“礦井動力災(zāi)害”研究生課程案例教學(xué)體系構(gòu)建探索

龔 爽，神文龍，南 華

（河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

一、教改背景和意義

在國家“雙一流”建設(shè)中，研究生教育教學(xué)活動是以培養(yǎng)國家高素質(zhì)科研和技術(shù)人才為目標(biāo)，以提高社會生產(chǎn)力的科學(xué)文化水平為根本任務(wù)的高端教育。教育部發(fā)布的《關(guān)于改進和加強研究生課程建設(shè)的意見》中指出，應(yīng)優(yōu)化課程內(nèi)容，注重前沿引領(lǐng)和方法傳授。根據(jù)學(xué)科發(fā)展、人才需求變化和課程實際教學(xué)效果，及時調(diào)整和凝練課程內(nèi)容，加大課程的教學(xué)訓(xùn)練強度。重視通過對經(jīng)典理論構(gòu)建、關(guān)鍵問題突破和前沿研究進展的案例式教學(xué)等方式，強化研究生對創(chuàng)新過程的理解。加強方法論學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，著力培養(yǎng)研究生的知識獲取能力、學(xué)術(shù)鑒別能力、獨立研究能力和解決實際問題能力［1］。

隨著我國大多數(shù)礦井進入深部開采階段，沖擊地壓和煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害愈發(fā)嚴(yán)重，而且常誘發(fā)其他煤礦重大事故，如自然發(fā)火、突水、瓦斯爆炸等災(zāi)害，造成次生災(zāi)害。由于深部巖體具有高應(yīng)力、高瓦斯、高地溫、高巖溶水壓力的特點，推測未來井下由沖擊地壓和煤與瓦斯突出誘發(fā)的復(fù)合動力災(zāi)害將會愈發(fā)常見，且誘發(fā)災(zāi)變的閾值有可能更低［2-5］。這一發(fā)展趨勢迫切需要一批既具備采礦學(xué)基礎(chǔ)知識，又掌握煤礦深部動力災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警及防治技術(shù)的復(fù)合型人才。河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院礦壓教研室負(fù)責(zé)的礦井動力災(zāi)害課程，其授課對象為礦業(yè)工程方向?qū)W術(shù)/專業(yè)型碩士研究生，該課程以煤礦動力災(zāi)害形成機理及預(yù)警防治技術(shù)為核心，以沖擊地壓擾動響應(yīng)失穩(wěn)理論和煤礦瓦斯動力災(zāi)害防治理論及控制技術(shù)為主要內(nèi)容，涉及煤礦沖擊地壓形成理論、預(yù)測、防治、復(fù)合災(zāi)害以及含瓦斯煤巖破裂及滲透性特征、瓦斯抽放與治理技術(shù)等知識點，使學(xué)生熟悉并掌握當(dāng)前沖擊地壓和煤礦瓦斯動力災(zāi)害的最新監(jiān)測和預(yù)警防治方法。

實時精準(zhǔn)地掌握礦井采掘工作面圍巖礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)是防治各類災(zāi)害事故的基礎(chǔ)，煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)人員既要掌握各種現(xiàn)代化的監(jiān)測技術(shù)手段，獲取大量實時可靠礦壓數(shù)據(jù)，又要理解大量礦壓數(shù)據(jù)蘊含的災(zāi)害信息，實現(xiàn)礦壓數(shù)據(jù)的高效合理利用［6-8］。“礦井動力災(zāi)害”課程將礦井災(zāi)害基礎(chǔ)理論與相應(yīng)現(xiàn)代化監(jiān)測預(yù)警技術(shù)以及數(shù)據(jù)分析方法相結(jié)合，將煤礦深部動力災(zāi)害發(fā)生原理、監(jiān)測方法、預(yù)警技術(shù)融合為一個個實際的案例，有利于增強學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的能力，提高學(xué)習(xí)礦井動力災(zāi)害的興趣，激發(fā)學(xué)生的思維創(chuàng)新能力。

