中国矿业大学（北京） 周心权 教授 62331942 vipzxq@vip.sina.com 矿山安全实验指导书 中国矿业大学（北京） 周心权 教授 62331942 vipzxq@vip.sina.com

中国矿业大学（北京） 周心权 教授 62331942 vipzxq@vip.sina.com 实验一矿井灾害的模拟和可视化实验 中国矿业大学（北京） 周心权 教授 62331942 vipzxq@vip.sina.com

实验目的 1. 了解矿井灾害的模拟及可视化显示技术的意义、分类、优缺点及相关仪器、设备的使用方法； 2. 深刻理解矿井火灾（爆炸）发生特点和危害性，以及事故救灾特点。

原理说明 矿井火灾不仅能使矿井遭受巨大的物质损失，同时也是导致井下职工伤亡的重大渊源。矿井火灾发生都非常突然，常常出人预料，而且发展迅猛、激烈，由于井下风流状态的急剧变化而可能造成更大的事故，如可燃气体爆炸。对事故调查分析中存在较大的争议，如救灾决策措施、火源和爆源的位置、爆炸性积聚瓦斯的来源，很难使用手段清楚直观地标示和说明。而根据事故的发生环境、事故发生过程、救灾措施的实施过程和实施效果，利用模拟技术模拟事故的客观过程，再建立矿井灾害的可视化显示系统，可以重现事故发生时的场景和发生过程，再现瓦斯爆燃、火灾扑救、瓦斯爆炸等过程。给矿井事故调查分析提供一种手段，也为同行和各级管理者提供科学直观的体验，以使同样的事故不再发生。

原理说明 虚拟可视化系统就是要利用各种先进的硬件技术及软件工具，设计出合理的硬件、软件机交互手段，是参与者能交互地观察和操纵系统生成的世界，其具有沉浸—交互—构想的特点。利用模拟和虚拟显示技术可以模拟火源周边环境的虚拟表现、火灾发展过程的虚拟表现、火灾扑灭过程的虚拟现实表现。系统的的基本手段和目标就是利用并集成高性能的计算机软件硬件及各类先进的输入输出设备，去创建一个能提供具有身临其境的沉浸感、具有完善的交互作用能力、能帮助和启发构思的信息环境。

原理说明 用 户 输 入 设 备 输 出 设 备 输 入 处 理 输 出 处 理 图 像 声 音 艺术制作 …… 合 成 可视化系统平台 用 户 输 入 设 备 输 出 设 备 输 入 处 理 输 出 处 理 图 像 声 音 艺术制作 …… 合 成 可视化系统平台 计算机系统 虚拟现实系统的一般构成

原理说明 1. 输出设备。计算机监视器加上一副立体眼镜，是最简单的VR显示输出设备，计算机在监视器上同时产生两个独立的图像，用户带上立体眼镜后就能看到一个立体图像。VR的声音效果包括音响和语音效果。由音频卡和立体声设备将电子信号变成立体声。给虚拟物体配上声音，人的耳朵根据声音判断其大致距离和方向；这样与眼睛看到的虚拟物体图像信息同时传到大脑，大大增强临境效果。此外，VR尚有带力觉输出的设备，如数据手套和操纵杆等。 2. 输入设备。VR通过输入设备接收来自用户的信息。其输入设备主要有：①数据手套②三维球③6自由度鼠标④生物传感器⑤头部跟踪器⑥语音输入。

原理说明 3. 虚拟环境生成器。 其功能是根据任务的性质和用户的要求，在VR工具软件和数据库的支持下产生多维的虚拟环境，并使用户具有亲临其境的沉浸感和交互能力。VR工具软件用来接收来自用户的输入信息，调用各种数据库，选用各种CAD软件，生成三维显示图形等。 4. 高性能的计算机处理系统。VR生成虚拟环境中的图像、音响和压力，通过人机接口系统作用到用户的感觉器官，并实时通过传感器测试和跟踪用户的行为与反应，将得到的输入数据反馈到VR中，经计算机处理后再生成新的图像、音响和作用力，如此不断循环。由于人的视觉系统要求视频图像的刷新速度很快，因而要求计算机系统具有高处理速度、大存储容量和强联网特征。

实验设备 矿山非投入式虚拟现实显示系统

实验内容 矿山虚拟显示显示系统的原理及使用方法。矿井火灾、爆炸的发生发展过程及不同典型事故的模拟和可视化演示。 。 1. 系统连接及检查。 2. 虚拟显示软件的基本使用方法。 3. 虚拟展示系统的启动及检查。 4. 矿井火灾（爆炸）过程及典型事故的模拟及可视化展示。

注意事项 1. 投影仪必须安装在有清洁空气流入流出的地方，要保持室内环境。 2. 要避免室外光线直接射到屏幕，面向屏幕的窗口使用不透明窗帘遮挡。 3. 不要自行随意拆卸设备。 4. 注意虚拟展示系统的正确启动程序。

思考题 1. 除了虚拟现实可视化形式外，还有那些可视化手段？ 2. 虚拟现实显示手段对事故分析、调查以及安全培训有何用途？ 3. 对矿井灾害虚拟现实显示系统可以显示那些内容？

