矿井风网三维仿真技术研究与系统设计

梁军,张庆华,李明建,等.矿井风网三维仿真技术研究与系统设计[J ].矿业安全与环保,2019,46(2):57-60.文章编号:1008-4495(2019)02-0057-04矿井风网三维仿真技术研究与系统设计梁　军1,2,张庆华1,2,李明建1,2,姚亚虎1,2(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400037;2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆400037)摘要:针对目前大多数煤矿对局部通风管理薄弱的现状,为保证通风系统稳定㊁可靠地向井下各用风地点输送足够的新鲜风流,以达到稀释井下有害气体浓度㊁调节井下环境温度等目的,基于三维仿真技术研发了矿井风网三维仿真系统㊂介绍了该系统的技术框架,阐述了系统设计思路㊁软件系统架构及功能等,应用实例表明,矿井风网三维仿真系统能够实现矿井风流实时模拟㊁巷道通风情况动态显示,一旦发现通风异常情况能够提供实时报警信息,可为矿井通风安全管理提供有效技术手段㊂关键词:矿井通风;三维仿真;实时模拟;安全管理;实时报警中图分类号:TD724;TD76 文献标志码:B收稿日期:2018-04-13;2018-08-28修订基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFC0801404);重庆市 科技创新领军人才支持计划”项目(CSTCKJCXLJRC14)作者简介:梁　军(1983 ),男,四川宜宾人,工程师,主要从事通风安全技术研究㊁矿业软件系统研发工作㊂E -mail :276882093@ ㊂Technology Research and System Design on Three-dimensional Simulation ofMine Ventilation NetworkLIANG Jun 1,2,ZHANG Qinghua 1,2,LI Mingjian 1,2,YAO Yahu 1,2(TEG Chongqing Research Institute ,Chongqing 400037,China ;2.State Key Laboratory of the Gas Disaster Detecting ,Preventing and Emergency Controlling ,Chongqing 400037,China )Abstract :In view of the current situation that most coal mines have weak local airflow management,in order to ensure that the ventilation system can stably and reliably deliver enough fresh airflow to the downhole wind locations to dilute the harmful gases in the underground and adjust the mine temperature.Based on three -dimensional simulation technology,the three -dimensional simulation system of mine ventilation network was developed.This paper introduces the technical framework of the system,and expounds design idea of the system,architecture and functions of the software system,etc.The application example shows that the three-dimensional simulation system of mine ventilation network can realize real-time