数字矿山模型创建及其在采矿专业教学中的应用

林吉飞，乔登攀，董 娟，汤 丽，林 友，程 涌，刘 聪

(1.昆明冶金高等专科学校冶金与矿业学院，云南 昆明 650033；2.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

1 高职采矿专业教学现状

随着移动互联网、物联网、云计算和大数据等技术的发展，新一代信息技术为全球工程教育带来了经济变革和发展的新途径。我国实施国家创新驱动发展、“中国制造2025”“互联网+”等重大战略，进一步促进了创新发展[1]。采矿行业发展方向是矿山数字化、设备大型化、自动化、智能化、无人化等，近期有色金属行业推广了矿山开采数字技术应用职业技能等级证书。

目前，企业对采矿专业人才招聘的条件和要求越来越高，用人形式逐步从注重学历向注重能力及稳定性方面转变。如何适应社会发展，培养出满足企业要求的学生，是高职院校采矿专业应该思考的首要问题。受到资源赋存状况的制约，矿井开采系统、工艺方法、巷道布置、生产衔接十分复杂，它的学习更加强调系统性、综合性和实践性，单一的课程、教材、课件、试验不能完全涵盖教学目标，只能通过实习加深理解、加速掌握、深化拓展、综合应用[2]。教师在培养学生过程中更要注重巩固基础知识、培养兴趣、架构采矿知识背景以及锤炼专业品质4个方面[3-9]。

针对现有如生产实习时间不足、教学模型陈旧不灵活、师生互动性差、可扩展性弱等教学存在的困难，采矿专业教学应充分发挥计算机可视化、快速计算、专业性强的特点；同时为推动高等职业教育创新发展行动计划(2015—2018年)项目“矿山开采虚拟仿真实践教学中心”“矿业技术科技协同创新中心”“矿业工程‘双师型’教师培训基地”等建设，我院于2016—2018年开展数字矿山模型创建及应用建设工作，完成地下矿山模型创建及应用专题、矿井通风系统网络解算模型创建及应用专题、露天矿山三维境界优化模型创建及应用专题等工作，并将成果陆续应用于专业课程教学中，提升专业教学质量。

2 数字矿山模型创建成果介绍

图1 矿山三维基础模型实体复合图Fig.1 Entity composite diagram of 3D basic model of mine

2.1 三维基础模型创建

以全国数字矿山三维建模与应用大赛基础资料为基础，建立了包括矿山地表模型、地质钻孔数据库、断层模型、矿体模型、地下井巷工程模型等三维基础模型，如图1所示。

2.2 地下矿模型应用——地质

建模成果输出包括估值文件、块段估值、资源量评价、地质图件输出，如图2所示，先对所有块段的废石进行估值，然后将矿石的赋值覆盖废石，最终形成估值后的块段模型。

图2 块段模型出图后属性配色(按照Fe矿体品位配色)

图3 等高线加密测点DTM模型Fig.3 DTM model of contour encryption measuring points

2.3 地下矿模型应用——测量

包括地表测点文件建模、步距法测点文件模型、断面法测点文件模型、腰线法测点文件模型、极坐标法测点文件模型等。通过现状数据的导入、现状模型的生成，由实测数据生成实测巷道模型并进行巷道工程量计算及平面图输出。其中等高线加密测点DTM模型如图3所示。

2.4 地下矿模型应用——地下采矿

针对 -160 m 中段矿体，完成了包括开拓系统设计及成果输出、采矿方法三维设计及成果输出、中深孔爆破三维设计及成果输出等，如图4所示。

2.5 露天矿开采技术教材案例三维模型构建

以我校露天矿开采技术课程设计资料为基础，建立了露天矿开采三维模型,包括平面图导入、剖面图导入、地形模型创建、断层模型创建、矿体模型创建、露天矿三维境界模型构建、露天矿台阶爆破三维设计、竖井开拓系统模型创建、斜井开拓系统模型创建、斜坡道开拓系统模型创建，如图5所示。

2.6 通风系统三维网络解算及方案优化

针对云南某铅锌矿建立通风系统网络模型，如图6所示。在搜集整理矿山井巷断面、三维开拓系统、实测巷道风阻等基础上，进行网络解算，优化设计风机、风门、风墙、风窗等动力设施和通风构筑物，优化矿井风流分配。

图4 地下矿山开采设计模型

图5 露天矿开采三维模型

图6 通风网络解算步骤及成果

2.7 下一步建设计划

目前所建立的数字矿山模型成果基本满足专业课程教学需求，但我校“金属与非金属矿开采技术专业”近期已经更名为“智能开采技术”。数字矿山模型应结合智能开采技术课程体系进一步丰富资源，如关于露天矿山边坡稳定性分析和地下矿山采场稳定性分析的Flac3D数值计算案例开发、智能矿山建设需要的三维管控平台模型开发等。