实验报告 1. 试验报告包括实验目的、内容、操作步骤。 2. 操作和演示内容的描述。 3. 对思考题的论述。 4. 其它（包括实验心得、体会及意见等）。

《矿山安全工程》（防尘部分）实验教学指导书 中国矿业大学（北京）

实验一 自动界面张力仪的使用与界面张力的计算 实验一 自动界面张力仪的使用与界面张力的计算 中国矿业大学（北京）

实验目的 1. 熟悉全自动界面张力仪的原理、结构、使用方法等； 2. 进行实际操作，测定出各种实验液体的表面及界面张力值，并进行分析。

实验原理 1．铂金环浸入液体一定位置 2. 被测液体玻璃器皿下降，铂金环与被测液体之间的膜被拉长，使铂金环受到一个向下的力，膜逐渐拉长，张力值逐渐增大，最大值就是液体的实测张力值P ３.通过传感器及电路处理自动显示出张力值P ４.张力值P再乘以该液体的校正因子F（取决于实测张力值P，液体密度，铂金丝的半径及铂金环的半径），即是液体的实际张力值V,即V＝P×F

实验仪器 全自动界面张力仪

实验步骤 １.仪器调水平 ２.检查磁芯自由下垂、扭力丝张紧、杠秆臂水平 ３.打开电源稳定１５分钟 ４.对于测表面张力，把25度的试样倒入玻璃杯中20～25㎜高，使铂金环深入5～7处 ５.使被测液体下降最终测出最大值就是液体的实测表面张力值P 6.计算出实际的张力值V=P×F

实验注意事项 1. 试验前应进行仪器的校验，用质量法校验： 1）仪器安装好后，在铂金环上放一小纸片，调零； 2）小纸片上放一1000㎎的砝码显示值为 81.7±0.1； 3）若误差不在此范围，可通过可调电位器调整； 2. 仪器的技术参数和测量范围 1）测量范围0~199.9mN/m； 2）分辨率0.1 mN/m； 3）示值相对误差小于１％

预习和思考题 仪器的用途、使用领域，界面张力测定的目的和作用。

实验报告要求 1.列表记录实验数据，并计算各被测液体的界面张力 2.计算实验的绝对误差与相对误差 3.其它（包括实验心得、体会及意见等）

实验二 接触角测定仪的使用与计算 中国矿业大学（北京）

实验目的 1. 熟悉接触角测定仪的原理、结构、使用方法等 2. 进行实际操作，测定出各种液体对固体的接触角及液体对固体的浸润性，并进行计算与分析

实验原理 液滴法 １.先转动目镜中的两条十字线与液滴两侧相切 ２.使目镜的圆心与液滴的顶点A重合 ３.转动目镜的十字线，使其中一条线通过液滴和试样接点Ｂ，此线和试样平面夹角为θ/2

实验仪器 接触角测定仪

实验步骤 1.试验准备 1) 仪器及试样工作台找水平 2) 固体试样置于工作台上，用弹簧片压紧 3)液体调整器抽取液体后装在支架上，旋转测微头在针头形成液滴 4)上下移工作台使液滴留在试样上 5) 水平移工作台使液滴在目镜中心 6) 按工作原理的方法读取接触角θ

实验步骤 2. 试验测定 1）先转动目镜中的两条十字线与液滴两侧相切 2) 工作台上移，使目镜中的圆心与液滴的顶点A重合 3) 转动目镜的十字线，使其中一条线通过液滴和试样节点B，此线和试样平面的夹角为θ/2

实验注意事项 1. 测量温度范围:室温~190℃ 2. 仪器放大倍率 30X、50X、100X、150X

预习和思考题 仪器的用途、使用领域测定各种液体对固体的接触角及液体对固体的浸润性的意义和用途。

实验报告要求 1.试验的主要步骤操作方法 2.列表记录实验数据，并计算各种液体对固体的接触角，分析各种液体对固体的浸润性 ３.计算实验的绝对误差与相对误差 ４.其它（包括实验心得、体会及意见等）

实验三 粉尘浓度的测定与分析 中国矿业大学（北京）

实验目的 1. 熟悉不同类型份尘测定仪的原理、结构、使用方法等 2. 进行实际操作，测定出各种液体对固体的接触角及液体对固体的浸润性，并进行计算与分析

实验原理 可吸入粉尘个体采样器用来测定佩带者在采样时间内所吸入的呼吸性粉尘和全尘量，仪器的可吸入离子标准曲线按BMRC曲线（约翰内斯堡曲线）设计和标定。

实验仪器 1．可吸入粉尘个体采样器 2. 定点粉尘采样器 3. 电子天平 4. 电热干燥箱1台 5. 专用滤膜，样品盒，冲击板等

实验步骤 1.充电13个小时以上 2.调定流量2.0升/分 3.将烘干的滤纸装入采样头，现场采样 4.采样结束后，分别收集第1、第2级测得的粉尘量，50度下烘干半小时 5.用电光天平称重

预习和思考题 1.测定和分析不同产尘地点人员接触的呼吸性粉尘、全尘浓度、比例 2.思考粉尘污染状况，尘肺病与粉尘浓度关系，粉尘防治的重要性等

实验报告要求 1. 试验的主要步骤操作方法 2. 列表记录实验测定数据，并计算不同产尘地点的呼吸性粉尘和全尘浓度，分析各类人员接尘的水平 ３.其它（包括实验心得、体会及意见等）

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