工程教育通识课程智慧课堂设计与实践

中国矿业大学(北京)工程教育通识课程——能源开发概论课程组在智慧课堂教学设计总体框架下,设计了以“课内讲授”为基础空间、承载“习得”“交流”“资源”三个互动空间的基本联结模式,并将其内嵌到教学实践中加以扩充,形成了该类课程智慧课堂教学设计的整体框架与实操指导。该模式借鉴时空系统视角、学科交叉思维、教育教学原理、信息时代发展的基本理论与最新信息,优先结合学科特色、师生特点、可应用场景,实现了教学方法、学习内容、组织形式等教学要素的灵活组合及调整,有利于面向不同专业背景的学生开展工程类通识教育课程的教学活动,助力以理工科为特色的高校探索创新工程教育方式与手段。

采场全生命周期的矿压危害事件知识图谱表示方法研究

知识图谱是认知智能研究不可或缺的组成部分。针对采场矿压危害事件传统分析方法对煤矿开采过程中应力时空演化过程及隐患演化与风险防控关系等表达存在不足的问题,本文基于采场全生命周期提出一种采场矿压危害事件知识图谱表示方法:首先,从地质灾害的角度,分析采场应力及分布的动态特性,对矿压地质灾害中的各节点进行动态关联,提出顾及时空过程的采场矿压地质灾害知识图谱表示方法。其次,从事故的角度,分析采场矿压事故隐患演化与风险防控过程,将隐患耦合演化与防治措施融入知识图谱表示模型中。最后,运用Neo4j构建矿压危害事件知识图谱。结果表明:依据该表示方法构建的知识图谱,不仅刻画了灾害事件中不同对象的时空演化过程,还描述了隐患耦合演化过程以及对应的风险防控措施,为采场矿压危害的防治提供了智能研究途径。

尾砂固结排放的重金属固化效应研究

为了解决尾砂地面排放的重金属污染和堆排体稳定性的问题,提出采用掺水泥的方法排放尾砂。分析了尾砂排放中污染物来源和重金属迁移原理:尾砂中重金属污染主要通过堆排场浸滤液和排放初期泌出水释放,其迁移动力主要有对流、分子扩散、机械弥散三方面作用。采用电镜扫描研究了尾砂固结过程中微观结构演化规律,发现水泥水化会使固结体结构致密、渗透系数降低。开展了浸滤实验研究固结体在水环境中结构稳定性,研究结果表明,尾砂固结体中水泥掺量较小时遇水会发生崩解;随着水泥掺量增加,固结体抗崩解性能增强;水泥掺量大于3%不易崩解,固结体稳定性提高。单轴抗压强度试验表明,水泥掺量大于4%时固结体强度随水泥掺量急剧增长,说明水泥掺量4%是固结改性的临界掺量,大于此值尾砂排放体发生了改性。通过电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-AES)测定了固结体浸滤液中重金属含量并与《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)进行了对照。实验表明,添加水泥不会影响泌出水中重金属含量,但会显著降低浸滤液中重金属含量,且随着水泥掺量增加浸滤液中重金属含量减小。当掺量大于3%时,浸滤液中重金属含量急剧减小,达到能够符合国家相关排放的标准。综上可知,重金属的迁移与固结体微观结构、渗透性和抗崩解性能有很大关系,渗透性越好、抗崩解性能越差,浸滤液与水接触程度越大,重金属浸出越多。

综采放顶煤工艺技术虚拟仿真实验教学

该实验教学项目通过沉浸式显示和交互式操作实验平台引导学生完成综采放顶煤工艺技术实验。应用实时光影技术构建高度沉浸感的虚拟实验环境。通过构建综采放顶煤工作面生产系统,模拟工作面采煤机的割煤、推刮板输送机、移架、液压支架放煤的整个作业过程,引导学生在对综采放顶煤理论知识掌握和对采煤设备结构、工作原理及操作方法了解基础上,按照作业规程和工艺参数,操作采煤设备进行割煤、放煤作业,模拟综采放顶煤工艺流程和工艺循环过程,从而系统掌握综采放顶煤工艺技术知识,提高实践能力。

基于混沌粒子群的AWLSSVM瓦斯预测研究

为了提高矿井瓦斯浓度预测的准确性,提出1种改进混沌粒子群算法的多变量自适应加权最小二乘支持向量机(AWLSSVM)瓦斯预测模型,且实现了瓦斯浓度的多步预测。首先,对粒子群算法进行分析,提出1种收敛速度更快、全局搜索能力更强的改进混沌粒子群算法;针对加权最小二乘支持向量机(WLSSVM)权值线性分布的缺点,根据离散点的分布特征,提出了AWLSSVM;其次,采用混沌理论构建模型的样本集;最后,对建立的模型进行了实例分析。结果表明:AWLSSVM单变量预测精度相对于最小二乘支持向量机、WLSSVM分别提高了5.3%和6.7%;多变量AWLSSVM相对于单变量AWLSSVM五步预测精度分别提高了39.3%、49.6%、55.9%、59.7%、62.5%。

