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2-1名称

煤矿综采机械及工艺虚拟仿真实验

 

2-2实验目的

煤矿实际生产的特殊性对采矿工程专业人才的应用能力要求极高,而常规教学中仅仅依靠采矿模型、视频及有限的实习实训已经很难满足应用型人才的培养要求。煤矿开采虚拟仿真实验系统是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术,生成三维逼真的矿井虚拟环境,使用者通过头盔、数据手套、键盘、鼠标等输入设备,可以进入矿井虚拟空间进行实时交互,从而使学生“身临其境”的感受煤矿生产工作环境,掌握综合机械化采煤(简称综采)工作面生产设备的操作要领,理解和熟悉综采工艺过程。与传统的教学模式相比,采用虚拟仿真实验可以有效解决常规实验成本高、危险性及难以重复操作等瓶颈问题,达到降低实习费用,缩短教学时间,同时更有利于提高学生的学习兴趣。基于此,本实验目的如下:

1)了解综采工作面的基本布置

了解走向长壁综采工作面的空间构成,包括采煤工作面、运输平巷和回风平巷,具体的细节还包括煤壁、采空区、工作面上端头、工作面下端头、上隅角等,以及综采工作面机械设备的布置。

2)熟悉主要综采机械设备的构造及掌握操作要领

通过三维仿真场景实时漫游和手柄交互控制,展示综采工作面的主要机械装备,包括采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、胶带输送机等设备,熟悉其构造及功能,掌握其操作要领。

3)掌握综采工艺过程及操作技能

通过交互方式学习掌握综采工艺环节中的采煤机进刀方式、割煤方式及液压支架移架方式的不同组合,进行采煤作业操作训练,了解综采放顶煤工艺过程。

2-3实验原理(或对应的知识点)

知识点数量:  5  (个)

井工开采中,采煤工作面是煤矿生产第一线,是煤矿生产的核心和关键。采煤工艺是采煤工作面各工序所用的方法、设备及其在时间上、空间上的配合。采煤的基本过程包括破煤、装煤、运煤、支护、采空区处理等基本工序及其辅助工序。根据工艺的机械化程度,采煤工艺可以分为:爆破采煤工艺、普通机械化采煤工艺和综采工艺。其中综采工艺是采煤工作面破煤、装煤、运煤、支护和处理采空区全部实现机械化的采煤工艺。

综采工艺为本实验项目的重点。

1)综采工作面立体空间构成

在采场内进行采煤的煤层暴露面称为煤壁,又称为采煤工作面。采煤工作面是采煤作业的场地。通过三维仿真场景实时漫游和手柄交互控制,展示走向长壁综采工作面的空间构成,包括采煤工作面、运输平巷和回风平巷,具体的细节还包括煤壁、采空区、工作面上端头、工作面下端头、上隅角等。

2)综采工作面生产系统主要设备布置

通过三维仿真场景实时漫游和手柄交互控制,展示综采工作面的主要设备,包括:

工作面设备:采煤机、自移式液压支架、刮板输送机;

平巷设备:转载机、破碎机、可伸缩胶带机;

液压系统:乳化液泵站、乳化液混溶箱、进回液主管路;

控制系统:控制台、声光信号、扩音电话及线路;

供水系统:冷却水、喷雾泵、水箱、管路;

供电系统:高压供电线路、开关、移动变电站、配电开关、线路;

其它辅助设备:照明、绞车、水泵。

3)综采工作面机械设备构造及工作原理

通过三维仿真及虚拟现实技术动态演示采煤机、刮板输送机和液压支架等主要设备的结构组成,通过交互进行拆解和组合。

采煤机是机械化采煤作业的核心设备,其功能是落煤和装煤,主要由电动机、牵引部、截割部和喷雾降尘、防滑及电缆拖移等其他附属装置组成。

刮板输送机是一种以挠性体作为牵引机构的连续输送机械,它主要用于回采工作面运输。它的牵引机构是刮板链,承载机构是溜槽。刮板输送机主要构件包括:机头及机尾架、溜槽、附件、刮板链和紧链装置等。

