智能采礦工程專業(yè)礦山測量學課程體系建設

鄭美楠 劉 超 趙興旺 郭慶彪 趙若南

（1.安徽理工大學空間信息與測繪工程學院,安徽 淮南 232001；2.烏拉爾國立礦業(yè)大學采礦工程學院,俄羅斯 葉卡捷琳堡 620000）

在煤炭行業(yè)供給側(cè)結構性改革背景下，煤炭經(jīng)濟下行，“十四五”末期全國煤礦數(shù)量將控制在4 000處左右[1]。當前，我國煤炭工業(yè)正處在全面深化改革的重要時期，促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展需要大量相關領域人才[2]。

為推動煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，智能礦山建設逐漸被重視。煤礦智能化建設對實現(xiàn)煤炭資源的低碳綠色開發(fā)，推動產(chǎn)業(yè)優(yōu)質(zhì)發(fā)展，構建“智能＋綠色煤炭工業(yè)”新體系意義重大[3]。智能礦山的建設與應用迫切需求新型高素質(zhì)的專業(yè)技能型人才，為此，教育部于2021年將智能采礦工程專業(yè)特設為目錄外專業(yè)，通過眾多高新技術，如人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等，改造升級傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)，以培養(yǎng)掌握智能化知識和應用的高級礦業(yè)領域人才[4-5]。然而，高校未能及時構建與之相應的人才培養(yǎng)模式，智能采礦工程專業(yè)人才培養(yǎng)仍處于探索階段。

在智能采礦工程專業(yè)培養(yǎng)方案設定中，將礦山測量學課程作為該專業(yè)基礎課程，其重要性不言而喻。礦山測量學課程任務是使學生具備從事礦山測量工作所必需的基礎理論知識、技能和基本素質(zhì)等，為從事地下礦山測量和科學研究打下堅實基礎[6]。在傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)教學中，該課程由課程教學、礦山測量課程設計和礦山測量生產(chǎn)實習構成一個完整的課程體系。面對智能采礦工程專業(yè)的培養(yǎng)方案，如何將“智能測繪”引入礦山測量學課程以豐富課程教學內(nèi)容、改善教學效果，需要教師深入思考[7]。為此，本文以礦山測量學課程為例，從教學內(nèi)容、教學模式等方面，探討智能采礦工程專業(yè)礦山測量學課程教學內(nèi)容中存在的問題與相應的解決對策。

1 智能采礦專業(yè)礦山測量學課程教學存在的問題

礦山測量在礦山發(fā)展中發(fā)揮著關鍵作用，從礦山勘探建設到生產(chǎn)再到廢棄關閉，貫穿礦山全生命周期。礦山測量被譽為礦山的“眼睛”，在保障礦山全生命周期安全綠色開發(fā)中具有重要的實際作用。礦山測量學屬于測繪、采礦、地質(zhì)的交叉邊緣學科。該課程的傳統(tǒng)實驗教學通常在地下礦井開展，因井下環(huán)境復雜，教學過程中存在安全風險大、影響生產(chǎn)等問題，且由于采礦與巖層移動過程不可逆，地層內(nèi)部礦體幾何特征不可見，精密陀螺全站儀等貴重儀器實驗成本高、壽命短，使得課程在實際過程中難以開展學習實踐活動，嚴重制約了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。礦山測量學課程教學過程中主要存在以下問題。

1.1 課程教材陳舊

教材是教學之本，是學生學習、復習的重要參考資料，是教師進行教學工作的重要載體?，F(xiàn)階段面向智能采礦專業(yè)學生教學采用傳統(tǒng)礦山測量學教材，學生經(jīng)常疑惑“智能”在礦山測量中如何體現(xiàn)，礦山測量學教材多集中于對傳統(tǒng)測量技術的介紹，針對先進的測量技術體現(xiàn)較少，因此，急需結合測繪學科發(fā)展，豐富礦山測量學教材內(nèi)容。

