0 引言
隨著礦山開采深度增加和采掘機械化程度的提高，礦井通風與空調對于礦井建設和生產有著越來越重要的意義?！兜V井通風與空氣調節》屬于國家精品課程，是采礦工程與安全工程的主干專業課，由于課程的實踐性和工程性強，涉及知識廣，理論知識抽象，通風網絡復雜等問題，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，該課程進一步系統地教學面臨挑戰。
通風是一門抽象的學科，教學過程中面臨網絡解算、通風設計和優化、通風系統演示、通風立體圖繪制等難題，傳統教學方式普遍采用黑板或ppt，二維靜態文字與圖像難以達到教學目的。緊隨數字礦山飛速發展的步伐，運用可視化手段來模擬真實礦山，營造一個虛擬現實的通風系統，它近或優于真實的系統，借助通風軟件教學彌補傳統教學的不 足，大大提高了教學效率。iVent是集三維通風網絡設計、風網調節與模擬和風網解算與優化為一體的礦井通風軟件系統，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節的基本理論，鍛煉通風設計和管理的能力，掌握應用軟件的技能和解決實際問題的經驗。
1 課程性質、特點及面臨挑戰
1.1 課程性質
《礦井通風與空氣調節》作為采礦工程和安全工程專業的一門必修核心專業課，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、基本設計、基本測定、基本管理(“七基”)為核心，系統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、礦井通風網絡風量分配與調節、掘進工作面通風、礦井通風系統及其設計、礦井通風測定和通風系統管理、礦井熱環境調節、礦井防塵與排氡，并使之融會貫通。通過理論教學、實驗、實踐和課程設計，使學生掌握非煤礦山礦井通風與空調的基本理論和基礎知識，具有礦井通風設計、管理的能力。
1.2 課程特點
礦井通風與空氣調節是一門專業性和實踐性強的課程，是理論、實驗、實踐、設計和管理的有機結合。該課程具有以下特點:
(1)實驗性強。實驗內容包含：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《地質學》、《采礦學》、《地下施工》相配套，在其后開設。它是以復雜圖形和網絡計算為教學基礎的學科，涉及圖論的知識、網絡數學模型分析、復雜網絡自然分風電算等，需要有較強的基礎課功底。
(3)內容多、難點多，知識層次清晰，內容環環相扣。后期的課程設計充分體現了課程的實踐性，將全書內容貫通融入到實際的礦山通風系統設計中，進一步鞏固所學知識，理論聯系實際。
1.3 課程特點
(1)實驗方面 課程設置了較多實驗，但實驗條件有限，實驗室建設需要較大場地和較多經費，現有的實驗器材和實驗方法無法測量出理想的數據，實驗誤差大，少數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，與之相適應的教學方法需要形象豐富，除常規教學講解外，還要開展課堂提問討論、實驗課、上機解算復雜網絡、課程設計、等多種教學方式，常出現課時不夠的現象。尤其是在復雜網絡解算這一塊，必須借助軟件才能算出結果，傳統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，以便課后復習鞏固。
(3)課程設計 課程涵蓋的知識較廣，不僅需要熟悉礦山各個系統，還需要對整個礦井通風系統結構、功能、安全、技術經濟指標進行分析。難點多，知識環環緊扣。結課后的課程設計更是貫通了整本書的知識，同時還得對礦山的整個構架有清晰的了解，其中，風量和阻力的計算量大;并進行風機聯合運行的穩定性分析復雜;看懂抽象的開拓系統圖、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思想構架及教學意義
2.1 iVent主要功能
iVent礦井通風系統系統是在Dimine平臺上專門為礦井通風業務研發的一款軟件，該系統基于Dimine數字采礦平臺核心技術構建，是在三維仿真基礎上的通風系統設計、通風網絡結算、三維通風狀態模擬作業平臺。主要功能涵蓋：風網設計、風網解算、風網調節、結算報告輸出、風機數據庫管理風機構筑物模擬、需風量計算、循環風警示、最大阻力路線提取。
2.2 iVent系統特色
iVent礦井通風系統特色主要體現在以下幾個方面：
(1)兼容dmf、dxf、dwg數據格式，可實現開拓系統與通風系統、通風數據轉與生產設計數據的相互轉換;
(2)軟件系統在真三維環境下進行軟件設計，在編輯過程中動態維護拓撲關系，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點，有效降低風網復雜度;
(4)可模擬風窗、風門、風墻、降阻措施等通風調節措施在風網中的調節量;
