（1）专业与年级

        本实验项目重点面向安全工程专业本科学生，获取《煤岩动力灾害防治》课程的针对高瓦斯突出煤层石门安全揭煤的关键知识点，兼顾安全工程专业课程学习要求，也可以为本科生、研究生开展科学研究提供模拟环境。

（2）基本知识和能力

        在使用本虚拟仿真实验学习前，对于参加实验和实践的学生，要求学生已经较系统的学习《煤岩动力灾害防治》课程，对于参加工程实践和实习的学生，要求学生具有煤岩动力灾害防治及矿井瓦斯防治的基本知识。

一、项目负责人简介

 王恩元，博士、教授，博士生导师。中国矿业大学安全工程学院院长，煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室主任，中国矿业大学国家安全生产检测检验中心（甲级）主任；全国高校安全科学与工程院长联合会副主席，中国职业健康协会理事，中国煤炭学会煤矿动力灾害防治专业委员会委员，中国煤炭工业技术委员会防冲击地压专家委员会专家，《中国矿业大学学报》、《煤田地质与勘探》等学术期刊编委；。国务院院政府特殊津贴获得者，新世纪百千万人才工程国家级人选，全国优秀博士学位论文指导教师；主要从事煤岩动力灾害防控、地球物理监测与多场耦合、安全监测与大数据分析、智能预警等方面的教学和科研工作；主讲《煤岩动力灾害防治》（课程负责人）、《含瓦斯煤岩灾害动力学》、《安全专业实验》等本科生课程和《煤岩地球物理学》、《煤与瓦斯突出机理与防治技术》、《学术前沿讲座》等研究生课程；主持煤炭高等教育“十三五”规划教材建设课题1项、中国矿业大学专业建设、研究生教育教学改革研究与实践项目、本科教育教学改革与课程建设项目各1项，发表教学论文3篇，主编煤炭高等教育“十三五”规划教材1部，参编普通高等教育“十一五”国家级规划教材1部，获江苏省教育科学优秀成果奖一等奖、二等奖各1项；主持完成国家自然科学基金基础研究仪器专项、国家科技成果重点推广计划项目、国家自然科学基金项目、国家“973计划”、国家“十五”~“十三五”科技攻关和支撑计划项目专题等国家级项目20余项，正在主持国家自然科学基金重点项目、山东省重点研发计划（重大科技创新工程）课题等；荣获孙越崎青年科技奖、江苏省十大青年科技之星，入选教育部新世纪优秀人才计划、煤炭工业技术创新优秀人才、江苏省“333工程”中青年科技领军人才、江苏省优秀博士学位论文、江苏省新长征突击手标兵、中国矿业大学“学高为师、德高为范—我心目中的好导师”；出版专著5部，发表学术论文200余篇，其中被SCI收录74篇，EI收录120篇；获国家科技进步二等奖1项，中国专利优秀奖１项，省部级二等以上奖励10多项，授权国家发明专利30余项。

（1）主持教学研究课题

  ①、煤岩动力灾害防治理论与技术，煤炭高等教育“十三五”规划教材建设，中国煤炭教育协会，2016-2018.

  ②、基于“双一流”建设目标的安全学科《工程伦理》课程建设研究与实践，中国矿业大学研究生教育教学改革研究与实践项目，2019-2021.

  ③、国家级一流本科专业建设点（安全工程）负责人，中国矿业大学，2019-2020；

  ④、《煤岩动力灾害防治》课程建设及教学实践研究，中国矿业大学教育教学改革与课程建设项目，2017-2019.

（2）教学研究论文

   ①、徐剑坤, 王恩元, 习丹阳, 等. 矿业工程多专业融合数字场景体验式教学方法[J].实验技术与管理. 2021,38(01):202-206+216.

   ②、刘晓斐, 王恩元, 李忠辉, 等. 矿大安全学科研究生国际联合培养模式研究[C].第31届全国高校安全科学与工程学术年会暨第13届全国安全工程领域专业学位研究生教育研讨会论文集. 2019: 6.

