礦山巷道安全性檢測3D打印輔助實(shí)現(xiàn)

胡德志，羅建國，宮新勇，馮海美，董長志，李孝平

(華北科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

礦山巷道安全性檢測3D打印輔助實(shí)現(xiàn)

胡德志，羅建國，宮新勇，馮海美，董長志，李孝平

(華北科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

本文將3D打印技術(shù)用于采區(qū)巷道系統(tǒng)性能的整體研究方面，減少了系統(tǒng)的不確定性因素，提升系統(tǒng)的安全系數(shù)，對防范瓦斯爆炸，改進(jìn)礦井的通風(fēng)效果，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使礦山開采規(guī)劃更加科學(xué)化。此外，本文總結(jié)了3D打印巷道模型的具體步驟，為實(shí)現(xiàn)巷道安全檢測提供了實(shí)測環(huán)境。

增材制造； 礦山安全；三維圖

0 引言

安全生產(chǎn)檢測檢驗(yàn)是煤礦安全管理實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、精細(xì)化的重要支撐手段；煤礦安全生產(chǎn)檢測檢驗(yàn)應(yīng)立足為礦井安全生產(chǎn)服務(wù)，側(cè)重點(diǎn)在于辯識‘物的狀態(tài)’、消除煤礦安全生產(chǎn)事故隱患；煤炭生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)將檢測檢驗(yàn)視為實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全和主動安全的重要技術(shù)要素，納入企業(yè)安全技術(shù)創(chuàng)新體系[1-3]。安全生產(chǎn)檢測檢驗(yàn)作為安全生產(chǎn)的重要技術(shù)支撐，在預(yù)防、控制礦山事故災(zāi)害中發(fā)揮著重要作用，這是世界發(fā)達(dá)國家實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)事故低發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)之一。國家安全生產(chǎn)監(jiān)管部門首先從煤礦入手，逐步探索對涉及人身安全的產(chǎn)品、設(shè)備安全性能實(shí)施檢測檢驗(yàn)，并充分利用社會上科研機(jī)構(gòu)、大專院校、國有大型企業(yè)等現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室和檢測檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)，逐步形成安全生產(chǎn)檢測檢驗(yàn)的主體力量[4,5]。已經(jīng)初步建立了由各級國家主管行政部門、檢測檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)、中介服務(wù)機(jī)構(gòu)、礦用產(chǎn)品生產(chǎn)單位等構(gòu)成的安全生產(chǎn)檢測檢驗(yàn)體系。體系的建立目的是為提高安全生產(chǎn)管理水平和監(jiān)管監(jiān)察水平，減少礦山災(zāi)害事故，保護(hù)職工職業(yè)人身安全和健康，檢測檢驗(yàn)工作的重點(diǎn)是在煤礦、金屬和非金屬礦、危險(xiǎn)化學(xué)品等領(lǐng)域[3]。

目前，安全生產(chǎn)檢測檢驗(yàn)的機(jī)構(gòu)很多，檢測檢驗(yàn)的項(xiàng)目和方法也比較全面，基本可以滿足安全生產(chǎn)監(jiān)督的需求。隨著科技的進(jìn)步、生產(chǎn)效率提高、關(guān)鍵設(shè)備更新，在煤礦行業(yè)的一些方面急需建立新的檢測標(biāo)準(zhǔn)、評價體系及檢驗(yàn)流程。

1 3D打印技術(shù)與礦山安全

有下一代工業(yè)革命先驅(qū)之稱的3D打印技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，它主要包括立體光刻造型、熔融沉積成型、選擇性激光燒結(jié)、分層實(shí)體制造等[6-9]。各分支都有代表性成果展現(xiàn)，北京航空航天大學(xué)王華明教授提出激光熔覆多元多相過渡金屬硅化物高溫耐磨耐蝕多功能涂層材料的方法，使我國成為世界上唯一掌握飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國家[10]。華中科技大學(xué)史玉升教授領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)1.2米×1.2米的“立體打印機(jī)”是世界上最大成形空間的快速制造裝備，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國外同類裝備水平，并因此獲得2011年國家技術(shù)發(fā)明二等獎。但是，國內(nèi)外煤礦行業(yè)還沒有引入這項(xiàng)新技術(shù)。另一方面，每年因各種突發(fā)性礦難死傷的礦工高達(dá)數(shù)百人。如果將3D打印技術(shù)應(yīng)用于檢驗(yàn)檢測幫助提高‘機(jī)械化換人，自動化減人’的總體效率，將是煤礦行業(yè)的一大進(jìn)步。

