技术自主研发，共4个学时。目前该项目已在中国矿业大学虚拟仿真实验教学平台上线，面向相关专业本科三年级、四年级学生，正逐步向相关院校开放。
本实验具备三种典型突水灾害的虚拟仿真模拟功能，具体包括各类突水灾害的形成机理演示以及模拟仿真实验两大模块。其中，在模拟仿真实验模块，实验者可以自主设计不同的开采条件，系统将根据设计条件进行突水危险性评价并判断是否突水以及演示突水发生过程；实验者还可以结合矿井水害防治相关理论知识，自主设计不同的防治方案，系统将根据设计方案演示防治过程并反馈防治效果。系统将根据实验者的学习过程和设计质量，给出一个评价分数。下图为虚拟仿真实验的主页面。
图1虚拟仿真实验主页面
步骤1：认识顶板突水实验（实验目的、原理、注意事项、步骤）
步骤1：认识顶板突水实验（实验目的、原理、注意事项、步骤）
本实验步骤目的是通过学习实验目的、原理、注意事项、步骤，既能够认识顶板突水实验，又能够掌握顶板突水相关基础理论知识。通过学习，思考存在问题，设计实验方案，参加知识考核。
图2顶板突水实验-认识实验界面
图3客观题目考核界面
步骤2： 通过观察机理演示直观了解顶板突水机理
步骤2：通过观察机理演示直观了解顶板突水机理
本实验步骤目的是通过观察顶板突水机理演示，能够掌握顶板突水机理相关基础理论知识，参加知识考核。
点击“机理演示”选项，则进入顶板突水机理演示应用界面，学生进行学习。随后进入“考核模式”，点击“客观题目”，进行知识考核。
图4顶板突水实验-机理演示界面
步骤3： 通过通过参数设置、模型运行验证，掌握顶板突水原理
步骤3：通过通过参数设置、模型运行验证，掌握顶板突水原理
本实验步骤目的是通过任意设定“顶板隔水层厚度”、“煤层采厚”、“顶板隔水层硬度”不同的参数值，通过模型运行验证，系统反馈是否发生顶板突水，若突水则显示突水场景，若不突水则显示不突水场景。
点击“参数设置”选项，则进入模型参数设置界面。输入相关参数后，模型运行，通过后台计算，反馈是否发生突水。
顶板突水参数设置界面见下图5；顶板突水模型参数验证、顶板未发生突水、顶板发生突水见图6、图7、图8。
图5顶板突水实验-参数设置界面
图6顶板突水模型参数验证
图7顶板未发生突水
图8顶板发生突水
步骤4：通过选择方法并操作具体步骤，掌握顶板突水防治方法
步骤4：通过选择方法并操作具体步骤，掌握顶板突水防治方法
本实验步骤目的是通过选择合适的防治方法，并操作具体防治步骤，系统反馈是否防治成功，从而掌握顶板突水防治方法。
点击“治理方法”选项，选择“预疏放”或者“限厚开采”，则进入相关界面进行具体防治步骤操作，系统反馈是否防治成功。顶板突水治理方法界面见图9，“限厚开采”三个操作步骤见图10、图11、图12；顶板突水防治方法之“预疏放”三个操作步骤“打孔”、“抽水”、“继续开采”见图13、图14、图15。
图9顶板突水实验-治理方法界面
图10顶板突水防治-限厚开采-任意设置煤层厚度参数
图11顶板突水防治-限厚开采-参数设置验证
图12顶板突水防治-限厚开采-系统反馈防治结果
图13顶板突水防治-预疏放-打孔
图14顶板突水防治-预疏放-抽水
图15顶板突水防治-预疏放-继续开采
步骤5：认识底板突水实验（实验目的、原理、注意事项、步骤）
步骤5：认识底板突水实验（实验目的、原理、注意事项、步骤）
本实验步骤目的是通过学习实验目的、原理、注意事项、步骤，既能够认识底板突水实验，又能够掌握底板突水相关基础理论知识。通过学习，思考存在问题，设计实验方案，参加知识考核。
点击“认识实验”选项，则进入实验目的、原理、注意事项、步骤四个应用界面，学生进行学习。随后进入“考核模式”，点击“客观题目”，进行知识考核
图16底板突水实验-认识实验界面
步骤6： 通过观察机理演示直观了解底板突水机理
步骤6：通过观察机理演示直观了解底板突水机理
本实验步骤目的是通过观察底板突水机理演示，能够掌握底板突水机理相关基础理论知识，参加知识考核。
点击“机理演示”选项，则进入底板突水机理演示应用界面，学生进行学习。随后进入“考核模式”，点击“客观题目”，进行知识考核。