simulation of mine air flow and dynamic display of roadway ventilation,once the abnormal situation of ventilation is found,it can provide real-time alarm,which can provide effective technical means for the safety management of mine ventilation.Keywords :mine ventilation;three-dimensional simulation;real-time simulation;safety management;real-time alarm 矿井通风系统是一个复杂立体的网络结构,随着井下开采工作的进行,巷道增加及通风设施的增多,使其变得越来越复杂㊂如果通风系统管理不到位,则不能及时向井下各用风地点提供足够的新鲜空气,且有可能因不能及时稀释有害气体,导致井下有害气体积聚,甚至引发瓦斯爆炸等重大矿井灾害事故,严重威胁井下作业人员的生命安全,造成重大财产损失㊂借助于现代化的计算机三维仿真技术,实现矿井通风系统三维可视化[1-2],模拟井下风流流动,动态分析井下通风情况,发现通风系统安全隐患,可为矿井通风可靠性监测提供有力的技术支撑㊂1　矿井三维仿真技术框架分析矿井通风网络是一个复杂的流体网络,井下巷道情况复杂且不规则[3],通风风流经过各种通风设施调控,给用风地点提供足够的新鲜风量,且涉及到多种设施设备(风门㊁密闭墙㊁局部通风机等),因此进行计算机仿真三维模拟矿井通风系统是一道复杂的工序,其技术流程如图1所示㊂㊃75㊃图1　计算机仿真三维模拟通风系统技术流程图1.1　图形平台及数据库国内外成熟的三维仿真图形接口平台众多,结合实际需要,选择Microsoft DirectX作为三维仿真图形平台,其拥有图形绘制㊁模型渲染㊁音频㊁文本渲染,以及多目标GPU编程等出色仿真技术基础㊂提供大量API,可为Windows程序提供高性能的硬件加速和多媒体支持,且支持包括:C++,JAVA等编程语言,具备优良的二次开发功能㊂矿井巷道及通风设施设备属性数据存储采用Microsoft SQL Server2008㊂1.2　矿井建模及数据表设计依据矿井通风系统仿真模拟需要,利用3D MAX模型建模软件构建的模型有:巷道模型㊁风门模型㊁密闭模型㊁主要通风机模型㊁局部通风机模型及场景模型[4-6]㊂各模型构建及基础数据设计如下:1)巷道模型:巷道模型是矿井风网三维模拟基础模型之一,是矿井风网三维仿真的主要构建模型㊂通过矿井采掘工程平面图获得巷道基本空间信息,即经纬度坐标及高程,实时构建井下各种形状巷道模型,实现巷道风流动态显示,利用三维贴图功能实现巷道表面显示风流标识,且根据巷道风速大小(风速越大风流标识移动越快)动态展示巷道风流方向及风速大小㊂2)风门模型:风门是调节通风网络的重要通风设施,主要包括几种类型:正反风门㊁调节风门㊁自动风门等㊂在三维仿真通风系统中,风门依附于巷道存在,在巷道内部显示㊂3)密闭模型:密闭墙是井下重要的封闭设施,是井下三维仿真的重要模型,巷道密闭后就不能通风,废弃的巷道都要进行密闭㊂4)主要通风机模型:主要通风机位于地面,是整个矿井通风系统的 发动机”,通过其运转产生正压或负压,使井下空气流动起来形成风流,地面新鲜空气从进风巷道进入后经回风巷道排出㊂5)局部通风机模型:局部通风机一般位于掘进巷道进风侧,从进风巷道抽取新鲜风流,利用风筒输送到掘进巷道掘进端头,满足通风要求㊂6)场景模型:其他模型包括一些属于通风系统的三维模型,是使三维仿真系统更加逼真而加入的模型㊂各模型属性数据表设计内容如表1所示㊂表1　各模型属性数据表设计内容数据表类别数据表字段巷道属性表编号坐标名称断面支护方式断面形状巷道用途所在采区风量风速风阻解算模式风门属性表编号坐标所在巷道编号名称状态风阻类型所在采区密闭属性表编号坐标所在巷道编号名称类型所在采区建筑地点建筑时间建筑材料墙厚主要通风机属性表编号坐标所在巷道编号名称型号状态风硐断面出口断面静压风量功率效率局部通风机属性表编号坐标所在巷道编号名称型号状态功率风量场景属性表编号坐标名称备注1.3　