0 引言
隨著礦山開采深度增加和采掘機械化程度的提高，礦井通風與空調(diào)對于礦井建設(shè)和生產(chǎn)有著越來越重要的意義。《礦井通風與空氣調(diào)節(jié)》屬于國家精品課程，是采礦工程與安全工程的主干專業(yè)課，由于課程的實踐性和工程性強，涉及知識廣，理論知識抽象，通風網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜等問題，學生普遍反映學習難度較大，難以理解。受教學方法、教學工具和課時限制，該課程進一步系統(tǒng)地教學面臨挑戰(zhàn)。
通風是一門抽象的學科，教學過程中面臨網(wǎng)絡(luò)解算、通風設(shè)計和優(yōu)化、通風系統(tǒng)演示、通風立體圖繪制等難題，傳統(tǒng)教學方式普遍采用黑板或ppt，二維靜態(tài)文字與圖像難以達到教學目的。緊隨數(shù)字礦山飛速發(fā)展的步伐，運用可視化手段來模擬真實礦山，營造一個虛擬現(xiàn)實的通風系統(tǒng)，它近或優(yōu)于真實的系統(tǒng)，借助通風軟件教學彌補傳統(tǒng)教學的不 足，大大提高了教學效率。iVent是集三維通風網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、風網(wǎng)調(diào)節(jié)與模擬和風網(wǎng)解算與優(yōu)化為一體的礦井通風軟件系統(tǒng)，可作為通風教學的輔助平臺，借助該平臺可以使學生明確學習目的，迅速掌握礦井通風與空氣調(diào)節(jié)的基本理論，鍛煉通風設(shè)計和管理的能力，掌握應(yīng)用軟件的技能和解決實際問題的經(jīng)驗。
1 課程性質(zhì)、特點及面臨挑戰(zhàn)
1.1 課程性質(zhì)
《礦井通風與空氣調(diào)節(jié)》作為采礦工程和安全工程專業(yè)的一門必修核心專業(yè)課，課程以闡明礦井通風的基本概念、基本原理、基本方法、基本運算、基本設(shè)計、基本測定、基本管理(“七基”)為核心，系統(tǒng)地介紹礦井空氣流動基本理論、礦井空氣流動能量方程、礦井通風阻力及其計算、礦井自然通風、礦井主扇與機械通風、礦井通風網(wǎng)絡(luò)風量分配與調(diào)節(jié)、掘進工作面通風、礦井通風系統(tǒng)及其設(shè)計、礦井通風測定和通風系統(tǒng)管理、礦井熱環(huán)境調(diào)節(jié)、礦井防塵與排氡，并使之融會貫通。通過理論教學、實驗、實踐和課程設(shè)計，使學生掌握非煤礦山礦井通風與空調(diào)的基本理論和基礎(chǔ)知識，具有礦井通風設(shè)計、管理的能力。
1.2 課程特點
礦井通風與空氣調(diào)節(jié)是一門專業(yè)性和實踐性強的課程，是理論、實驗、實踐、設(shè)計和管理的有機結(jié)合。該課程具有以下特點:
(1)實驗性強。實驗內(nèi)容包含：礦井空氣測定/礦井大氣壓力測定、 阻力測定、風筒斷面的速度場系數(shù)測定與風表校正、風筒風阻特性曲線的實測、扇風機(裝置)特性曲線的實測。
(2)理論性強，多學科交叉，該課程與《地質(zhì)學》、《采礦學》、《地下施工》相配套，在其后開設(shè)。它是以復(fù)雜圖形和網(wǎng)絡(luò)計算為教學基礎(chǔ)的學科，涉及圖論的知識、網(wǎng)絡(luò)數(shù)學模型分析、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)自然分風電算等，需要有較強的基礎(chǔ)課功底。
(3)內(nèi)容多、難點多，知識層次清晰，內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣。后期的課程設(shè)計充分體現(xiàn)了課程的實踐性，將全書內(nèi)容貫通融入到實際的礦山通風系統(tǒng)設(shè)計中，進一步鞏固所學知識，理論聯(lián)系實際。
1.3 課程特點
(1)實驗方面 課程設(shè)置了較多實驗，但實驗條件有限，實驗室建設(shè)需要較大場地和較多經(jīng)費，現(xiàn)有的實驗器材和實驗方法無法測量出理想的數(shù)據(jù)，實驗誤差大，少數(shù)高校具備完善的實驗室。