图17底板突水实验-机理演示界面
步骤7： 通过通过参数设置、模型运行验证，掌握底板突水原理
步骤7：通过通过参数设置、模型运行验证，掌握底板突水原理
本实验步骤目的是通过任意设定“底板隔水层厚度”、“底板含水层水压”不同的参数值，通过模型运行验证，系统反馈是否发生底板突水，若突水则显示突水场景，若不突水则显示不突水场景。
点击“参数设置”选项，则进入模型参数设置界面。输入相关参数后，模型运行，通过后台计算，反馈是否发生突水。
底板突水参数设置界面、底板突水模型参数验证、底板未发生突水、底板发生突水见图18、图19、图20、图21。
图18底板突水模型参数输入
图19底板突水模型参数验证
图20底板未突水
图21底板突水
步骤8： 通过选择方法并操作具体步骤，掌握底板突水防治方法
步骤8：通过选择方法并操作具体步骤，掌握底板突水防治方法
本实验步骤目的是通过选择合适的防治方法，并操作具体防治步骤，系统反馈是否防治成功，从而掌握底板突水防治方法。
点击“治理方法”选项，选择“含水层改造”或者“疏水降压”，则进入相关界面进行具体防治步骤操作，系统反馈是否防治成功。底板突水治理方法界面见下图22；底板突水防治方法之“含水层改造”三个操作步骤“打孔”、“注浆”、“继续开采”见图23、图24、图25。
图22底板突水实验-治理方法界面
图23底板突水防治-含水层改造-打孔
图24底板突水防治-含水层改造-注浆
图25底板突水防治-含水层改造-继续开采
底板突水防治方法之“疏水降压”具体操作步骤及系统反馈见下图：
图26底板突水防治-疏水降压-打孔
图27底板突水防治-疏水降压-抽水
图28底板突水防治-疏水降压-继续开采
图29底板突水防治-疏水降压-系统反馈
步骤9： 认识陷落柱突水实验（实验目的、原理、注意事项、步骤）
步骤9：认识陷落柱突水实验（实验目的、原理、注意事项、步骤）
本实验步骤目的是通过学习实验目的、原理、注意事项、步骤，既能够认识陷落柱突水实验，又能够掌握陷落柱突水相关基础理论知识。通过学习，思考存在问题，设计实验方案，参加知识考核。
点击“认识实验”选项，则进入实验目的、原理、注意事项、步骤四个应用界面，学生进行学习。随后进入“考核模式”，点击“客观题目”，进行知识考核。
图30陷落柱突水实验-认识实验界面
步骤10： 通过观察机理演示直观了解陷落柱突水机理
步骤10：通过观察机理演示直观了解陷落柱突水机理
本实验步骤目的是通过观察陷落柱突水机理演示，能够掌握陷落柱突水机理相关基础理论知识，参加知识考核。
点击“机理演示”选项，则进入陷落柱突水机理演示应用界面，学生进行学习。随后进入“考核模式”，点击“客观题目”，进行知识考核。
图31陷落柱突水实验-机理演示界面
步骤11： 通过通过参数设置、模型运行验证，掌握底板突水原理
步骤11：通过通过参数设置、模型运行验证，掌握底板突水原理
本实验步骤目的是通过任意设定“陷落柱停采线”、“底板含水层水压”不同的参数值，通过模型运行验证，系统反馈是否发生陷落柱突水。
点击“参数设置”选项，则进入模型参数设置界面。输入相关参数后，模型运行，通过后台计算，反馈是否发生突水。
陷落柱突水参数设置界面、陷落柱突水模型参数验证图32、图33。
图32陷落柱突水模型停采线等参数设置
图33陷落柱突水参数验证
步骤12： 通过选择方法并操作具体步骤，掌握陷落柱突水防治方法
步骤12：通过选择方法并操作具体步骤，掌握陷落柱突水防治方法
本实验步骤目的是通过选择合适的防治方法，并操作具体防治步骤，系统反馈是否防治成功，从而掌握陷落柱突水防治方法。
点击“治理方法”选项，选择“注浆封堵”或者“预留煤柱”，则进入相关界面进行具体防治步骤操作，系统反馈是否防治成功。陷落柱突水治理方法界面见下图34；陷落柱突水防治方法之注浆封堵、预留煤柱、输入预留煤柱长度、系统反馈防治结果，分别见图35、图36、图37、图38。
图34陷落柱突水实验-治理方法界面
图35陷落柱突水防治-注浆封堵
图36陷落柱突水防治-预留煤柱
图37陷落柱突水防治-预留煤柱-输入煤柱长度
图38陷落柱突水防治-预留煤柱-防治结果