   ③、李忠辉, 王恩元, 赵恩来, 等. 提高大学生专业认同感研究及其对国内大学的启示-以西弗吉尼亚大学(WVU)Mining Engineering为例[J]. 高教学刊, 2019(12): 9-10+14.

   ④、刘晓斐, 王恩元, 李忠辉, 等. 安全工程专业本科选修课程《煤岩动力灾害防治》建设研究[J]. 高教学刊, 2017(21): 85-87.

（3）所获教学表彰/奖励

   ①、庆祝中华人民共和国成立70周年纪念章，2019年.

   ②、寓创于学的矿业安全创新人才培养体系建设，江苏省教育科学优秀成果奖一等奖，2013年，排名第5.

   ③、研究生创新教育研究与实践，江苏省教育科学优秀成果奖二等奖，2011年，排名第3.

（4）相关软件著作权

  ①、高瓦斯突出煤层石门揭煤虚拟仿真实验教学软件V1.0，登记号2020SR1251056，登记时间2020.11.9.

二、学术研究情况

（1）承担学术研究课题

①、冲击-瓦斯复合动力灾害及智能预测与精准防控基础研究，国家自然科学基金重点项目，2020.01-2024.12，项目负责人.

②、含瓦斯煤冲击破坏动力学行为及机制研究，国家自然科学基金面上项目，2015.01-2019.12，项目负责人.

③、基于矿山安全云的事故灾害预警安全生产综合管控平台，山东省重大科技创新工程项目，2019.01-2021.12，子课题负责人.

④、冲击地压电-震耦合监测预警原理与方法，国家自然科学基金重点项目，2017.01-2021.12，子课题负责人.

⑤、开采扰动下多物理场耦合煤岩冲击失稳的动力学机理，国家重点研发计划项目，2016.07-2019.06，子课题负责人.

（2）在国内外公开发行刊物上发表的学术论文

①、王恩元, 冯俊军, 张奇明,等. 冲击地压应力波作用机理[J]. 煤炭学报, 2020, 45(1):100-110（第1、通讯作者，EI收录）.

②、王恩元, 冯俊军, 孔祥国,等. 坚硬顶板断裂震源模型及应力波远场震动效应[J]. 采矿与安全工程学报, 2018, 35(4):787-794（第1、通讯作者，EI收录）.

③、王恩元, 刘晓斐, 何学秋,等. 煤岩动力灾害声电协同监测技术及预警应用[J]. 中国矿业大学学报, 2018, 47(5):942-948（第1作者，EI收录）.

④、Li D, Wang E, Kong X, et al. Mechanical behaviors and acoustic emission fractal characteristics of coal specimens with a pre-existing flaw of various inclinations under uniaxial compression[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2019, 116: 38-51（通讯作者，SCI 收录）.

⑤、Wang E, Chen P, Liu Z, et al. Fine detection technology of gas outburst area based on direct current method in Zhuxianzhuang Coal Mine, China[J]. Safety science, 2019, 115: 12-18.（第1作者，SCI 收录）.

（3）获得的学术研究表彰/奖励

①、煤矿冲击矿压电磁辐射监测预警技术与装备及其应用，国家科学技术进步奖二等奖，排名第2，2006年.

②、突出危险煤层直流电法响应特征与精细化探测技术，第一届安全科技进步奖二等奖，中国安全生产协会，排名第2，2019年.

③、煤与瓦斯突出声电瓦斯综合化监测预警技术，绿色矿山科学技术奖一等奖，中关村绿色矿山产业联盟，排名第3，2018年.

④、煤矿区冲击地压发生主控因素与分类防治技术研究，中国职业安全健康协会科学技术奖一等奖，中国职业安全健康协会，排名第7，2018年.

⑤、突出危险煤层水力化区域消突新理论与技术，中国职业安全健康协会科学技术奖二等奖，中国职业安全健康协会，排名第2，2017年.