在采煤工作面的煤炭生产过程中,为了防止顶板冒落,维持一定的工作空间,保证工作人员的安全和各项作业的正常进行,必须对顶板进行支护,其中综采面采取的是液压支架支护顶板。液压支架按结构形式划分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三种。液压支架的构件一般包括:顶梁、掩护梁、四连杆机构、侧护板、底座、推移装置、护帮装置、防滑防倒装置和立柱。

4)综采工艺过程

通过交互方式改变采煤机进刀方式、割煤方式及液压支架移架方式的不同组合,进行采煤作业的操作训练。

依照采煤工艺过程,以割煤工序为核心,按照割煤、移架和推移刮板输送机的采煤作业过程,在工作面端部进行斜切进刀采煤工艺操作。综采工艺的基本过程:自开切口斜切进刀落煤→调上、下滚筒位置→反向割三角煤→调上、下滚筒位置→向机头(尾)全长割煤→移支架支护→推移刮板输送机→清煤。采煤机在运行中自动把破落的煤装入刮板输送机,由刮板输送机运出工作面。

5综采放顶煤工艺过程

放顶煤工艺是在开采厚煤层时,沿煤层的底板或煤层某一厚度范围内的底部布置一个采高为23m的采煤工作面,用综合机械化方式进行回采,利用矿山压力的作用或辅以松动爆破等方法,使顶煤破碎成散体后,由支架后方或上方的放煤窗口放出,并由刮板运输机运出工作面。通过三维仿真及虚拟现实技术动态模式演示放顶煤的基本工艺过程:采煤机上端头斜切进刀→正常下行割煤→移架→放顶煤→拉后部刮板输送机→采煤机返刀上行清浮煤→推前部刮板输送机→上端头斜切进刀→进入下一循环。

2-4实验仪器设备(装置或软件等)

1)虚拟仿真教学实验平台

虚拟仿真实验教学平台采用B/S架构进行设计开发,根据面向用户角色的不同,分为以下三个子系统进行设计,即通过虚拟仿真实验教学中心的门户网站进行登录后,系统自动进入学生用户子系统、教师用户子系统、实验管理用户子系统三个子系统。

1)学生用户子系统

学生用户子系统功能包括:实验软件、实验资源、实验设计、实验申请、下载实验数据、虚拟仿真实验、提交实验数据、提交实验报告、实验评价查看、实验过程回放。

2)教师用户子系统

教师用户子系统功能包括:上传资源、共享资源、实验项目编辑、实验申请、实验安排查看、实验学生查看、实验确认、实验回放查看、实验项目评阅、实验成绩提交。

3)实验管理用户子系统

实验管理用户子系统功能包括:公告管理、消息管理、用户权限管理、用户信息管理、实验系统配置管理、实验系统帐号管理、实验资源管理、实验项目上传管理、实验使用统计、实验计划安排、实验审批、实验排课管理、实验评价查看、实验回放管理。

注:在实验项目评审期间,本实验系统暂时取消登录程序,评审专家及其他用户均可进入本实验项目网页,免登陆直接调取资源进行虚拟仿真实验,实验团队将确保网络通畅。

2)煤矿综采机械及工艺虚拟仿真软件

煤矿综采机械及工艺虚拟仿真软件分为综采工作面机械设备虚拟仿真和综采工艺过程虚拟仿真两个模块。其中机械设备虚拟仿真包含7个子模块:双滚筒采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、胶带输送机、设备列车和液压泵站。每个模块包括认知、教学、操作和考试等多个环节。如图1所示。

   

a)综采工作面采煤机割煤       b)综采工作面移架与推溜

 

c)采煤机操控                d)液压支架操控

 

e)采煤机拆装                  f)刮板输送机拆装

 

g)液压泵站拆装               h)设备列车拆装

 

i)胶带输送机拆装                  j)转载机拆装

1煤矿综采机械及工艺虚拟仿真软件

2-5实验材料(或预设参数等)

以现代化矿井综采工作面为依托进行设计开发,所有机电设备组成、安装方式、配套关系以及设备结构参数、工作参数与真实生产完全一致,严格仿真采煤工作面生产工艺流程,其中:采煤机型号为MG400/930-WD,液压支架型号为ZY6000/16/34,刮板输送机型号为SGZ900/1050,转载机、破碎机、胶带输送机、液压泵站等也是根据现场常用设备开发设计虚拟仿真模型。