1.2 教學內(nèi)容更新慢

教師教學過程中通常結合教材進行課程講解，很少涉及學科前沿知識?，F(xiàn)今礦山測量學課程主講井下平面控制測量、井下高程測量、礦井聯(lián)系測量、貫通測量等主要章節(jié)，而對于非測繪類專業(yè)的智能采礦工程專業(yè)而言，學生對測繪專業(yè)了解不深，難以把智能測繪與智能采礦工程專業(yè)的部分專業(yè)課程（如智能掘進工程設計與施工、智能采礦學、智能礦山設計與優(yōu)化等課程）融會貫通。例如無人機傾斜攝影測量技術、三維激光掃描技術、合成孔徑雷達干涉測量（interferometric synthetic aperture radar,InSAR）技 術 等比較成熟且已在礦山開采沉陷中廣泛應用的測繪前沿技術手段未能及時在教學內(nèi)容中得到體現(xiàn)或體現(xiàn)得不夠充分，導致教學內(nèi)容與現(xiàn)代測繪技術的發(fā)展不協(xié)調(diào)。

1.3 實驗與實習場地缺乏

礦山測量與其他測量工作的工作環(huán)境和工作方式區(qū)別較大，其工作環(huán)境空間有限、光線昏暗，使其難以創(chuàng)造出合適的模擬場景進行實驗和實習，有條件的高校通常在地下停車場建立礦山測量實習場地，但這與井下測量環(huán)境仍有較大差異。同時，隨著礦山安全問題日益受到社會各界的關注，許多煤炭企業(yè)出于安全因素的考慮，通常避免學生進入井下實習，學生到礦上多為參觀式學習，導致理論和實踐嚴重脫節(jié)。再加上學校測量設備短缺、測繪新儀器設備價格昂貴等因素，導致學生很難得到足夠的訓練。由于缺乏實驗和實習的條件，學生學習以教師授課模式為主，導致教學模式單一，降低了學生的參與感，不能發(fā)揮學生的主體作用。

1.4 學生學習動力不足

為了推動煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，教育部開設了智能采礦工程專業(yè)，因受新能源行業(yè)沖擊，煤炭行業(yè)經(jīng)濟下行，智能采礦工程專業(yè)雖然比傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)多了“智能”二字，但學生仍普遍認為其與傳統(tǒng)采礦工程專業(yè)差異不大，畢業(yè)之后想去煤礦企業(yè)工作的不多。同時礦山測量學課程作為測繪類課程之一，與采礦工程類似，學生普遍的認知是畢業(yè)后需要到野外進行測量，因此，對礦山測量學感興趣的學生少之又少。由于行業(yè)經(jīng)濟下滑及從業(yè)特點，學生缺少學習動力。

2 智能采礦專業(yè)礦山測量學課程教學改革探討

針對智能采礦專業(yè)礦山測量學課程教學中存在的不足，結合礦山測量學科的內(nèi)涵（①礦山地面和井下測量儀器與技術方法；②巖層與地表移動的觀測和預計；③礦體幾何、礦圖繪制與儲量管理；④礦山測量法規(guī)和專業(yè)教育）和智能測繪的發(fā)展，在教學實踐中可從以下幾個方面改進。

2.1 更新教學內(nèi)容，強化教學效果

更新教學內(nèi)容是提升教學效果的基礎，結合礦山測量學科的內(nèi)涵和智能測繪的發(fā)展，反復論證智能采礦專業(yè)礦山測量學課程的教學大綱，在保證課程應有的基本理論、知識和技能的基礎上，要將測繪新儀器、新技術、新方法教授給學生，礦山測量學課程傳統(tǒng)與智能采礦工程專業(yè)教學內(nèi)容對比如表1所示。同時，還應對已有的教學方式方法進行改進和提升。此外，除礦山測量學課程教材以外，結合測繪學科的發(fā)展，還應給學生配套與課程相關的輔導書籍，如《礦山開采沉陷監(jiān)測及預測新技術》《InSAR對地觀測數(shù)據(jù)處理方法與綜合測量》等。在課程教材和輔助教材的幫助下，保證教師講課的內(nèi)容覆蓋學科前沿知識，使得學生掌握基本理論知識和技能。同時由于科學技術的不斷發(fā)展，教師在授課過程中要注重培養(yǎng)學生的自學能力，這樣才能不斷提升學生所掌握的知識，進一步鞏固學習效果。