新型胶凝材料对全尾砂固结堆体稳定性的影响

通过实验室正交试验、数值模拟等方法,对全尾砂固结排放过程中掺入的新型胶凝材料T.C的合理配比及其对堆体稳定性影响进行研究。以矿渣、石灰、石膏、硫铝水泥、孰料作为胶凝材料的原材料,通过正交试验得到各因素对固结体强度的影响大小依次为矿渣、石灰、硫铝水泥、石膏,并得到全尾砂新型胶凝材料T.C的最佳配比:矿渣∶石灰∶石膏∶硫铝水泥∶孰料=70∶6∶10∶4∶10。借助全面试验,对比普通硅酸盐水泥(P.O.42.5)、矿渣水泥(P.S.32.5)以及新型全尾砂胶凝材料T.C作用下固结体强度变化趋势,发现无论是早期强度还是后期强度,新型全尾砂胶凝材料T.C的固结效果要明显优于普通硅酸盐水泥与矿渣水泥。基于强度折减法并借助FLAC3D对堆体的稳定性进行分析,从而建议堆体的高度应小于50 m、堆排角小于60°、料浆浓度取76%~78%、灰砂比为1∶12~1∶9。

基于高精度三维动态地质模型的采煤机自适应智能截割技术研究

采煤机使用“记忆截割”技术割煤时,需要进行人工领刀,且对煤层赋存条件要求较高,当煤层起伏较大时需要频繁示教领刀。“记忆截割”技术仅针对下一刀煤层顶板截割路径进行优化,在采煤机推进方向无法根据煤层的赋存形态对采煤机俯仰采路线进行精确规划与控制。本文基于采煤机自适应智能截割理念,设计了综采工作面采煤机智能截割系统运行模式,利用煤层精细化物探数据构建工作面高精度三维地质模型,而后利用地质模型对采煤机的未来截割路径进行规划,并在开采过程中根据工作面揭露的最新地质资料动态修正高精度三维地质模型。将高精度三维动态地质模型与采煤机开采规划算法耦合,提出可自适应煤层变化的采煤机开采控制基线规划算法,实现对采煤机推进方向的俯仰采控制与牵引方向的截割控制,以及地质模型更新、开采基线规划与采煤机滚筒调整之间的高效协作。设计了智能截割系统内滚筒调整参量的计算服务接口,以及智能截割系统与采煤机控制系统间的通讯协议,实现了采煤机滚筒基于规划截割路径的精准控制。实践表明,采煤机智能截割系统适用于底板倾角各种变化程度的煤层,采煤机截割线更好地贴合煤层顶、底板线,节约资源,提高生产效率。

采矿体系化全方位虚拟仿真教学方法和虚拟实习基地研究与实践

为推进采矿工程专业教学内容、方法、技术、手段及实践教学模式的改革,建成地下煤矿、地下金属矿、露天煤矿虚拟矿山实习基地。体系化全方位建设大型复杂、高度仿真的三维可视化沉浸感知和交互操作的采矿虚拟仿真教学项目。同时研发线上采矿虚拟仿真实验项目,形成线上、线下虚拟仿真教学相结合的完整教学体系,在教学中广泛应用,解决了矿山实习难、实习及教学实验效果不佳的教学难题,改变了传统的矿山实习模式和采矿工程实践教学方法,提高了教学质量,为培养学生创新实践能力提供了有力保障。

冻融循环对全尾砂固结体强度的影响

为探究冻融循环对全尾砂固结体强度的影响,以不同冻结温度下的固结体为研究对象,采用冻融循环、单轴压缩和扫描电镜(SEM)等试验方法,研究了不同养护龄期及冻结温度下的固结体强度变化规律,分析了不同冻融循环次数及冻结温度下固结体内部水化产物及微观结构特征演化规律。结果表明:同一冻结温度、不同养护龄期下,固结体强度随冻融次数增加呈先增加后减少的趋势,基本遵循二次幂函数的定量关系;同一养护龄期、不同冻结温度下,固结体强度随冻结温度的降低呈下降趋势;相同冻结温度和养护龄期下,随冻融次数增加,固结体内部结构呈稀疏→致密→松散的发展趋势;相同养护龄期和冻融循环次数下,冻结温度越低,C-S-H凝胶和晶体状的钙矾石(AFt)等水化产物的生成量越少,固结体内部结构越稀疏、松散。