2-6 实验教学方法(举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果

实验过程中采用的教学方法以训练式教学法为主,直观演示式教学法和任务驱动式教学法为辅。综采工作面立体空间构成、综采工作面生产系统的主要设备和综采放顶煤工艺过程采用直观演示教学法,综采工作面主要设备构成及工作原理和综采工艺过程采用训练式教学法和任务驱动式教学法。

采用训练式教学法和任务驱动式教学法学习综采工艺过程为例进行说明:

实验目的:

通过训练式教学法熟悉综采工艺过程,掌握采煤机的基本进刀方式、割煤方式和液压支架的移架方式,巩固基本概念,初步掌握综采工艺的基本步骤和基本要求,具备设计综采工艺参数的基本能力。

实施过程:

1)在初步理解综采工艺过程的基础上,开展综采工艺过程训练实践实验项目,在实验指导书基础上熟悉实验项目的和过程。

2基于单机版的实验系统或眼镜配合手柄的沉浸式设备开展设备操作训练,人机交互模拟操作采煤机的基本进刀方式训练。主要操作包括:端部斜切进刀和中部斜切进刀。改变采煤机的牵引速度、滚筒高度、滚筒转速等参数,根据不同工况调整采煤机牵引速度,设置滚筒高度及转速等。人机交互方式操作液压支架的升降前柱、升降后柱、前探梁支承煤壁、侧护板升起和推移输送机等操作。

3)设备操作训练合格后,进入工艺操作练习模块。根据任务书设定的工作面基本情况和基本工艺参数进行工艺操作训练,主要包括:确定工作面基本情况,选择进刀方式及割煤方式,确定采煤机基本参数,选择液压支架移架方式,完成采煤工艺全过程训练;根据情况,选择采用分段作业或者追机作业等不同的劳动组织形式,完成一个循环的采煤作业。

4)给定设计任务进行综采工艺设计。基于给定煤层概况,包括厚度、倾角、强度和夹矸层厚度等,进行综采工艺参数设计,依据设计确定的工艺参数完成整个综采工艺过程。

实施效果:

1)明显增强学生的学习兴趣,学生的学习效率大大提高;任务驱动教学法促使学生在完成生产任务的过程中,培养分析问题、解决问题的能力,培养学生的创新及协作精神。

2)对基本概念、综采主要设备及综采工艺过程的理解更加深入、准确。

3)初步掌握采煤机、液压支架等关键综采设备的基本原理及操作要领。

4)初步具备综采工艺参数设计的能力,掌握综采工艺过程的基本操作。

2-7实验方法与步骤要求(学生交互性操作步骤应不少于10

1)实验方法描述

煤矿综采机械及工艺虚拟仿真实验,主要包括设备操作训练、工艺操作训练和认知漫游三大模块。实验系统基本架构如图2所示。

 

                             

 

 

 

2系统基本架构

 

实验任务模拟煤层基本情况为:以实际煤矿综采工作面为基础,设定实验参数:采区走向长度3000m,倾斜长度1100m;煤层厚度2.29~3.9m,平均厚度为3.06m,煤层结构简单,不含夹矸或含3层夹矸,单层夹矸最大厚度0.21m;煤层平均倾角为;岩性为炭质泥岩,属于较稳定煤层,硬度系数 f=2-3,容重为1.31t/m3。煤层顶板为炭质泥岩、细砂岩、粗砂岩,煤层底板岩为粗砂岩、细砂岩、炭质泥岩。煤层瓦斯涌出量较小,无自然发火倾向。工作面长度为220m,计划日产量为5000吨。

基于给定煤层的基本参数进行综采工艺参数设计,依据设计确定的工艺参数,利用综采工作面采煤工艺虚拟仿真实验进行操作训练,完成整个综采工艺操作过程。

2)学生交互性操作步骤说明

1)设备操作训练

采煤机操作训练:采煤机是机械化采煤作业的核心机械设备,其功能是落煤和装煤,主要由电动机、牵引部、截割部和喷雾降尘、防滑及电缆拖移等其他附属装置组成。

a)第一步:采煤机的结构认识

基于采煤机教学模块,交互操作完成采煤机的拆装,部分过程如图3、图4所示。

3 采煤机结构认识

4 采煤机结构拆装

第二步:采煤机操作

利用虚拟采煤机控制面板,根据不同工况选择合适的割煤方式,调整采煤机牵引速度、调整截割滚筒高度及转速等,启停破碎滚筒等。主要操作过程如图5、图6所示

5采煤操作训练—左牵引

6 采煤操作训练—右截割部提升

b)液压支架操作训练

液压支架按结构形式划分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三种。液压支架部件一般包括:顶梁、掩护梁、四连杆机构、侧护板、底座、推移装置、护帮装置、防滑防倒装置和立柱。