三维仿真场景构建及展示基于Microsoft DirectX开发出的矿井三维通风系统,可根据矿井工程平面图和通风系统图获取基础巷道坐标及风向信息,经过整理后首先生成各种类型巷道矢量模型,建立井下巷道三维模型场景,再根据场景信息,加载巷道内通风设施设备模型,如风门㊁局部通风机等,最后加载地面建筑模型及其他模型,完成三维场景构建㊂矿井三维仿真展示如图2所示,根据三维场景中摄像机位置及其生成的视锥体对三维场景中模型进行裁剪,裁剪算法根据巷道及设施设备模型的坐标信息,计算其坐标信息是否位于视锥体可见区域内,最终只展示视图区域内巷道及设施设备,大大提高了系统显示的运行效率[7-8]㊂图2　矿井三维仿真视锥体㊃85㊃2　矿井风网三维仿真系统设计矿井通风系统是安全生产的重要保障,许多因素制约和影响着通风系统的稳定,所以为了保障通风系统的稳定可靠,需要一种手段对其进行分析,及时发现安全隐患㊂目前大多数矿井在通风作业中都存在一些问题,例如:测风工作量大,测量不到位,测定的数据精确度较低,管理部门很难实现对矿井通风系统进行全局把握和可视化管理,精准控制用风区域风量难度高㊂有鉴于此,利用矿井风网三维仿真系统对矿井通风系统基础参数进行测定和分析建模,可及时发现安全隐患,保障矿井通风系统安全运行㊂2.1　系统设计思路1)强化系统参数管理模式,实现快速建立计算模型㊂系统建立标准参数数据处理体系,提取各种通风系统基础数据,实现快速构建通风网络,数据间快速关联分析[9-11]㊂2)灵活数据架构设计,实现数据兼容,适应不断变化的数据结构类型㊂针对目前行业并没有统一的数据结构标准,为适应不同地区,以及单位自身的数据结构,设计开放性的数据架构,使系统具有可扩展㊁可修订等特性,为系统的推广应用提供良好的数据兼容基础㊂3)建立通用工具式软件系统,实现设计通用工具,适应不同通风系统构建㊂系统设计友好的界面操作工具,使工程技术人员能轻松完成三维巷道场景建立,通风网络拓扑构建㊂2.2　软件系统架构矿井风网三维仿真系统采用成熟Client/Server 结构(C/S结构)[12],基于Microsoft DirectX可充分利用两端硬件环境的优势,将三维场景更加流畅展示;采用COM技术实现灵活工具化操作,保证系统的兼容性与灵活性㊂软件系统体系架构如图3所示㊂图3　矿井风网三维仿真软件系统体系架构图从总体上看,该系统是在标准编码体系及安全保障体系基础上,以数据为基础,以Microsoft DirectX 及.net框架为支撑开发的通风网络三维仿真系统㊂2.3　软件功能设计2.3.1　三维场景仿真功能场景展示功能:包括视角变换㊁视角保存㊁前一视角㊁后一视角㊁图层管理㊁巷道定位㊁设施设备定位,以及巷道漫游㊁指北针显示等㊂场景编缉功能:系统提供一系列工具,新建巷道㊁局部通风机㊁风门㊁风筒等,用户可灵活添加删除㊂数据展示功能:在巷道外部根据需求显示巷道名称㊁风量㊁风速等㊂根据不同属性数据,可对三维场景进行重新渲染㊂2.3.2　通风网络解算功能数据完整性:检查巷道㊁风机㊁风门等通风网络属性数据的完整性㊂通风网络完整性:检查构成通风网络巷道与节点之间关系的完整性,查看最小生成树㊂通风网络解算:系统采用斯考德 恒斯雷(Scott-Hensley)算法对通风网络进行解算,该算法首先为选定的回路赋初始风量,求解回路风量校正值得出回路校正风量,经过迭代计算,最终得出接近真值风量[13-14]㊂2.3.3　通风系统分析功能巷道异常分析:根据解算出的巷道风量,综合巷道参数及用途得出巷道需风量,当解算出的风量小于需风量,则该巷道供风不足,给出报警[15],在三维场景中进行闪烁提示㊂各类巷道风速建议报警区间如表2所示㊂表2　巷道风速区间巷道类型允许风速/(m㊃s-1)最低最高无提升设备的风井和风硐15专为升降物料的井筒12风桥10升降人员和物料的井筒8主要进㊁回风巷8架线电机车巷道1.008运输机巷,采区进㊁回风巷0.256采煤工作面,掘进中的煤巷和半煤岩巷0.254掘进中的岩巷0.154其他通风人行巷道0.15循环风分析:在掘进工作面进风侧,若进风巷道解算风量小于局部通风机供风风量,则该掘进工作面易形成循环风流,易造成瓦斯积聚,引发事故,系㊃95㊃统对于这种情况给予报警㊂最大阻力路线分析:系统利用Dijkstra算法确定矿井通风最大阻力路线,为通风系统优化改造提供技术支撑㊂3　