(5)基于獨立網孔法的回路風量計算方法，解算快速、穩定，千條風路10s內解算;
(6)全面、詳盡、準確的風機數據庫;
(7)支持對于風機串并聯情況下的風機優選，協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、通路發等多種局部風量調節方法，為不滿足需風量要求的位置提供調節方案;
(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，對推動課程的發展、培養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是為礦井通風業務開發的一款作業軟件，借助軟件能輔助課程實驗，快速明確實驗目的，校驗實驗數據，快速處理數據，分析結果。
(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動學習的熱情，幫助教師講解抽象的內容，可以把學習通風軟件可列為教學內容的一部分，讓學生親自感受軟件的交互性。在復雜網絡的解算上，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)程設計是對全書內容的鞏固，iVent每個功能的開發都服務于三維通風網絡設計，極大程度上解決了課程設計無從下手和工作量大的問題。國內礦山數字化已有一定基礎，培養學生使用iVent，符合目前礦山信息技術型人才的需求。
3 應用實例
3.1 iVent應用于復雜網絡解算與風量調節
iVent有著快捷的解算功能，精確的選擇風機對復雜通風網絡進行解算，對整個礦井風量分配、風機運行情況進行模擬;另外，iVent也有著強大調節功能，可以通過“手動調節”、“回路法”或“通路法”調節。最后，iVent以動畫的方式清楚形象的傳達解算結果和風量調節方式，如圖1所示。
圖1 通風網絡解算與調節動畫模擬部分截圖
3.2 iVent應用于課程設計
結合iVent進行通風系統的課程設計，具體步驟如下：
(1)將井巷工程的.dmf文件導入系統實現自動構建風網，根據總體結構擬定通風方案、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，對通風網絡進行必要的巷道添加和編輯、風機添加等調整與修改。
(2)運用需風量計算屬性參考工具，根據規程要求快速計算回采、掘進、硐室需風量，為需風點風量設置提供依據，省卻繁瑣的手工計算過程。
(3)運用摩擦阻力系數庫屬性參考工具，使阻力計算更科學。提供了循環風、最大阻力線路、節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節，提取最大阻力路線。
(4)在未設置風機時，可以根據工況風量和風壓，運行虛擬風機，進行網絡解算，運用全面、詳盡、準確的風機數據庫，協助用戶快速選擇當前工況情況下的合適風機。
(5)使用數據統計，對視圖內巷道、風機、構筑物，進行整體統計，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，輔助進行風網的調節;具有回路法、通路法多種調節方法，調節中創造性考慮降阻調節。
(7)在設計的整個過程中，已在編輯和調整整個風網，設計結束，即完成通風網絡圖、立體圖的繪制，無需單獨安排課時繪圖，如圖2所示。
圖2 iVent應用與礦井通風課程設計
4 結語
礦井通風的課程教學應注重理論與實踐的有機結合，突破重點和難點，掌握礦山通風與空氣調節基本規律和基本原理，并將其應用于實際的通風設計中，培養學生礦井通風設計和管理的能力。
iVent集三維通風網絡設計、風網調節與模擬和風網解算與優化為一體，不僅能應用于抽象知識的教學、實驗的指導，還能快速設計礦井通風系統，它與傳統教學互補，虛擬可視化平臺使教學更加生動、直觀、高效，將教學內容由靜態變為動態，抽象變為形象。在課程設計中，iVent能引導設計者快速理清設計思路，將所學知識串聯起來，避免繁瑣的計算過程，全方位培養學生通風設計的能力，為在畢業設計和實踐工作中運用此類軟件奠定基礎。
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聲明：
“iVent軟件在礦井通風教學中的應用與實踐” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業用途，請聯系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發明人(作者)
600
編輯：吉利娜
來源：中南大學、煤炭資源與安全開采國家重點實驗室、中南大學數字礦山研究中心
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