第三步:液压支架的结构认识

基于液压支架教学模块,交互操作完成液压支架设备拆装,部分过程如图7、图8所示。

 

7 液压支架结构认识

8液压支架结构拆装

第四步:液压支架的操作

选择支撑掩护式液压支架进行交互操作,通过人机交互模拟操作液压支架的升降前柱、升降后柱、前探梁支承煤壁、侧护板升起和推移输送机等操作。部分操作过程如图9、图10所示。

9 液压支架操作—升前柱

10 液压支架操作—降后柱

c)第五步:刮板输送机的结构

刮板输送机是一种以挠性体作为牵引机构的连续输送机械,它主要用于回采工作面运输。它的牵引机构是刮板链,承载机构是溜槽。刮板输送机一般包括:机头及机尾架、溜槽及附件、刮板链和紧链装置等。刮板输送机的结构认识及拆装部分过程如图11、图12所示。

11 刮板输送机结构认识

12 刮板输送机结构拆装

2第六步:综采工作面空间结构整体认知

通过三维仿真场景实时漫游和手柄交互控制,展示走向长壁综采工作面的空间构成,包括:采煤工作面、运输平巷和回风平巷,具体的细节还包括:煤壁、采空区、工作面上端头、工作面下端头、上隅角等,部分操作如图13~15

13 综采工作面空间结构认识

14 综采工作面空间结构—回风平巷

15 综采工作面空间结构—运输平巷

3)综采工艺操作实践

通过交互方式改变采煤机的进刀方式、割煤方式及液压支架移架方式,进行采煤作业的操作训,操作具体过程包括:交接班准备、进刀方式选择、割煤方式确定、移架方式选择、劳动组织形式等,适时进入下一作业循环等。

根据采煤工艺过程,以割煤工序为核心,按照割煤、移架和推移刮板输送机的采煤作业过程,主要以端部斜切进刀-割三角煤、双向割煤、往返二刀、支架及时支护、工人追机作业为例进行操作训练,部分操过过程如图16~19所示。

 

                              16 交接班准备

a)第七步:进刀方式选择

当采煤机沿工作面割完一刀后,需要重新将滚筒切入煤壁,推进一个截深,这一过程称为“进刀”。常用的进刀方式有端部斜切进刀法和中部斜切进刀法两种。端部斜切进刀法又分为割三角煤进刀和留三角煤进刀。割三角煤进刀过程如下:

采煤机割通机头返刀向机尾割煤,上滚筒割顶煤,下滚筒扫底煤,滞后煤机46m开始移架,拉机头,滞后煤机后滚筒15m依次向机尾方向推移输送机。

采煤机割通机尾后,推输送机至后滚筒处,采煤机上滚筒降下扫底煤,下滚筒升起割顶煤,向下返刀割煤、斜切进刀,进刀后停下,滞后煤机46m开始移架,再依次向机尾方向推溜至机尾,拉移机尾。

采煤机上滚筒升起割顶煤,下滚筒降下割底煤,向机尾方向割三角煤;割通机尾后返刀,煤机下滚筒割顶煤,上滚筒割底煤,向机头方向割煤。

端部斜切进刀部分操作过程如图17、图18

                              17 斜切进刀介绍    

                               18 端部斜切进刀

b)第八步:割煤方式选择

采煤机的割煤方式是采煤机割煤以及与其他工序的合理配合。双滚筒采煤机割煤方式有:单向割煤、往返一刀,双向割煤、往返两刀。不同的割煤方式适应不同煤层厚度。双向割煤是指采煤机上行或下行割煤,每个循环采全高,采煤机往返一次进两刀。双向割煤是双滚筒采煤机常用的一种割煤方式,适应煤层稳定,倾角较缓的中厚煤层。双向割煤如图19所示。