3 数字矿山模型在教学过程中的应用情况

3.1 革新教学手段，促进教学相长

成果涵盖地质、测量、地下开采、露天开采等模型，累计近100个模型，主要服务采矿、地质、安全等专业。成果推动了全国高职采矿专业教学标准和顶岗实习标准的制定,在矿山地质学、井巷工程、爆破工程、地下矿开采技术、露天矿开采技术、矿井通风、矿山设计原理7门专业核心课程均有应用。我院教学活动围绕成果展开，课前先让学生结合成果预习知识，课中教师利用成果进行教学，课后学生利用成果加强专业知识学习和课程实践，极大提高了教学效果，受到学生好评。

3.2 搭建虚拟实践环境，促进学生实训

2017年开始采矿专业大一、大二学生到矿山实习之前，学院结合成果充分了解实习矿山的生产系统和关键问题，更加充分地了解其生产实际情况，极大地提高了实习效果。2018年至今每年均有20余名采矿专业学生通过三维矿业软件成果进行课程设计、毕业设计和生产实习，掌握了专业知识，提升了专业技能。

3.3 服务生产，促进企业创新创效

目前矿山普遍存在数字矿山建模人才缺口大、高水平技能人才流动大的情况，矿山生产技术人员的数字矿山建模技能水平不高和生产管理手段单一，需要通过技能培训加强。课题组利用寒暑假时间和学生校外实习时间到矿山一线，以成果为基础，交流数字矿山建模技术和通风系统管理技术。通过签订横向课题和申请纵向课题，加强校企沟通、促进实训基地建设。以学校合作实训基地自走铁矿为例，矿山原采用二维管理模式需10人次的工作任务，在学习建模技术后降低为4人次任务；矿山根据经验管控通风系统，改为以通风系统网络解算成果指导生产，优化控风，节约了电费，提高了效率。

3.4 促进了青年教师交流、提高了青年教师专业水平和教学能力

团队青年教师都是从高校毕业后就参加工作，缺乏生产实践锻炼。团队成员围绕成果，参加教学能力大赛获校级奖项、主持厅级校级课题6项，开展校企合作开发1项(已结题，经费10万元)，参与行业数字矿山建设(自走铁矿、大姚铜矿等)，取得丰硕成果，编写教材4本、发表论文10余篇、职称晋升4人。

3.5 推动学校“双高计划”建设

2018年起以成果为基础开设了数字矿山建模课程；作为主持单位之一，于2019年6月—2020年11月推动完成“‘1+X’矿山开采数字技术应用职业技能等级证书”标准建设、教材编写、考评制度建设等工作，并成为首批证书考核站点；并于2020年12月完成首批学生的职业技能等级证书考评，有力推动了学校“双高计划”建设。

4 创新点

1)资料详实生动，成果全面系统，促进专业教学技术手段革新。数字矿山建模成果是矿山信息化建设的基础。团队以数字矿山建模大赛案例数据、露天矿开采课程案例数据、云南省某铅锌矿生产数据等为基础，形成的成果涵盖地质、测量、采矿、通风等方向，促进了专业课程教学资源建设和教学模式改革。

2)项目式展开，可扩展性强，丰富了学生课余活动。成果按照“输入—处理—输出”的逻辑思路，梳理专业知识和建模流程，注重对基础资料的解读、操作步骤的分解和建模成果的表达，学习难度低，操作性强，可扩展性强。学生利用成果开展专项实训任务、举办技能大比武、参加大学生课外学术科技节等活动，丰富了课余活动,提高了专业技能。

3)紧跟矿山生产应用，服务企业和师生，提升教学质量。成果结合矿山开展数字矿山建设和通风系统管理，立足于矿山、服务于矿山，紧跟行业需求，提高教师教学能力和学生学习能力，围绕信息化建设，打通高校与企业的行业衔接，既锻炼了学生实际动手能力，也有效促进学生对专业知识的理解，为学生就业后更快融入生产实际工作打下坚实的基础，充分克服了学生不能到矿山生产一线学习专业知识的困难，提高了学生的学习兴趣。

4)提升校企服务能力，促进学校“双高计划”建设。学院以数字矿山模型创建、矿井通风网络解算技能培训为契机，加强校企交流，培养企业员工技能，促进了自走铁矿等矿山企业数字化矿山建设工作，推动并参与了“1+X”矿山开采数字技术应用职业技能等级证书建设及考核工作，提升了学校的知名度，从而有力推动学校培养学生、服务企业等“双高计划”建设任务开展，满足教师成长、学生成长、企业员工成长等多方需求。

5 结 论

在新的时代背景条件下，学院主动开发数字矿山模型，助力专业教学，取得了丰硕的成果，为下一步我校采矿专业教学转型升级提供了有力的支撑。在数字矿山模型创建及应用实践过程中，取得如下成果：

1)系统完成了地下矿山模型创建及应用专题、露天矿山三维境界优化模型创建及应用专题、矿井通风系统网络解算模型创建及应用专题等数字矿山模型的创建工作。

2)在专业教学的应用过程中，革新教学手段，促进教学相长；搭建虚拟实践环境，促进学生实训；服务生产，促进企业创新创效；促进了青年教师交流、提高了青年教师专业水平和教学能力；有力推动学校“双高计划”建设。