       中国矿业大学安全科学与工程学科始于1952年北京矿业学院通风安全教研室，1982年在国内首设矿山通风与安全本科专业，为我国第一个具有安全技术及工程本、硕、博三级学位教育的学科（1986年），最早获批安全技术及工程国家重点学科（2001年）、985工程优势学科创新平台建设学科、长江学者奖励计划特聘教授设岗学科。第三轮学科评估排名第一，第四轮学科评估A+，是国家“双一流”建设学科。现为国务院安全学科评议组联合召集单位，矿井通风专业委员会和城市轨道交通消防安全专业委员会创建单位。目前我校“安全科学与工程”学科建设有安全工程、消防工程和职业卫生工程3个本科专业，其中安全工程专业入选国家一流本科专业建设点、江苏省级品牌专业（一期、二期）建设工程、国家级“第二类特色专业建设点”等。

      《煤岩动力灾害防治》课程是安全工程专业的专业主干课程。该课程以当前国内外煤矿开采所面临的复杂的煤岩瓦斯动力灾害为对象，系统介绍当前煤岩瓦斯动力灾害（煤与瓦斯突出和冲击地压等）理论和预防技术方面的相关专业知识；通过该课程的学习，使学生了解煤岩动力灾害及防治技术的发展过程及发展趋势，了解国内外煤矿动力灾害防治的最新理论和技术，了解我国与煤岩动力灾害相关的国家及行政部门法律法规、行业规范规定等；使学生具有运用现代科学技术及方法手段开展监测、预报和治理煤岩动力灾害的能力，具备设计和制定煤岩动力灾害防治技术及措施的能力，具备防治煤岩动力灾害的管理能力。

        煤炭是我国的主体能源，截至2019年，全国煤炭消费量占一次能源消费的比重依然高达50%以上。随着煤炭开采深度的逐年增加，地应力与瓦斯压力不增增大，煤与瓦斯突出危险性也随之增高。我国是世界上突出灾害最严重的国家，自1950年吉林省辽源矿务局发生第一次突出事故以来，70年间共发生突出18000余次，占世界总突出次数的40%以上，平均每次突出煤岩量77.5 t，每次突出瓦斯量1.45万m3。石门揭煤是指在井工煤矿巷道掘进遇到煤层时，揭露煤层的过程。在煤层顶底板揭开和穿过煤层的过程中，由于岩柱的突然破碎，煤体的应力状态和瓦斯赋存状态突然改变，富含瓦斯的煤层在地应力和瓦斯压力的共同作用下极易发生失稳，造成煤与瓦斯突出事故。根据事故统计，石门揭煤工作面突出平均强度为其他各类巷道平均突出强度的6倍以上，超过80%的千吨级以上特大型突出都发生在石门揭煤过程中。 2004年10月20日，河南郑煤集团大平煤矿21轨道下山岩石掘进工作面发生煤与瓦斯突出事故，突出煤岩量约1894 t，瓦斯量25万m3，同时诱发特别重大瓦斯爆炸事故，死亡148人（图1）。此外，石门揭煤是井工矿井生产过程中最为常见的工程之一，其揭煤防突程序和工艺流程极其复杂，因此，如何确保高瓦斯突出煤层石门安全揭煤是煤炭行业安全生产的迫切需求。

图1 大平煤矿煤与瓦斯突出事故

      然而，煤与瓦斯突出具有突发性、破坏性和隐蔽性，它能在数秒至数十秒内，由煤体向巷道或采场突然喷出大量的瓦斯及煤岩，并伴随一定的动力效应，如推倒矿车、破坏支架等，喷出的煤粉可以充填数百米长的巷道，喷出的煤粉-瓦斯流有时带有暴风般的性质，瓦斯可以逆风流运行，充满数千米长的巷道。学生无法在高瓦斯突出煤层现场开展真实石门安全揭煤实验项目。目前的实验手段主要是模型参观和模拟演示，教学手段落后，且更新缓慢，多数模型与真实矿井相去甚远；学生靠教师讲解获取信息，教学方式被动，学生参与度低，这种教学模式无法满足“新工科”背景下学生实践教学的要求。因此，急需开展高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验，让学生在“不下井、不停产、无危险”的环境下完成相关实验。

