高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验

高瓦斯突出煤层石门安全揭煤实验指南

石门揭穿突出煤层时易发生最严重的煤与瓦斯突出，严重威胁安全生产。但石门安全揭煤实验教学与实践培训开展困难，教学资源与手段缺乏。为解决这一问题，本项目依据石门安全揭煤这一工程背景，吸收最新科研成果与工程技术应用案例，积极融入课程思政元素，设计教学目标，构建知识体系，采用虚拟现实、系统仿真、“互联网+”等新一代信息技术，开发虚拟仿真实验软件，建立多样化综合性的全流程跟踪评价体系，最终建设高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验项目。教学实践表明该项目拓展了学习者的学习空间与认知范围，打造了场景化、交互式、体验式与融入式的教学模式，利于安全专业一流复合型拔尖人才的培养。

实验步骤

高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验项目主要包括矿井认知、瓦斯治理和实验考核三部分，以及点击各部分内容进行该实验的操作学习，共包括12个主要步骤。

步骤1：矿井认知场景漫游

点击【矿井认知】，自动进入场景漫游。可根据按键提示进行漫游操作。在漫游过程中，将从工业广场到井下煤层、巷道进行宏观展示，再到石门掘进面，介绍石门揭煤的概念、位置、展示石门和煤层的剖面关系。漫游过程中的不同界面如图1至3所示。

图1矿井认知界面一

图2矿井认知界面二

图3石门揭煤工作面

步骤2：工艺理论学习

该模块主要目的是帮助学生掌握对应石门揭煤程序的理论基础知识，为实践操作服务，便于学生在实践操作出现疑问时查阅，对应原理中知识点1。其流程在主界面中，点击【瓦斯治理】，弹出工艺界面，点击【工艺理论】的图片，进入工艺理论模块，如图4所示。点击工艺理论模块中对应的理论的文字进入后，进入对应知识点的理论学习模块，界面如图5所示。

图4工艺理论界面

图5前探理论界面

步骤3：前探钻孔探煤

在主界面中，点击【瓦斯治理】，点击【流程实践】的图片，弹出整个流程图，如图6所示

图6流程图界面

依据揭煤流程，该模块主要是完成知识点2前探钻孔探煤模拟操作，目的是要求学生掌握前探钻孔的施工位置、控制范围及施工步骤。其流程点击【前探钻孔探煤】，进入前探钻孔探煤的界面，完成石门前方煤体的探测工作，如图7所示，按照界面右下角的操作提示点击“前探”按钮，开始进行前探钻孔探煤流程的三维动画演示，如图8所示。在界面中还可以通过鼠标自由旋转查看周围环境和打钻机完整构造。

图7前探钻孔探煤界面

图8前探钻孔探煤演示界面

步骤4：区域预测

前探完成后，学生应分析前探结果，进入区域突出危险性预测模块，该模块对应知识点3，目的是要求学生掌握区域预测的目的、步骤、指标及测试流程，并根据测试结果进行预测，判断煤层的突出危险性。流程为点击【区域预测】，进入区域预测界面，依据区域预测方法，采用瓦斯压力预测石门前方煤体的突出危险性，如图9所示。

图9区域预测界面

为使学生掌握测试设备的组成，学生依据瓦斯压力测试步骤，按照语音和文字提示进行交互操作，依次点击测压设备胶囊管1、伸缩连接管和胶囊管2进行设备展示，如图10所示。

图10胶囊管1展示界面

设备展示完成够，学生可以点击组装设备，移动鼠标用左键点击闪烁发光的设备部件后连接设备，完成设备组装如图11所示。

图11设备组装界面

然后点击注水，根据提示点击闪烁的水泵阀，点击后水泵阀会顺时针旋转打开。胶囊管1会膨胀，如图12所示。

图12放置仪器界面

然后点击注水，根据提示点击闪烁的水泵阀，点击后水泵阀会顺时针旋转打开。胶囊管1会膨胀，如图13所示。

图13水泵阀界面

最后点击注黏液，根据提示点击闪烁的部件，点击把手后将黏液注入到胶囊管2中。完成压力测试封孔，如图14所示。

图14注黏液界面

测试完成后，学生应根据结果，依据提示判断是否有危险性，点击有危险继续进行下一步，点击无危险，预测失误，造成事故，播放煤与瓦斯突出视频及由此可能引发的瓦斯爆炸等次生灾害视频。如图15所示。

图15瓦斯突出界面

测试完毕后，应对设备进行回收，该步骤依次点击粘液泵水压泵的泄压阀、截止阀完成泄压，对水泵及设备回收，如图16所示。

图16泄压界面

步骤5：区域防突措施

该模块是在区域预测的基础上进行，对应知识点4，目的是要求学生掌握区域措施的范围、设计及施工步骤，以及出现原位煤层难以抽采时如何采用强化抽采措施完成消突。该模块流程为点击【区域防突措施】根据按键说明按照语音提示以及文字提示进行交互操作根据左下角指示点击打孔，钻机开始打孔，如图17所示。