击实对全尾砂固结体强度及渗透性影响

为了解决全尾砂固结体地面排放时堆排体稳定性的问题,提出通过击实来增大全尾砂固结体的稳定性。通过室内击实试验、无侧限抗压强度试验、常水头渗透试验和扫描电镜试验,研究了击实对全尾砂固结体无侧限抗压强度和渗透系数的影响以及微观层面上击实对固结体内部结构变化的影响。得到了不同击实功下的全尾砂固结体的最大干密度和最优含水率,并以此为基础研究了击实功(598.2 kJ/m^(3)、1074.7 kJ/m^(3)、1535.3 kJ/m^(3)和2149.4kJ/m^(3))、干密度、含水率和养护龄期对固结体无侧限抗压强度和渗透系数的影响。结果表明,无侧限抗压强度随击实功、干密度和养护龄期的增加而增大,随含水率的增加而减小;渗透系数随击实功、干密度和养护龄期的增加而增大。对固结体进行击实可以减少固结体内部结构的孔隙并提升固结体结构的密实度,从而提高了固结体的强度和抗渗性能。表明在全尾砂固结排放中,可以通过击实的手段提高全尾砂固结体的强度和抗渗性,进而提高全尾砂固结体的稳定性。

云渲染技术在虚拟仿真教学系统中的应用

通过调研现有虚拟仿真教学实验项目内容,针对其中三维虚拟仿真项目启动效率低的问题,采用云渲染技术进行优化处理,构建了综采放顶煤虚拟仿真教学实验系统。介绍了离线、实时云渲染的两种不同技术,结合综采放顶煤虚拟仿真教学实验的系统建设目标、教学内容,设计了利用云渲染技术进行系统实现的技术架构;对开发的系统进行了运行分析,通过不同项目在启动时的加载资源、等待时间等指标对比,说明了云渲染技术应用对系统效率提升具有良好的效果。

干湿循环对全尾砂固结体强度的影响研究

为研究干湿循环条件下全尾砂固结体单轴抗压强度的变化规律,选取不同水泥掺量的固结体为研究对象,进行干湿循环处理后的宏观强度与微观结构检测试验,探讨了胶凝材料掺量与养护时间对固结体强度的影响,并对经历不同干湿循环次数及胶凝材料掺量下固结体微观结构变化规律进行分析。结果表明:养护3 d与7 d的固结体试件,随干湿循环作用的持续进行,强度呈先增加、后降低趋势;养护28 d固结体试件强度呈逐渐下降趋势。不同养护龄期下,水泥掺量越大,固结体干湿循环后强度衰减越低。随干湿循环作用的继续进行,固结体微观结构呈先密实、后稀疏松散趋势。

基于云渲染的虚拟仿真实验教学实践分析

云渲染作为一项提升资源共享工程中用户体验的先进技术已逐渐推广使用,但其在教学过程中的作用、优势及存在问题有待进一步研究。首先,依托国家虚拟仿真实验教学课程共享服务平台资源,分析了虚拟仿真实验教学课程的共享技术现状,分析了基于云渲染的虚拟仿真实验的技术优势;其次,以基于云渲染技术构建的综采放顶煤虚拟仿真教学实验为例,介绍了实验建设内容及其在教学中的应用现状;最后,对基于云渲染的虚拟仿真实验教学系统的教学实践活动进行了总结,分析了其中遇到的关键问题与相应的处理措施,以期促进虚拟仿真实验教学在资源共享方面有更好的发展。

实时光影技术在虚拟仿真实验教学中的应用

针对虚拟仿真实验教学系统中场景不够真实的问题,文章对实时光影技术的应用开展了研究工作。首先,介绍了实时光影技术的背景,总结了光线跟踪算法、辐射度算法、阴影图算法等技术;其次,以采矿与安全虚拟仿真教学系统为例,研究了系统对实时光影算法的选择应用模式,分析了相关参数的设定方法;最后,通过同一项目场景在不同光影设置下的对比,从主观和客观评价两方面,说明了实时光影技术的应用对系统真实感提升具有良好的效果。

Dynamics Simulation Model of the Economic System in Mining Area

The system dynamics is a new subject that was put forward by Professor J W. Fortester in dmerican MIT in 1950s. It is extensively applied to systematic problems af high phase, nonlinear, multtdimensionality, multiple feedback and complicated time-variation. In this paper, the complex system in mining area is divided into five parts - resources, environment. economy, population, and science and technology. The.five parts are regarded as five sub-models. By taking the economic subsystem as an example, the SD model of complex system in mining area is established. This model has certain universality and practicability.