一、设计理论

本实验项目，结合《煤岩动力灾害防治》课程内容及要求开发虚拟仿真平台，构建高仿真度的虚拟实验环境和实验对象，学生利用三维软件及键盘鼠标等输入设备，开展矿井认知、工艺理论、流程实践和知识测试等环节的虚拟仿真实验，包含揭煤前探分析、区域四位一体、局部四位一体、远距离揭煤4个知识模块，共计12个知识点，如图2所示。

                                               图2实验项目知识结构图

1）、揭煤前探分析模块

本模块包括石门揭煤的定义、前探钻孔探煤共2个知识点，主要是让学生了解石门揭煤的相关概念，石门揭煤突出的特点、危险性及分类。掌握前探钻孔探煤的意义、要求及原理。

图3区域四位一体模块知识点

2）、区域四位一体模块

本模块包括区域预测、区域防突措施、区域措施效果检验及区域验证共4个知识点（图3），主要是让学生掌握区域突出危险性预测、区域措施效果检验及区域验证的指标和方法，掌握区域性防突措施及煤层增透的原理和步骤，让学生在交互性操作的过程中深刻理解并系统掌握区域综合防突技术的流程及原理。

图4局部四位一体模块知识点

4）、远距离揭煤模块

本模块包括远距离爆破揭煤1个知识点，主要是让学生掌握远距离爆破安全揭煤的工艺流程、注意事项及施工参数，让学生在交互性操作的过程中意识到严格按照规定确定爆破参数（爆破范围、爆破时间、人员位置）的重要性和必要性。

二、理论设计原理图

三、系统架构图

       在安全工程专业主干课程《煤岩动力灾害防治》中选取工程现场难以开展的煤与瓦斯突出及防治实验，并结合高瓦斯突出煤层石门揭煤复杂系统工程这一背景，设计了高瓦斯突出煤层石门安全揭煤虚拟仿真实验项目。本实验项目依托安全科学与工程国家“双一流”学科、A+学科与江苏省优势学科、安全工程江苏省品牌专业与江苏省实验教学示范中心的优势资源与专业技术力量，并联合软件开发服务企业开展建设。

       本项目通过梳理煤与瓦斯突出及防治的知识点，构建知识图谱，运用虚拟现实与系统仿真技术，以具体工程背景与工程实践为依据，吸收最新科研成果与工程技术应用案例，建立了虚拟现实教学场景。学生以与虚拟现实场景的互动为手段，通过矿井认知、工艺理论、流程实践和知识测试等多个实验教学环节，可完成设备认知、设备控制、实验操作、预测方法等知识的学习，达到以下教学目标：

     （1）建立矿井生产系统三维认知。通过对矿井真实环境及石门揭煤工作面的三维仿真模拟，引导学生认知工业广场、井下巷道及石门揭煤工作面设备及生产系统。

     （2）了解石门揭煤诱发突出机理。通过对石门揭煤流程的熟悉，了解石门揭煤诱发突出机理及煤与瓦斯突出分类。

     （3）熟悉突出煤层石门揭煤流程。熟悉两个“四位一体”的概念及内含，包括区域综合防突工作程序和要求、局部综合防突工作程序及要求。

     （4）掌握突出判定指标测试方法。掌握包括煤与瓦斯突出危险性预测、效果检验、验证的各项指标（瓦斯压力、瓦斯含量、钻屑指标等）及其测试步骤和方法。

     （5）掌握煤与瓦斯突出防治工艺。掌握前探、钻机打钻、注浆泵注浆、金属骨架安装等主要设备的操作步骤并能实验操作。了解不同煤层增透措施（水力割缝、水力造穴等）的增透原理、操作要求以及适应条件。

     （6）具备解决现场实际问题能力。通过完整系统地交互式三维仿真操作实验，培养学生具备运用现代科学技术及方法开展监测、预报和治理突出灾害以及高瓦斯突出煤层石门安全揭煤工程实践能力。

 将实验预习、实验操作、实验结果、实验报告“四位一体”全面考核和评价学生的学习成效。集体考核要求、评分细则和比例见表1。

                  表1虚拟仿真实验考核要求以及评分细则表