(2)教學方面 由于課程理論和實踐性強，與之相適應(yīng)的教學方法需要形象豐富，除常規(guī)教學講解外，還要開展課堂提問討論、實驗課、上機解算復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、課程設(shè)計、等多種教學方式，常出現(xiàn)課時不夠的現(xiàn)象。尤其是在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)解算這一塊，必須借助軟件才能算出結(jié)果，傳統(tǒng)的教學方法把學生置于被動地位，學生必須緊隨教師思路積極思考，并能讓學生有時間記筆記，以便課后復(fù)習鞏固。
(3)課程設(shè)計 課程涵蓋的知識較廣，不僅需要熟悉礦山各個系統(tǒng)，還需要對整個礦井通風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、安全、技術(shù)經(jīng)濟指標進行分析。難點多，知識環(huán)環(huán)緊扣。結(jié)課后的課程設(shè)計更是貫通了整本書的知識，同時還得對礦山的整個構(gòu)架有清晰的了解，其中，風量和阻力的計算量大;并進行風機聯(lián)合運行的穩(wěn)定性分析復(fù)雜;看懂抽象的開拓系統(tǒng)圖、采礦方法圖，繪制通風立體示意圖都需要三維空間的想象力。
2 iVent思想構(gòu)架及教學意義
2.1 iVent主要功能
iVent礦井通風系統(tǒng)系統(tǒng)是在Dimine平臺上專門為礦井通風業(yè)務(wù)研發(fā)的一款軟件，該系統(tǒng)基于Dimine數(shù)字采礦平臺核心技術(shù)構(gòu)建，是在三維仿真基礎(chǔ)上的通風系統(tǒng)設(shè)計、通風網(wǎng)絡(luò)結(jié)算、三維通風狀態(tài)模擬作業(yè)平臺。主要功能涵蓋：風網(wǎng)設(shè)計、風網(wǎng)解算、風網(wǎng)調(diào)節(jié)、結(jié)算報告輸出、風機數(shù)據(jù)庫管理風機構(gòu)筑物模擬、需風量計算、循環(huán)風警示、最大阻力路線提取。
2.2 iVent系統(tǒng)特色
iVent礦井通風系統(tǒng)特色主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)兼容dmf、dxf、dwg數(shù)據(jù)格式，可實現(xiàn)開拓系統(tǒng)與通風系統(tǒng)、通風數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)與生產(chǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換;
(2)軟件系統(tǒng)在真三維環(huán)境下進行軟件設(shè)計，在編輯過程中動態(tài)維護拓撲關(guān)系，達到所見即所得的效果，充分考慮用戶體驗;
(3)單條分支可存在多個幾何節(jié)點，有效降低風網(wǎng)復(fù)雜度;
(4)可模擬風窗、風門、風墻、降阻措施等通風調(diào)節(jié)措施在風網(wǎng)中的調(diào)節(jié)量;
(5)基于獨立網(wǎng)孔法的回路風量計算方法，解算快速、穩(wěn)定，千條風路10s內(nèi)解算;
(6)全面、詳盡、準確的風機數(shù)據(jù)庫;
(7)支持對于風機串并聯(lián)情況下的風機優(yōu)選，協(xié)助用戶快速選擇當前工況情況下的適合風機;
(8)提供快速計算不同范圍內(nèi)需風量計算，避免繁瑣的手工計算過程;
(9)具有回路法、通路發(fā)等多種局部風量調(diào)節(jié)方法，為不滿足需風量要求的位置提供調(diào)節(jié)方案;
(10)可以一鍵輸出報告。
2.3 iVent教學意義
針對課程和iVent各自特點，將iVent運用于礦井通風的教學之中，對推動課程的發(fā)展、培養(yǎng)學生實踐能力具有長遠的意義。
