煤矿安全监测监控技术发展背景下的教育教学改革路径探索

 

吴建斌

 

西安科技大学  安全学院  陕西 西安 710054

 

摘要：随着物联网、人工智能在煤矿领域中的大力推广，现煤矿安全监测监控系统已经从单点监测向全域感知演变，由被动报警向主动预测转变，到2024年中国智能煤矿安全生产监测装置市场总额已超过280亿元，智能化监测装置普及率达到76%。但因技术迭代与人才培养之间的结构问题，不能满足智能化矿山对人才复合型技能需求，需从教育着手实现与产业契合的优良人才供给。因此本研究针对在科技进步大环境下，从“产、教、学”为一体，以模块化课程调整、VR实训场景搭建、构建“双师型”团队、三维考核评价体系创新等方向，进行煤矿生产安全监测监控技术人才的培育。

关键词：煤矿安全监测监控；教育教学改革；产教融合；虚拟现实技术；技能人才培养；智能化监测系统

引言：当前，煤矿行业在安全教育平台上尚未完全跟上科技的发展步伐，在传统的教学形式中，“课堂讲授+固定模型演示”的模式无法真实地模拟井下复杂的环境监控情况，导致学生对多种传感器相互配合控制方法、智能报警方式等关键问题把握不到位，其中，有些学校在教材里仍停留在常用的检测设备的原理介绍，对人工智能故障诊断、数字化矿井模拟等新内容介绍并不全面。这一先进的科学技术与教育落后间的矛盾问题严重制约了煤矿企业生产安全，凸显了教育迫在眉睫需要革新的重要性。

1 煤矿安全监测监控技术发展现状与趋势

1.1 技术演进与核心体系构建

纵观煤矿行业的发展历程，安全监测监控技术的发展趋势呈现明显迭代特征。20世纪80年代到90年代，煤矿行业的监测监控技术处于传统阶段，传统技术主要通过单一类型传感器通过人工检测与记录甲烷、一氧化碳等重要指标的数据，其检测结果存在滞后性并局限于高危区域，如在安全评价中只针对易发生危险的地方进行监测；2000-2010年，因为工业化网络技术普及的应用，监测系统可以实现初步的互联传输数据，如KJ系列监控系统（如KJ90、KJ2000）应用越来越广泛，能够实现地下超过两百个的监测点位数据进行实时传递，但是以太网核心仍然为模拟信号为主，抗扰性能相对较低；进入二十一世纪后，数字化进程加快，光纤传感技术与工业以太网技术广泛运用，可以做到以秒为单位实时采集、数据传输为100Mbps，可实现甲烷浓度变化率、空气流速等十二项参数的连续监测；近几年来，智能化监控技术已经成为主导趋势，人工智能算法与边缘计算设备结合，实现自我诊断与自动调参，少数先进的矿区已经开始使用数字双胞胎的方式进行三维可视化监控，甚至将预警反应时间缩短为毫秒量级。

现有煤矿安全监测监控系统采用典型的层次型架构。数据采集端部署有煤矿井下防爆型传感设备，如瓦斯红外线检测仪、振动光纤边界探测仪等，并通过本安级电子线路实现采场环境数据实时采集；通信网络采用环网络冗余技术+工业级以太网(速率1000Mbps)与5G-UWB融合的网络形式，保证恶劣的电磁环境下的通信安全与通信可靠性；数据处理端采用边缘计算网关+AI推理引擎，对瓦斯超限、设备故障等进行现场快速推理；应用端采用WEBGIS来显示多种类型数据以及开展历史趋势分析、危险预测、紧急指挥调度服务，形成“感知—传输—分析—决策”的闭环管理机制。