在礦山的開采過程中， 最復(fù)雜的流程是采區(qū)地質(zhì)特征考查、巷道的設(shè)計(jì)、開采方式的確定。它直接關(guān)系到礦山開采的安全，而3D打印技術(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)礦山地貌和地下開采工程體系的微縮，將復(fù)雜的地上地下情況直觀展示出來，提供給開采單位。開采單位在進(jìn)行開采前借助此模型組織專家對開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行論證，更全面的考慮開采環(huán)節(jié)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行及早的規(guī)劃。在該微縮模型的幫助下，綜合的論證更有保障。同時，它還幫助開采單位減少安全論證初期(即：在不具備安全設(shè)施的環(huán)境中)人員下井調(diào)研的次數(shù)。對“機(jī)械化換人，自動化減人”方案提供預(yù)評估。

煤礦開采過程中，瓦斯的不斷從新開采的煤層中涌出。當(dāng)濃度達(dá)到臨界值后，使礦工在不知覺中中毒，導(dǎo)致災(zāi)難。同時，它也極易引發(fā)礦道爆炸。通過國家安監(jiān)局對近二十年來礦難統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：瓦斯引發(fā)的爆炸是造成嚴(yán)重礦難的主要原因之一。利用3D技術(shù)打印礦山模型小，線長僅為實(shí)際模型的數(shù)百分之一，體積為原物的百萬分之一。3D打印模型結(jié)構(gòu)清晰，材質(zhì)接近真實(shí)的巷道，該模型可以放在室內(nèi)風(fēng)機(jī)中進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，測量實(shí)際的通風(fēng)效果。通過向巷道內(nèi)注入仿瓦斯的有色氣凝膠或結(jié)合示蹤氣體分析儀進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，可以直觀的顯示瓦斯擴(kuò)散的過程，實(shí)時觀測不同區(qū)域的瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r，確定瓦斯影響的開采區(qū)域。確定安裝瓦斯報(bào)警器的最佳地點(diǎn)和數(shù)量，科學(xué)制定采掘設(shè)備分布圖。這將幫助采礦工程師制定開采規(guī)劃，幫助安全工程師制定應(yīng)急預(yù)案，降低發(fā)生礦難的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。

本文以東灘煤礦為例，使用UG軟件建立了礦井巷道三維數(shù)據(jù)模型，并成功轉(zhuǎn)換成3D打印所需的STL格式文件，最終打印出上模和下模，便于進(jìn)行各種假想突發(fā)事件下的氣體流動性觀測實(shí)驗(yàn)。本文結(jié)合巷道的布局圖，設(shè)計(jì)出的三維圖(見圖1)和模型封裝后三維圖(見圖2)。

圖1 巷道圖

圖2 封裝巷道模型圖

3D打印步驟如下：

(1) 幾何模型STL文件的導(dǎo)入

啟動軟件，點(diǎn)擊“文件”，“載入”上芯模樣三維幾何模型STL文檔。發(fā)現(xiàn)模樣尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)器的能力。選擇“縮放物體”圖標(biāo)，將模樣縮小至設(shè)計(jì)尺寸的0.1倍，符合打印機(jī)的要求。

(2) 打印位置的選擇

打印位置的選擇，首先要考慮防止打印時制件的變形，節(jié)約支撐材料也是需要重視的。根據(jù)模樣的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖3 巷道3D打印模樣

(3) 切片

點(diǎn)擊“切片軟件”選項(xiàng)卡，啟動切片程序。

1) 設(shè)置打印參數(shù)