(1)課程實驗的目的是讓學生了解實驗原理、學會使用實驗器材，iVent是為礦井通風業(yè)務(wù)開發(fā)的一款作業(yè)軟件，借助軟件能輔助課程實驗，快速明確實驗?zāi)康?，校驗實驗?shù)據(jù)，快速處理數(shù)據(jù)，分析結(jié)果。
(2)在授課過程中，三維的效果，美觀的界面，動畫顯示風流可以調(diào)動學習的熱情，幫助教師講解抽象的內(nèi)容，可以把學習通風軟件可列為教學內(nèi)容的一部分，讓學生親自感受軟件的交互性。在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的解算上，iVent通過簡單的操作就能快速算出，并且三維可視化的方式清楚地表述出來，大大提高了教學效率。
(3)程設(shè)計是對全書內(nèi)容的鞏固，iVent每個功能的開發(fā)都服務(wù)于三維通風網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，極大程度上解決了課程設(shè)計無從下手和工作量大的問題。國內(nèi)礦山數(shù)字化已有一定基礎(chǔ)，培養(yǎng)學生使用iVent，符合目前礦山信息技術(shù)型人才的需求。
3 應(yīng)用實例
3.1 iVent應(yīng)用于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)解算與風量調(diào)節(jié)
iVent有著快捷的解算功能，精確的選擇風機對復(fù)雜通風網(wǎng)絡(luò)進行解算，對整個礦井風量分配、風機運行情況進行模擬;另外，iVent也有著強大調(diào)節(jié)功能，可以通過“手動調(diào)節(jié)”、“回路法”或“通路法”調(diào)節(jié)。最后，iVent以動畫的方式清楚形象的傳達解算結(jié)果和風量調(diào)節(jié)方式，如圖1所示。
圖1 通風網(wǎng)絡(luò)解算與調(diào)節(jié)動畫模擬部分截圖
3.2 iVent應(yīng)用于課程設(shè)計
結(jié)合iVent進行通風系統(tǒng)的課程設(shè)計，具體步驟如下：
(1)將井巷工程的.dmf文件導(dǎo)入系統(tǒng)實現(xiàn)自動構(gòu)建風網(wǎng)，根據(jù)總體結(jié)構(gòu)擬定通風方案、布置進風井和回風井、確定通風方式、選擇主扇安裝地點，再通過編輯，對通風網(wǎng)絡(luò)進行必要的巷道添加和編輯、風機添加等調(diào)整與修改。
(2)運用需風量計算屬性參考工具，根據(jù)規(guī)程要求快速計算回采、掘進、硐室需風量，為需風點風量設(shè)置提供依據(jù)，省卻繁瑣的手工計算過程。
(3)運用摩擦阻力系數(shù)庫屬性參考工具，使阻力計算更科學。提供了循環(huán)風、最大阻力線路、節(jié)點壓力計算等多種高級計算工具，輔助分析礦井通風薄弱環(huán)節(jié)，提取最大阻力路線。
(4)在未設(shè)置風機時，可以根據(jù)工況風量和風壓，運行虛擬風機，進行網(wǎng)絡(luò)解算，運用全面、詳盡、準確的風機數(shù)據(jù)庫，協(xié)助用戶快速選擇當前工況情況下的合適風機。
(5)使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對視圖內(nèi)巷道、風機、構(gòu)筑物，進行整體統(tǒng)計，再按其金額，計算費用。
(6)運行風機，對整個礦井風量分配、風機運行情況進行模擬，并給出不滿足需風量要求的解決方案，輔助進行風網(wǎng)的調(diào)節(jié);具有回路法、通路法多種調(diào)節(jié)方法，調(diào)節(jié)中創(chuàng)造性考慮降阻調(diào)節(jié)。
(7)在設(shè)計的整個過程中，已在編輯和調(diào)整整個風網(wǎng)，設(shè)計結(jié)束，即完成通風網(wǎng)絡(luò)圖、立體圖的繪制，無需單獨安排課時繪圖，如圖2所示。
圖2 iVent應(yīng)用與礦井通風課程設(shè)計
4 結(jié)語