应用实例3.1　系统建设目标山西霍尔辛赫煤业有限责任公司位于长治市长子县东部,其井田位于沁水煤田,通风方式采用中央分列式㊂目前,矿井通风作业中普遍存在一些问题,例如:测量工作繁重㊁监测数据反馈滞后㊁通风系统实时运行情况无法掌握㊁整体可视化困难等㊂为了做好矿井通风系统技术管理工作,进一步保证安全生产㊁及时掌握矿井风网系统的实时运行情况,建设矿井风网三维仿真系统,可以达到有效管理和掌握矿井通风系统,及时发现并消除安全隐患的目的㊂3.2　系统建设步骤步骤一:利用该矿井采掘工程平面图与通风示意图提供的地理信息及风流信息,构建基本通风三维场景;同时自动生成通风网络的拓扑关系;利用系统提供的多种巷道参数处理方式,快速加入巷道基础参数数据㊂步骤二:利用矿井局域网与工业环网,建设矿井风网三维仿真系统网络,其结构如图4所示㊂图4　矿井风网三维仿真系统网络结构图步骤三:通过采集井下安设的风速㊁风压传感器的实时监测数据,分析该矿井风网的通风安全性与稳定性,监测通风异常和安全隐患;若有异常出现,则在三维仿真系统中定位异常巷道,并发出报警信息㊂3.3　系统运行效果山西霍尔辛赫煤业有限责任公司矿井风网三维仿真系统建设有效,利用井下现有和增设的风速㊁风压传感器的实时监测数据,对井下各用风地点及重点监控区域的通风安全状况进行分析,当发现通风异常,如通风阻力异常㊁循环风隐患㊁风流短路㊁局部通风机停机㊁工作面煤与瓦斯突出等实时发出报警信息;达到了实时掌握全矿井通风系统运行现状,及时发现和消除通风异常情况,避免和减少灾害损失的目的㊂矿井风网三维仿真系统运行效果如图5所示㊂图5　矿井风网三维仿真系统运行效果图4　结语基于Microsoft DirectX的矿井风网三维仿真技术研究,使得多巷道通风网络显示更加直观㊁清晰,提高了矿井三维仿真程度;建立矿井巷道的空间数据㊁属性数据与三维模型相结合,实现数据解算与三维仿真一体化,且具有优良的风网异常分析㊁报警㊁展示功能,可精准定位井下具有通风安全隐患的地点,为制订解决方案提供依据;矿井风网三维仿真系(下转第65页)㊃06㊃土力学,2014,35(增刊2):350-358.[5]宋希贤,左宇军,王宪.动力扰动下深部巷道卸压孔与锚杆联合支护的数值模拟[J ].中南大学学报(自然科学版),2014,45(9):3158-3165.[6]李付涛,杨胜强,程涛.综放工作面初采期顶板沉降对瓦斯涌出特征的影响[J ].矿业安全与环保,2011,38(3):48-51.[7]WANG F ,TU S ,YUAN Y ,et al.Deep-hole pre-splitblasting mechanism and its application for controlled roof caving in shallow depth seams [J ].International Journal of Rock Mechanics &Mining Sciences ,2013,64(6):112-121.[8]孙祺,杨胜强,程涛,等.综放工作面初采期瓦斯治理的综合措施[J ].煤矿安全,2011,42(3):79-82.[9]杨洪兴,杨天全,唐睿.卸压预裂爆破沿空留巷技术在急倾斜煤层中的应用[J ].矿业安全与环保,2016,43(4):87-89.[10]刘少虹.卸压爆破振动下锚索支护全煤巷道动力响应特征[J ].煤炭科学技术,2016,44(8):96-103.[11]刘春旺.控制预裂爆破消突技术在高突掘进工作面的应用[J ].煤矿安全,2011,42(4):102-104.[12]左建平,孙运江,刘文岗,等.浅埋大采高工作面顶板初次断裂爆破机理与力学分析[J ].煤炭学报,2016,41(9):2165-2172.[13]刘彦斌.综放面初采期瓦斯治理技术研究与实验[J ].矿业安全与环保,2004,31(6):13-17.[14]孙建华,米红伟,张锦鹏,等.上隅角瓦斯浓度变化的原因及实证分析[J 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