图17钻机打钻界面

钻孔施工完毕后，需要学生完成抽采封孔作业，点击封孔，展示封孔过程，如图18所示。

图18封孔界面

封孔完成后，点击预抽瓦斯，将钻孔连接至瓦斯抽采系统，展示瓦斯抽采的效果，如图19所示。

图19 预抽瓦斯界面

抽采过程中原位煤层难以抽采，应采取强化瓦斯抽采方法，根据提示选择：A或者B，对于煤层硬度小的煤层，选择A会提示选择错误，选择B是正确的并展示水力造穴的过程。如图20所示

图20水力造穴界面

根据提示选择：A或者B，对于煤层硬度大透气性差的煤层选择B会提示选择错误，选择A是正确的并展示水力压裂的过程。如图21所示。

步骤6：区域效果检验

区域测试模块完成后，按照流程进行知识点5区域措施效果检验模块操作，该模块主要通过交互操作，要求学生掌握检验钻孔布置及检验指标瓦斯含量的测试步骤，其流程点击【区域效果检验】根据按键说明按照语音提示以及文字提示进行交互操作。界面如图22所示。

图22区域效果检验界面

钻孔施工完毕后，点击闪烁的取样瓶进行取样，如图23所示。

图23井下取样界面

依据瓦斯含量测试标准，点击井下解析，再点击取样瓶以及量筒进行井下解吸，如图24所示。

图24井下解吸界面

在解吸过程中会依次要求进行读数，根据读数在表格内填写解吸量，直接生成解吸量和时间的曲线图。如图25所示。

图25解吸量界面

井下步骤完成后，点击地面解吸跳转到地面实验室，如图26所示

图26地面解吸界面

点击煤样称重，如图27所示。

图27煤样称重界面

点击粉碎解吸量，并点击设备进行煤样的粉碎，如图28所示。

图28粉碎界面

步骤7：区域验证

区域效果检验完成后，依据流程进入知识点6区域验证环节，该模块通过交互操作，要求学生掌握区域验证目的、工序流程、测试指标K₁值或者△h₂的测试方法。其流程为点击【区域验证】根据按键说明按照语音提示以及文字提示进行交互操作。界面如图29所示：

图29区域验证界面

点击连接设备完成设备连接，点解参数设置，按照提示输入测试时间，点击钻孔取样及筛选煤样，完成区域验证的煤样现场制备。然后根据提示点击具体操作，界面如图30所示：

图30区域验证的钻屑解吸指标法测试界面

依据提示，依次点击煤样暴露，输入煤样暴露时间，完成后点击开始测定K₁值，测定完成后，输入对应的参数，根据提示判断煤层是否有突出危险性，然后进入局部防突模块。

步骤8：工作面预测与预警

进入局部防突模块后，依据流程进入知识点7工作面预测与预警操作，该模块通过交互操作，要求学生掌握工作面预测的目的与工序流程，包括钻孔布置、声电瓦斯监测系统（声发射-电磁辐射-瓦斯）布置与操作、煤与瓦斯突出工作预测等。由于工作面预测测试过程与区域验证相同，不在进行重复操作，实验时仅进行预警实验。其流程为点击【工作面预测与预警】根据按键说明按照语音提示以及文字提示进行交互操作。界面如图31所示。

图31工作面预测与预警

进行瓦斯浓度检测。点击瓦斯浓度检测，根据界面文字提示，用鼠标点击按钮操作，如图32所示。

图32瓦斯浓度检测界面

瓦斯浓度检测完毕后，点击电磁辐射检测，监测电磁辐射值变化情况，根据界面文字提示，用鼠标点击按钮操作，如图33所示。

图33电磁辐射检测界面

再后，点击声发射检测，监测声发射值变化情况，根据界面文字提示，用鼠标点击按钮操作，如图34所示。

图34声发射检测界面

声电瓦斯监测系统显示数据异常，有突出危险性。

步骤9：局部（工作面）防突措施

区域验证及工作面预测完成后，依据流程进入知识点8工作面防突措施，该模块通过测试交互操作，要求学生掌握工作面防突措施范围布置、防治方法及钻屑解吸指标K1值或者△h2的测试过程，其流程为点击【局部（工作面）防突措施】根据按键说明按照语音提示以及文字提示进行交互操作，如图35所示。

图35局部（工作面）防突措施界面

点击预抽瓦斯，进行瓦斯抽采的展示，如图36所示。

图36瓦斯抽采界面

由于声电瓦斯监测系统预警异常，预抽瓦斯后进行瓦斯浓度检测，点击瓦斯浓度检测进行瓦斯数值监测，如图37所示。

图37瓦斯浓度检测

点击电磁辐射检测，进行电磁辐射强度检测，如图38所示。

图38电磁辐射检测

点击声发射检测，进行声发射强度检测，如图39所示。

图39声发射检测

声电瓦斯监测显示数据正常，继续作业。

步骤10：局部效果检验

局部措施完成后，依据流程进入知识点9工作面防突措施效果检验和知识10揭煤验证学习，该模块通过测试交互操作，要求学生掌握工作面防突措施效果检验及揭煤验证钻孔的布置方法及钻屑解吸指标K1值或者△h2测试指标测试过程，其流程为点击【局部效果检验】根据按键说明按照语音提示以及文字提示进行三维演示动画的播放，依据前述局部措施效果检验任然采用钻屑解吸指标K1值或者△h2指标进行，如图40所示。