19 双向割煤,往返2

c)第九步:工序配合选择

割煤、移架、推移输送机的配合方式割煤后,按推移输送机与移架的先后关系,分为及时支护方式和滞后支护方式。及时支护需操作支架完成降柱、移架、升柱、推输送机等工序,部分操作如图20所示。

     20 及时支护-升前柱

4)第十步:劳动组织形式选择

劳动组织形式分为追机作业、分段作业和分段接力追机作业。追机作业如图21所示。

                               21 追机作业

5)第十一步:自动化割煤 

采煤基本工艺参数设置选择完成后,选择自动化割煤,开始进行采煤作业,如图22所示。采煤机运行至工作面一端时,继续进行斜切进刀作业,进入下一循环,如图23所示。

22 自动化割煤

23 准备下一循环

2-8实验结果与结论要求

1)记录每步实验结果:£

2)结果与结论要求:实验报告 £心得体会 其他            

实验报告应如实记录实验步骤相应的实验结果,从综采工作面构成及布置、主要机械设备的构造、综采工艺过程的再认识、设备及工艺操作要领等方面应有详细记录;实验报告应对本次实验进行总结,反思实验中的得失,并对下一步实验或专业学习提出规划。

3)描述

专业知识测试:针对综采工艺进行知识测试,由理论课教师实施,便于掌握学生在进行本实验后专业知识的巩固和提高,同时对本实验项目的成效进行评判,有助于实验项目的改进。

2-9考核要求

从学习态度、实验技能、实验报告、能力提高等维度考察学生是否熟练掌握实验,是否达到实验目的与要求,具体考核标准如表1所示。

1 考核标准

考核要求

考核内容

评分细则

实验态度

实验态度是否认真,出勤情况,预习情况

10

实验技能

实验步骤是否清楚

10

实验操作正确与规范性

15

实验结果记录情况

10

实验报告

实验目的、原理、步骤是否完整

10

工艺参数是否准确、是否有参数的分析与处理过程

10

对实验结果的分析与思考

10

学生互评

同组学生互评

10

实验测试

围绕实验目的进行书面测试

15

各项要求说明如下:

1)学习态度

考核内容包括:出勤情况、操作时的实验态度、实验结束时仪器的维护和实验室的整洁卫生和实验基础理论的掌握等。

2)实验技能

考核内容包括:熟悉实验步骤、实验操作正确与规范和原始结果的保留等。

3)实验报告

考核内容包括:实验报告的完整性,基本工艺参数确定、处理和实验结果分析讨论与思考等。

4)学生互评

同组学生之间相互评价,主要从学生的认识尺度考察学生实验的整体表现。

5)实验测试

通过书面测试综采机械及工艺相关专业知识及操作要领,考察学生的掌握情况,同时对实验指导教师的教学效果考察提供依据,为实验项目的改进提供参考。

2-10面向学生要求

    1专业与年级要求

实验项目主要面向采矿工程、安全工程、机械设计制造及其自动化(矿山机械设计方向)和资源勘查工程专业的大三、大四年级学生。

2)基本知识和能力要求

本实验项目要求学生学习过的相关课程或已掌握的相关专业知识,有如下层级:

基础层:《工程制图》、《采矿CAD》、《采煤概论》。具备工程制图、读图能力及较好的空间显像能力,初步了解煤矿开采的基础性知识。

专业层:《煤矿开采学》、《矿井通风与安全》、《采掘机械》和《矿山运输与提升设备》、《数字矿山》等课程。对于参加实验的学生要求具备煤矿综采工艺、矿井通风与安全和煤矿机电设备等相关的专业基础知识,了解煤矿的生产特点。

对不同专业的具体化要求:

1)采矿工程专业的学生要求初步具备综采工作面采煤工艺设计和采煤工作面作业规程编制的能力;

2)安全工程专业的学生要求初步具备综采工作面采煤工艺设计和采区通风设计能力;

3)机械设计制造及其自动化(矿山机械设计方向)要求了解煤矿生产设备,掌握矿山机械的结构、工作原理、性能特点等知识。

2-11实验项目应用情况

(1)  上线时间 : 2017.6

(2)  开放时间 : 2017.9

(3)  已服务过的学生人数:  1100

(4)  是否面向社会提供服务:  £

 

中华人民共和国教育部 河南省教育厅 高等学校国家级实验教学示范中心联席会