表1 智能采礦工程專業(yè)礦山測量學課程教學內(nèi)容

2.2 融合理論、科研與實踐

教師在授課時要做到課程內(nèi)容與科學研究相結合、理論知識與工程實踐相融合。結合教師的科研項目和團隊科研成果，將測繪領域的新理論、新方法、新技術及時融入課堂教學中，體現(xiàn)學科的發(fā)展動態(tài)，吸引學生的注意力。

如在講授礦山測量中的開采沉陷監(jiān)測時，首先講解開采沉陷機理和監(jiān)測必要性，使學生理解開采沉陷是由于地下煤炭采出后，周圍巖體原有應力狀態(tài)被破壞，應力重新分布后上覆巖層和地表產(chǎn)生的連續(xù)和非連續(xù)移動變形，地表沉陷后將導致房屋損毀、農(nóng)田積水鹽漬化、水土流失等諸多環(huán)境地質(zhì)問題，同時，地表沉陷在時間和空間上是一個動態(tài)發(fā)展的過程，因此，精準獲取地表沉陷對評價地表建構筑物損害程度、預防次生沉陷災害意義重大。圖1為課堂講授的礦區(qū)開采沉陷案例，其中圖1（a）為安徽淮南某礦開采引起的地表沉陷積水，圖1（b）為陜西某礦開采后地表移動變形引起的地裂縫。通過該案例學生可直觀地了解煤炭資源開采后引起的環(huán)境地質(zhì)災害。

圖1 礦區(qū)開采沉陷案例

在此基礎上，引入現(xiàn)階段開采沉陷監(jiān)測方法，主要包括傳統(tǒng)地面測量（如水準測量、GNSS）和新型地表形變測量技術（如InSAR技術、三維激光掃描等）。并對比講解兩種方法的優(yōu)缺點，常規(guī)地面測量方法精度高，但只能進行點線測量，難以獲得面域信息，且費時、費力、成本高，而InSAR技術具備全天時、全天候、大范圍、高頻次、高精度地表形變監(jiān)測的能力。在課堂講授時，結合筆者的科研經(jīng)歷從InSAR算法改進、多源數(shù)據(jù)融合和三維形變監(jiān)測三個方面進行深入講解，拓寬學生視野，培養(yǎng)學生獨立思考和創(chuàng)新性思維的能力。詳述如下：

（1）針對開采沉陷速度快、梯度大以及非線性明顯等特點，導致部分SAR影像干涉對失相干嚴重，使得部分時間段信息缺失，同時時序InSAR利用線性模型反演開采沉陷偏小的問題，利用多項式模型對InSAR反演形變算法進行改進，并利用概率積分模型反演結果替換失相干時段數(shù)據(jù)，聯(lián)合InSAR監(jiān)測結果與概率積分法預測結果，可有效提升InSAR監(jiān)測形變的能力。

（2）由于InSAR監(jiān)測結果無法獲取大梯度形變，且監(jiān)測結果受DEM精度影響，因此利用高精度DEM數(shù)據(jù)可有效提升InSAR監(jiān)測精度。融合SAR數(shù)據(jù)和無人機DEM數(shù)據(jù)、三維激光掃描數(shù)據(jù)等，或融合InSAR監(jiān)測結果和偏移量跟蹤結果、子帶干涉結果等，可有效提高InSAR形變監(jiān)測精度。

（3）礦區(qū)開采沉陷復雜，地表沉陷的同時常伴隨水平移動，直接利用InSAR技術獲取垂直向形變可能對地表下沉/上升出現(xiàn)誤判，無法正確解譯關閉礦井地表沉陷規(guī)律?；谏?、降軌SAR數(shù)據(jù)獲取礦區(qū)地表三維移動變形，可分析關閉礦井地表下沉與水平移動之間關系，同時結合采空區(qū)空間分布、工作面開采等信息，明確礦區(qū)地表三維形變時空演化規(guī)律。