二、課程案例教學(xué)體系構(gòu)建探索與實踐

以河南理工大學(xué)礦井動力災(zāi)害研究生課程案例教學(xué)體系構(gòu)建為例。河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院采礦工程為國家級一流本科專業(yè)、國家級特色專業(yè)、國家級專業(yè)綜合改革試點、教育部卓越工程師教育培養(yǎng)計劃試點專業(yè)，三次通過全國工程教育專業(yè)認(rèn)證，在全國51個開設(shè)采礦工程專業(yè)的高校中排名第4，進入全國A類專業(yè)行列。學(xué)院設(shè)有礦業(yè)工程博士后流動站，礦業(yè)工程一級學(xué)科博士點、礦業(yè)工程一級學(xué)科碩士點、資源與環(huán)境和交通運輸工程2個專業(yè)學(xué)位碩士點；礦業(yè)工程博士點為學(xué)校首個一級學(xué)科博士點，礦業(yè)工程學(xué)科屬河南省一級重點學(xué)科。在以往的礦業(yè)工程專業(yè)碩士研究生培養(yǎng)過程中，研究生選課存在過于隨意和松散，與以往所學(xué)的本科基礎(chǔ)課程重疊等情況。例如，資源與環(huán)境方向的研究生缺少采礦學(xué)、礦井通風(fēng)與安全和礦山壓力及其控制等方面課程，可能會影響他們的課程掌握情況以及未來就業(yè)的拓展需求。同時，部分研究生課程存在不同程度的重疊和交叉，造成教學(xué)資源浪費，教學(xué)和科研間聯(lián)系不夠密切，煤礦現(xiàn)場礦井動力災(zāi)害案例分析內(nèi)容缺乏等問題。

（一）國內(nèi)外礦井動力災(zāi)害研究生課程案例教學(xué)體系構(gòu)建概況

總結(jié)國內(nèi)外礦井動力災(zāi)害研究生課程案例教學(xué)體系構(gòu)建概況，發(fā)現(xiàn)目前與礦井動力災(zāi)害教學(xué)相關(guān)的資料多注重理論知識的講解，另外一些面向現(xiàn)場技術(shù)工人的培訓(xùn)手冊過于煩瑣且缺少對相關(guān)動力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和防治方法的系統(tǒng)化介紹。

（二）礦井動力災(zāi)害研究生課程案例教學(xué)體系特色

煤礦開采智能化、無人化是我國煤炭工業(yè)的發(fā)展方向，實時、高精度、高可靠、非接觸式礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測方法不僅是煤礦動力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的重要手段，同時也是未來煤礦從業(yè)人員必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)。“礦井動力災(zāi)害”課程以礦井動力災(zāi)害實時監(jiān)測預(yù)警為目標(biāo)，使學(xué)生在掌握煤礦動力災(zāi)害誘發(fā)機理的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)現(xiàn)代化實時、遠(yuǎn)距離礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測方法，結(jié)合5G信號傳輸、大數(shù)據(jù)融合分析，實時分析確實礦井煤巖體危險性，課程以實際案例為主體，系統(tǒng)分析各種現(xiàn)代化監(jiān)測手段的應(yīng)用過程，讓學(xué)生能更加清晰、更為深刻地理解煤礦深部動力災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警及防治技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造能力和主動性，提高教學(xué)效果，同時為將來的工作打下堅實基礎(chǔ)。“礦井動力災(zāi)害”研究生課程組成員均參與了多項煤礦深部動力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警項目，在教學(xué)過程中緊密結(jié)合現(xiàn)場實際，已嘗試開展了大量的產(chǎn)學(xué)研項目，積累了豐富的實踐經(jīng)驗。教學(xué)中發(fā)現(xiàn)以實際案例講授各類礦井監(jiān)測技術(shù)效果較好，學(xué)生積極性高，課堂氛圍活躍，為完成本案例教學(xué)體系的構(gòu)建提供了堅實基礎(chǔ)。