礦井通風的課程教學應(yīng)注重理論與實踐的有機結(jié)合，突破重點和難點，掌握礦山通風與空氣調(diào)節(jié)基本規(guī)律和基本原理，并將其應(yīng)用于實際的通風設(shè)計中，培養(yǎng)學生礦井通風設(shè)計和管理的能力。
iVent集三維通風網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、風網(wǎng)調(diào)節(jié)與模擬和風網(wǎng)解算與優(yōu)化為一體，不僅能應(yīng)用于抽象知識的教學、實驗的指導(dǎo)，還能快速設(shè)計礦井通風系統(tǒng)，它與傳統(tǒng)教學互補，虛擬可視化平臺使教學更加生動、直觀、高效，將教學內(nèi)容由靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)，抽象變?yōu)樾蜗?。在課程設(shè)計中，iVent能引導(dǎo)設(shè)計者快速理清設(shè)計思路，將所學知識串聯(lián)起來，避免繁瑣的計算過程，全方位培養(yǎng)學生通風設(shè)計的能力，為在畢業(yè)設(shè)計和實踐工作中運用此類軟件奠定基礎(chǔ)。
參考文獻
[1]李自紅.計算機輔助語言軟件在教學中的應(yīng)用[J].科技致富向?qū)?2013,(8):106.
[2]韓冰,趙丹,張啟林等.Pspice仿真軟件在教學中的應(yīng)用[J].河北北方學院學報(自然科學版),2007,23(4):42-44.
[3]張運博,蔡冬林.LabVIEW軟件在教學中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計算機,2011,24(1):72-73.
[4]陳春朝,李春洋,李玖棟等.LabVIEW軟件在教學中的應(yīng)用[J].計算機與現(xiàn)代化,2010,(3):89-92.
[5]羅旭.Matlab和Multisim軟件在教學中的應(yīng)用[J].廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學院學報, 2010,26(2):79-81.
[6]賈效工.多媒體編輯軟件在教學中的應(yīng)用[J].中國教育技術(shù)裝備,2002,(9):24.
[7]鄭元元,楊昊凡.Authorware軟件在教學中的應(yīng)用研究[J].考試周刊,2011,(50):150-151.
[8]王巍巍.淺談仿真軟件在全站儀教學中的應(yīng)用[J].科技信息,2012,(12):194.
[9]劉軍.CAD/CAM軟件在數(shù)控教學中的應(yīng)用探討[J].教育教學論壇,2014,(14):265-266.
[10]曹世忠.淺談數(shù)控加工仿真軟件在教學中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力,2014,(3):64-65
[11]宋星月.行為導(dǎo)向和模擬軟件在教學中的應(yīng)用[J].軟件工程師,2014,(6):15-16.
[12]陽濤.數(shù)控仿真軟件在教學中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2011,(2):62-66.
[13]張搏.基于fluent軟件在教學上的應(yīng)用研究[J].課程教育研究,2014,(4):232.
[14]陳曉蕾,郭英平.談電子仿真軟件在教學中的應(yīng)用[J].新課程：教育學術(shù),2012,(2):183-183.
聲明：
“iVent軟件在礦井通風教學中的應(yīng)用與實踐” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
924
編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：中南大學、煤炭資源與安全開采國家重點實驗室、中南大學數(shù)字礦山研究中心
分享 0
舉報 0
收藏 0
反對 0
點贊 0
中冶有色技術(shù)平臺
2025年03月25日 ~ 27日 