最后，結合實際工程案例解釋說明InSAR技術在礦山開采沉陷監(jiān)測中的應用效果。圖2為課堂講授的InSAR監(jiān)測淮北某礦區(qū)開采沉陷案例，其中圖2（a）為淮北礦區(qū)大范圍地表沉陷InSAR監(jiān)測結果，圖2（b）為淮北某煤礦InSAR精細化監(jiān)測結果與工作面、鐵路等疊加分析結果。在工程案例講解過程中，引導學生思考InSAR技術除了形變監(jiān)測外還可以在礦山測量中得到哪些應用，同時讓學生舉一反三思考三維激光掃描、無人機攝影測量等技術在礦山測量中的應用，并利用課下時間尋找相應的工程案例，通過理論結合實踐，提高學生知識應用的能力，讓學生參與到課堂中來，不僅可以提高學生的學習興趣還能提高教學效果，還可以通過“理論+科研+實踐”，讓學生深入體會技術的發(fā)展帶來的行業(yè)的變革。

圖2 InSAR技術監(jiān)測開采沉陷案例

2.3 引入虛擬仿真實訓平臺

傳統(tǒng)礦山測量實驗教學中，由于場地、儀器限制，導致教師重課堂教學、輕實驗教學，學生參與度低，同時，井下高危環(huán)境下開展該類實驗教學，存在安全風險大、影響生產(chǎn)等問題。隨著虛擬仿真技術的發(fā)展，2017年7月，《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》中明確指出虛擬仿真技術可作為實驗、實習教學的新途徑，鼓勵教師積極探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式。

虛擬仿真教學依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互與網(wǎng)絡通信等技術，構建虛擬化的現(xiàn)實實驗環(huán)境和對象，可使學生切身體會實驗與實習過程，有效地彌補了傳統(tǒng)實驗教學手段的不足?，F(xiàn)今虛擬仿真實驗教學平臺較多（如江蘇省高等學校虛擬仿真實驗教學共享平臺、南方測繪虛擬仿真實訓室、中國礦業(yè)大學礦山測量虛擬仿真實驗中心），為教師開展實驗教學提供了良好平臺[8]。其中中國礦業(yè)大學研發(fā)的礦山測量學虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)涵蓋礦山測量儀器認識、井上下聯(lián)系測量、井下高程測量、貫通測量、陀螺定向等實驗教學內(nèi)容，圖3為礦山測量學虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)操作界面。教師應勇于嘗試虛實混合式的線上、線下聯(lián)合教學模式，將學生引入礦山測量虛擬環(huán)境中，進而提升學生的礦山測量實驗實習興趣，并且通過虛擬仿真教學平臺反復練習可提高學生的實踐技能，使其掌握礦山測量的相關知識，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力，有效地彌補了傳統(tǒng)實驗教學手段的不足。教師有效地利用現(xiàn)有虛擬仿真教學平臺資源，可使課程教學達到事半功倍的效果。

圖3 礦山測量學課程虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)

2.4 融入課程思政

為全面踐行黨的“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，拓展礦山測量的應用領域，筆者教學過程中深入挖掘了礦山測量的應用領域，如露天采礦邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測、尾礦庫監(jiān)測等，并從2023年2月22日內(nèi)蒙古自治區(qū)新井煤業(yè)有限公司礦區(qū)坍塌事故中讓學生了解礦山測量工作的重要性。同時培養(yǎng)學生的職業(yè)素養(yǎng)與職業(yè)道德，并結合國家重大工程案例（如功勛礦“新疆可可托海三號礦坑”、淮南大通國家礦山公園、江蘇徐州潘安湖國家濕地公園等）挖掘課程思政內(nèi)容，讓學生以先輩為楷模，發(fā)揚愛國情懷、增強職業(yè)精神、激發(fā)學生學習動力。

3 結語

礦山測量學課程作為智能采礦工程專業(yè)重要的基礎專業(yè)課，面對專業(yè)發(fā)展的需要，將“智能測繪”有效融入課堂，提升教學效果至關重要。本文針對傳統(tǒng)礦山測量學課程教材陳舊、教學內(nèi)容更新慢、實驗與實習場地缺乏和學生學習動力不足等問題，結合礦山測量學內(nèi)涵和智能測繪發(fā)展，從教學內(nèi)容、理論+科研+實踐、實習實訓、課程思政等方面對智能采礦工程專業(yè)礦山測量學課程教學改革進行了探討，以期提升課堂教學效果，積極調(diào)動學生學習積極性，為智能采礦工程專業(yè)礦山測量學課程教學提供參考。