（三）課程案例教學(xué)體系構(gòu)建框架

近年來，一方面積極探索構(gòu)建課程案例教學(xué)體系，同時注重各案例教學(xué)的模塊化使用，因此在教學(xué)過程中打破原有學(xué)科的知識體系，將各案例和知識點按照各種不同需求進行組合排列，形成教學(xué)案例模塊化單元，實現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的有機組合。礦業(yè)工程研究生通過本科階段學(xué)習(xí)了相關(guān)基礎(chǔ)課程，如“煤礦開采學(xué)I”“井巷工程”“GIS空間數(shù)據(jù)庫”“煤層氣開發(fā)概論”“巖體力學(xué)與工程”“礦山壓力及其控制”等，對基礎(chǔ)的煤礦開采相關(guān)理論和煤與瓦斯突出相關(guān)知識點的介紹進行了初步的掌握。研究生階段除了學(xué)校的公共課程外，以“現(xiàn)代測試技術(shù)”（32學(xué)時）、“高等工程力學(xué)”（32學(xué)時）、“數(shù)值分析方法及應(yīng)用”（32學(xué)時）、“礦山壓力及其控制”（46學(xué)時）、“煤礦開采學(xué)”（46學(xué)時）、“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”（16學(xué)時）、“巷道圍巖控制原理”（32學(xué)時）為專業(yè)學(xué)位課，同時開設(shè)了“煤地質(zhì)學(xué)”（32學(xué)時）、“煤層氣開采工程”（32學(xué)時）、“采礦技術(shù)前沿進展”（16學(xué)時）、“巷道支護技術(shù)原理”（32學(xué)時）、“微震數(shù)據(jù)濾波分析”（16學(xué)時）、“煤礦巖層控制原理”（16學(xué)時）、“非線性突變與混沌理論”（32學(xué)時）等各類選修課程，輔助以“科技論文寫作”（16學(xué)時）等，注重課程學(xué)科的基礎(chǔ)理論，并兼顧學(xué)科的前沿發(fā)展動態(tài)。

另一方面，在課程案例教學(xué)體系構(gòu)建內(nèi)容和相關(guān)知識點中，始終以煤礦動力災(zāi)害形成機理及預(yù)警防治技術(shù)為核心，以沖擊地壓擾動響應(yīng)失穩(wěn)理論和煤礦瓦斯動力災(zāi)害防治理論及控制技術(shù)為主要內(nèi)容，涉及煤礦沖擊地壓形成理論、預(yù)測、防治、復(fù)合災(zāi)害以及含瓦斯煤巖破裂及滲透性特征、瓦斯抽放與治理技術(shù)等知識點，使研究生熟悉并掌握當(dāng)前沖擊地壓和煤礦瓦斯動力災(zāi)害的最新監(jiān)測和預(yù)警防治方法。案例建設(shè)以礦井動力災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警和防治方法為中心，包含“2類知識點，22個實用案例”，通過介紹深部礦井動力災(zāi)害誘發(fā)機制，分析各類動力災(zāi)害前兆信息，進而將不同儀器監(jiān)測原理、使用方法、注意事項融入到一個個實際案例中，學(xué)習(xí)掌握沖擊地壓擾動響應(yīng)失穩(wěn)理論和煤礦瓦斯動力災(zāi)害防控技術(shù)。本案例庫主要內(nèi)容及相關(guān)知識點如下：（1）沖擊地壓機理知識點；（2）煤與瓦斯突出知識點；（3）沖擊地壓、巖爆、礦震對比分析案例；（4）煤柱沖擊地壓典型案例；（5）采煤工作面沖擊地壓典型案例；（6）巷道沖擊地壓典型案例；（7）堅硬及巨厚礫巖頂板斷裂型沖擊地壓典型案例；（8）斷層錯動型沖擊地壓典型案例；（9）沖擊地壓發(fā)生突跳、延遲的典型案例；（10）沖擊地壓過程煤巖破壞局部化及破裂分區(qū)化案例；（11）沖擊地壓危險性區(qū)域預(yù)測案例；（12）沖擊地壓微震監(jiān)測案例；（13）沖擊地壓危險性電荷監(jiān)測案例；（14）沖擊地壓局部性防治措施效果考察案例；（15）防沖吸能支護方法及效果考察典型案例；（16）開采保護層卸壓范圍考察案例；（17）預(yù)抽煤層瓦斯防突效果考察案例；（18）松動爆破防突效果考察案例；（19）鉆孔排放瓦斯控制范圍考察案例；（20）水力沖孔卸壓范圍考察案例；（21）采前預(yù)抽煤層瓦斯典型案例；（22）抽采開采煤層瓦斯典型案例；（23）采空區(qū)瓦斯抽采范圍考察案例；（24）采煤工作面上隅角瓦斯積聚誘發(fā)瓦斯爆炸典型案例。