打印參數(shù)中對制品質(zhì)量影響最顯著的是“層高”和“填充密度”，據(jù)資料介紹，填充密度為70%且層高為0.2 mm時制品綜合性能最佳，因此，本設(shè)計(jì)就選擇這樣的參數(shù)；同時，考慮到模樣是空心的，勾選了“允許支撐”選項(xiàng)。其他設(shè)置選擇了默認(rèn)值。

2) 切片

點(diǎn)擊“開始切片Slic3r”按鈕，開始切片。

很快，切片完成，系統(tǒng)顯示“預(yù)測打印花費(fèi)時間”為36分56秒，“層數(shù)”為119層，“總行數(shù)”、“需要材料”等信息。

3) 預(yù)覽

選擇“顯示指定的層”，同時拖動“結(jié)束層”滑條，觀察切片情況。

總體來看，打印件的表面質(zhì)量不光滑，但基本能滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

下一步我們將根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，模擬巷道在極端條件下的工作狀態(tài)，對巷道設(shè)計(jì)進(jìn)行評估。通過模擬實(shí)驗(yàn)獲得最接近真實(shí)開采作業(yè)情況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對每一時刻可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行預(yù)處理。同時，對于不同的開采階段，我們可以改變模型制作出具有不同階段特點(diǎn)的3D模型，對開采的全過程進(jìn)行仿真演示，保障在整個開采過程中穩(wěn)定性。

2 總結(jié)和展望

本文創(chuàng)新性的將3D打印技術(shù)引入到礦山開采檢驗(yàn)檢測模型中，將推動全行業(yè)的快速發(fā)展，給安全生產(chǎn)帶來實(shí)效。為進(jìn)一步推進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)檢測檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化工作的全面發(fā)展,充分發(fā)揮檢測標(biāo)準(zhǔn)在安全生產(chǎn)中的技術(shù)支撐作用，本文結(jié)合自身的研究方向和技術(shù)基礎(chǔ)，在礦用電氣裝備及儀器儀表檢測檢驗(yàn)領(lǐng)域進(jìn)行了研究，并取得了一定的研究成果。下一階段，本文擬對典型在用電子設(shè)備安全檢測檢驗(yàn)進(jìn)行深入研究，為煤礦安全的檢測檢驗(yàn)提供基礎(chǔ)理論及應(yīng)用技術(shù)支撐。力爭使本文能夠準(zhǔn)確把握安全生產(chǎn)檢測檢驗(yàn)的發(fā)展方向，并在具體技術(shù)上實(shí)現(xiàn)一定的突破或創(chuàng)新，具備服務(wù)行業(yè)、承擔(dān)行業(yè)內(nèi)相關(guān)科技項(xiàng)目的研究基礎(chǔ)和能力。

[1] 張勇，戎明彥，吳兆宏，等.煤礦安全生產(chǎn)檢測檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系現(xiàn)狀分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008，36(12)：110-112.

[2] 戎明彥，張勇，吳兆宏.國內(nèi)外煤礦安全生產(chǎn)檢測檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系對比[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(11)：11-13.

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[8] 3D Systems. http://www.3dsystems.com.

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[10] Gao Z, Gibson I.A 6 DOF haptic interface and its applications in CAD[J]. Int. J. Comput. Appl. Technol.,2007, 30(3):163-171.

3D Printing aid realization of the safety testing of tunnel of coal mine

HU De-zhi，LUO Jian-guo，GONG Xin-yong,FENG Hai-mei，DONG Chang-zhi，LI Xiao-ping

(SchoolofMechanicalelectricalEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao，101601，China)

In the paper, 3D printing technique is used to study the performance of the coal mining system as a whole, reducing the uncertainties of system, safety factor of hoisting system for preventing gas explosions to improve mine ventilation, optimizing the system structure,and making mining planning more scientific. In addition,this paper summarizes the concrete steps of 3D printer models of tunnel for reality the tunnel safety testing with a test environment.

Additive manufacturing; coal mine safety; three dimension figure

2016-03-27

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142015093)

胡德志(1980-)，男，湖北潛江人，碩士，華北科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院副教授，研究方向：機(jī)電工程安全生產(chǎn)檢驗(yàn)檢測。E-mail:hudezhi@ncist.edu.cn

TP334.8

A

1672-7169(2016)03-0093-03