新型胶凝材料在某铁矿配比方案优化中的应用

为解决国内某铁矿充填成本高,充填体早期强度低,充填料浆堵管等问题,基于正交试验展开了充填配比方案优化设计。试验以胶凝材料类型(A)、质量浓度(B)、灰砂比(C)为影响因素,以尾砂料浆塌落度、尾砂胶结体3d、7d、28d单轴抗压强度为评价指标,运用极差和方差分析法对比研究了各因素对试验指标的敏感性。极差分析表明:对胶结体3d、7d强度影响顺序为A>C>B,对胶结体28d强度的影响顺序C>A>B,对全尾砂料浆塌落度的影响顺序为B>A>C。方差分析表明:胶凝材料类型对胶结体3d强度影响显著;灰砂比及胶凝材料类型对胶结体7d强度影响显著;各因素对胶结体28d强度均无显著影响;料浆浓度对全尾砂料浆塌落度影响显著。最终,根据充填工程实际需求,推荐的最优方案胶凝材料类型为TC-Ⅱ,料浆质量浓度为76%,灰砂比为1∶6。

冻融循环对全尾砂固结体超声波特性的影响研究

在不同养护龄期(3,7,28d)和冻融循环次数(0,5,10,15,20次)条件下,对不同灰砂比(1∶4,1∶8,1∶10)的全尾砂固结体进行了超声波特性测试,对不同影响因素下超声波特性的变化规律以及冻融循环次数和超声波速度之间的关联性进行了研究。研究结果表明:冻融循环过程中,波速和波形有明显的变化规律,振幅特征较为杂乱;灰砂比、冻融循环次数相同时,养护龄期越长的固结体超声波波速越大;养护龄期、冻融循环次数相同时,灰砂比越大的固结体超声波波速越大;养护龄期为28d时,未进行冻融循环的固结体在各灰砂比条件下超声波波速相差不大;全尾砂固结体超声波波速与冻融循环次数呈负相关,基本遵循对数函数关系,随着冻融循环次数的增加,超声波波速不断减小,且前5次减小量较大。

冻融循环对全尾砂固结体强度与微观孔结构的影响

通过实验室试验,对冻融循环作用下全尾砂固结体强度与孔结构演化规律进行了研究。以含有自制胶凝材料TC-Ⅰ的全尾砂固结体为试验对象,运用抗折抗压试验机与压汞仪分别对标准养护条件下与冻融20次后的试件进行了力学与压汞试验,并通过理论推导得出损伤量D。研究结果表明:养护3d时的强度低于其冻融20次的强度,7d后的强度有所反超;标准养护条件下的孔隙率、总孔隙量、孔总面积、平均孔径4个全尾砂固结体内部孔结构参数均随养护时间的增长而减小,冻融循环20次后的孔结构参数变化规律与之相反,且其推导出的损伤量D与强度关系为:D=-0.184σ+0.5479;从强度与孔结构参数变化规律可以看出,35g/L的防冻剂掺量降低了冻融循环对全尾砂固结体的破坏作用。

浸水条件下全尾砂固结体崩解机制的分析与探讨

针对全尾砂固结体,通过浸水崩解试验研究不同水泥掺量下全尾砂固结体的浸水崩解特性,探讨了全尾砂固结体的崩解机制。结果表明:随着水泥掺量的增加,试件的耐崩解性有显著的提高,水泥掺量大于2%时,固结体遇水不再崩解、泥化。全尾砂固结体浸水后,基质吸力引起水分入渗,使具有联通性的孔隙间气体被排除,气体排出过程中造成联结较弱的骨架破坏;随着尾砂固结体水分入渗,固结体内饱和度增大,基质吸力减小,表面张力减小。表面张力的减小降低了固体颗粒间的联结力,固相骨架便在气体扰动和挤压下发生破坏,引起崩解。

冻融循环对全尾砂固结体电阻率影响研究

冻融循环作用对全尾砂固结体造成一定损伤,电阻率作为固结体的重要物理参数必然发生变化,因此可以用电阻率的变化来衡量固结体的损伤。为研究冻融循环次数和固结体电阻率的定量关系,制作(灰砂比为1∶4,1∶8,1∶10共3种配比;每种配比包含3,7,28d三个养护龄期,)共九组18个试件。每组试件经过0,5,10,15,20次冻融循环后,测定固结体试件电阻率变化情况。建立了固结体电阻率与冻融循环次数的关系;基于三元导电模型建立固结体电阻率模型。研究结果表明:固结体试件电阻率与冻融循环次数呈明显的指数关系,且随着冻融循环次数的增加不断减小,前5次冻融循环过程中电阻率减小量最大,其后逐渐减小。通过电阻率模型,可以计算出经过不同冻融循环次数后固结体的电阻率。研究成果对固结体损伤探测有重要参考价值。