各案例融合典型礦井的現(xiàn)場圖片或相關(guān)視頻為導(dǎo)入，結(jié)合講授的知識點介紹各案例的考察范圍及其原理，并將案例類型劃分為解釋型案例，如案例庫（1）沖擊地壓機理知識點和（2）煤與瓦斯突出知識點，解釋這兩種典型動力災(zāi)害的發(fā)生過程及其特征，并對比分析其區(qū)別和聯(lián)系。此外，還有銜接型案例，如案例庫（11）沖擊地壓危險性區(qū)域預(yù)測案例、（12）沖擊地壓微震監(jiān)測案例、（13）沖擊地壓危險性電荷監(jiān)測案例、（14）沖擊地壓局部性防治措施效果考察案例等，屬于順次銜接，層層遞進，首先進行案例（11）的分析，進行沖擊地壓危險區(qū)域的預(yù)警和預(yù)測分析，然后重點分析監(jiān)測手段中最為常用的現(xiàn)場微震監(jiān)測方法及其監(jiān)測的結(jié)果分析，輔以同類監(jiān)測方法如電荷監(jiān)測的相關(guān)介紹，最后針對性地提出沖擊地壓危險區(qū)域的預(yù)警和預(yù)測分析，以及防治方法。最后，還有分析型案例，如案例庫（3）～（7）等，其實現(xiàn)了知識點的由點到線、由線到面的延伸拓展，不斷深入逐漸闡述相關(guān)案例的發(fā)生條件和相關(guān)原理及防治方法。

由于“礦井動力災(zāi)害”課程的內(nèi)容要求，導(dǎo)致其具有與煤礦現(xiàn)場緊密結(jié)合實踐性較強的特點。而“礦井動力災(zāi)害”課程組教師長期致力于煤礦深部動力災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警及防治工作，長期深入徐州礦務(wù)集團、兗礦集團、開灤集團、中國平煤神馬集團、皖北礦業(yè)集團、淮南礦業(yè)集團、大同礦業(yè)集團等煤礦企業(yè)下屬礦井開展沖擊地壓、煤與瓦斯突出防治工作，具備豐富的理論及實踐知識；并且參與多項與煤礦深部動力災(zāi)害防治相關(guān)的縱、橫向課題，對煤巖沖擊傾向性鑒定、微震監(jiān)測、電磁輻射監(jiān)測、聲發(fā)射監(jiān)測、電法監(jiān)測、鉆屑量監(jiān)測、瓦斯壓力測定、瓦斯含量測定、在線應(yīng)力計監(jiān)測等方法有較深入理解，因此可以在課程案例講授過程中，將各種相關(guān)的測試及儀器使用方法給研究生做更為詳盡的介紹。

結(jié)語

結(jié)合“礦井動力災(zāi)害”研究生課程的定位以及實踐性和應(yīng)用性較強的特點，結(jié)合當(dāng)前采礦工程專業(yè)的發(fā)展方向及趨勢，針對性地提出了案例教學(xué)體系構(gòu)建及其教學(xué)優(yōu)化模式，為礦業(yè)工程研究生深入理解掌握礦井動力災(zāi)害的基礎(chǔ)理論提供了更為多樣化的學(xué)習(xí)路徑。教學(xué)實踐表明，該教學(xué)模式不受傳統(tǒng)教學(xué)中時間和空間的限制，通過將豐富生動的現(xiàn)場案例分析、前沿的現(xiàn)代化監(jiān)測技術(shù)以及穿插在課堂中的思政元素及安全工程相關(guān)方法等教學(xué)內(nèi)容的有機結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于學(xué)生對課程內(nèi)容的深入理解和掌握，教學(xué)效果良好。