1.2 关键技术应用与市场需求

瓦斯监测设备是主导煤矿行业安全监控市场的设备，2024年以38%的市场份额位居首位。该设备由传统的催化燃烧式传感器发展为基于激光光谱检测的技术，设备的响应时间小于20秒，测量范围扩展至0-100%CH4，满足在高浓度瓦斯环境中的长期持续监测的需求。对于高瓦斯矿井大量分布的瓦斯，普遍采用分布式光纤传感系统，利用瑞利散射实现3公里空间内气体浓度的分布式测量，空间分辨率可达一米，进而为采空区瓦斯抽放提供准确参数依据。人员定位系统市场份额为14%，基于UWB技术定位终端可以将定位精度控制在30厘米以内，还可支持跟踪人员路径、禁止区域报警等，一些系统还内置生命特征检测模块，可实时采集心率、体温等生物指标参数。

作为市场占有率为12%的技术创新关键模块，远程视频监控系统主要通过部署于防爆的摄像头与人工智能视频分析技术实施对地下皮带运输机、掘进工作面等关键区域智能化监测，而通过应用深度学习的动作识别技术可以智能化地捕捉到“没有带安全帽”“违章操作”等现象，准确率可达95%，警报发出的时延不足三秒。

2 教育教学改革路径探索

2.1 产教融合下的课程体系重构

针对煤矿安全监测技术发展，对传统教学体系进行重构，需打破传统学科导向的线性结构，建立以岗位能力为核心的模块化课程群。依据煤矿井下安全监测监控系统的技术组成特点，将教学体系分为矿业传感器技术模块（以红外、激光等新型传感器的工作原理和防爆特性为主线）、数据通讯技术模块（以工业以太网、5G-UWB等多种通信技术为基础）、系统软件应用技术模块（以主流监控平台为工具，进行数据采集频次和阈值报警规则设置等方法的传授）、智能分析模块（引入基础数据统计技术（Python语言）、教具学员绘制出甲烷浓度变化图形等内容）以及紧急事件应对模块（设置模拟传感器故障、信号中断等事件，从而加强学员紧急响应和恢复能力）。

将“学中做、做中学”的教学模式引申到教育改革中，使得每个课程模块均成为一个实际工作场景，例如，“瓦斯监测系统安装”这一学习过程包括选择设备、布局设计、参数调节、系统连接等阶段，是基于“教室—实训室—企业现场”的三空间轮转模式，即理论借助智能教室的增强现实技术呈现，操作借助虚拟实验室内半实体仿真实验器的操作，能力则通过与公司合作建立的矿井地下实践场所的操作演练。

2.2 虚拟现实技术在实训教学中的深度应用

应用虚拟现实技术的沉浸式手段解决煤矿安全监测实操问题，关键在于建立高度逼真的煤矿地下环境模型。利用Multigen Creator三维建构工具，精准地还原井下巷道网络分布、设备位置分布和环境物理特性等，结合Vega Prime实时渲染来模拟瓦斯扩散、粉尘迁移等物理过程。系统的数据库汇集了全国20余种典型矿区的地质信息，可根据井下煤矿开采深度和巷道倾角情况自动形成监测场景，并允许用户自由旋转、全方位巡视。事故模拟包含28种典型故障模式，如传感器漂移、线路断开、断电等问题，可通过设置故障概率及发展速度，增强学生对故障的快速发现和处置能力。

对于符合煤矿操作仿真环境的交互设备的要求，选取Cyberglove来跟踪手部动作的运动，并结合Force Feedback力反馈操作杆，实现调整传感器螺丝钉时的扭转力、插入或拔出航空连接器时的摩擦感。同时选择三维鼠标在虚拟环境中操作设备，例如将GJC4型传感器准确放置在距离顶板300mm、距离巷道侧面200mm的距离设定点中。通过眼动追踪来记录学生注视焦点的变化情况，使得老师能够了解学生对于每个重要操作环节的关注程度。

该系统能记录训练过程、自动评档。每次真实训练操作时，系统自动形成操作日记，包括选择设备类型、设备参数设置等23个影响要素，如传感器的校准过程是否完善，排故时间长与短都有详细记录。利用该系统能够与行业要求实时进行标准评档，并标记问题环节。教师可观看学生的操作视频，对每个学生进行针对性教学指导，或者选择典型错误或问题环节供大家讨论学习。

2.3 “双师型”教师队伍建设策略

建立“双师型”教学团队可以采取互换岗位的双重人员交流途径，实现双向流动“三个一批”，一是从企业选拔一批有经验的高级技术专家担任产业讲师，每个星期至少到学校讲课八小时以上，指导实践项目实施方案的编制；二是从学校的教师中派送一批人员到合作的企业去实习，时间不能低于六个月，深入参与到矿井监控系统的改进升级工作中；三是引导年轻的教师报考“1+X”，获得考核官资格。这些措施落实要求首先制定《双师型教师评价标准》，将“参与企业纵向研究任务”、“取得矿产安全标志认证”等作为职称考核加分项。

2.4 考核评价体系的创新实践

建议形成“三维九项”的评价模型改革考试和考核机制，全方位地对学生的知识、技能、综合素质进行全面考评，既打破以往考试的笔试制度，采用“场景模拟分析”的方式，给学生提供一个由一定煤种10天瓦斯观测数据表，写出分析数据曲线变化的因数、产生原因、分析解决问题的过程等三部分内容的报告，还采用计算机智能测试的方法，依据学生的回答情况自主调整试题的难易程度，如连续答出3道低等的问题，自动推送“传感器交叉灵敏度补偿”等高阶题目，最终形成个性化能力评估图谱。

VR实操考试采用“虚拟矿井”的场景，设置10个隐患点，要求考生在2小时以内完成系统监测、隐患识别、参数调节及应急处置的全过程。系统自动记录操作达标率、作业及时率、安全保护覆盖率等多项指标并根据各项指标赋予权重进行总评，并设置“突发状况”测试环节，即在考试60min时突然出现煤气浓度急升，考验考生能否按规范启动报警器、断开设备电源。

“过程+成果”式是指公司对员工做到位和做完事的一种考核方式。当他们在煤矿企业实习时候，会要求其详细填写《监测系统运维工作日志》，记录他们的具体做何事，定期听取企业的指导老师对工作技能的星级认定等，结束后呈交一份关于技术的总结报告，里面包含查找到的系统漏洞、提出该系统的改进方案、落实情况等。同时公司的HR部也依据实习期间他们做出的表现呈交一份《岗位能力评估报告》，成为学生毕业的硬性要求，这样使得学生的实践付出不再是被动地学习，而是主动寻求成长的可能性。

结束语：综上所述，煤矿安全监测监控技术的迭代升级与教育教学改革之间存在深刻的辩证关系。当前，智能化监测技术正以前所未有的速度重塑煤矿安全生产格局，这要求教育工作者必须保持改革定力，持续优化课程体系、创新教学方法、深化产教融合。唯有将技术发展最新成果转化为教育教学资源，才能培养出既懂传统监测技术又掌握智能系统运维的复合型人才，为煤矿行业高质量发展筑牢安全防线。教育教学改革是一项长期工程，需要政府、院校、企业协同发力，在实践中不断探索适应产业需求的新路径。

参考文献：

[1] 洪卫东,孙泽宏,周波,等. 煤矿安全监控教学实验系统设计与实现 [J]. 淮南职业技术学院学报, 2022, 22 (05): 100-102.

[2] 陈志峰,李峰,徐立军. 安全检测技术课程在实验教学中的改革与实践 [J]. 黑龙江科学, 2022, 13 (01): 144-146.

[3] 曹瑞琴. 新形势下煤矿安全培训教学方法研究 [J]. 矿业装备, 2021, (03): 188-189.

[4] 刘其蒙. 信息时代如何做好煤矿安全教学方法研究 [J]. 科技创新导报, 2021, 18 (04): 184-186.

[5] 霍清华. 新形势下煤矿安全培训教学方法研究 [J]. 能源与环保, 2020, 42 (10): 67-69+78.

 

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