煤礦通風(fēng)系統(tǒng)三維模擬關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

潘新剛

(山西陽煤集團(tuán)礦山救護(hù)大隊(duì)，山西 陽泉 045008)

0 引言

科學(xué)合理的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能為井下作業(yè)提供安全保障，但在現(xiàn)實(shí)中往往存在著通風(fēng)設(shè)計(jì)不合理、風(fēng)機(jī)效率過低，不能快速為礦井巷道提供新鮮空氣以至風(fēng)量不足或者是出現(xiàn)漏風(fēng)的現(xiàn)象，將會(huì)給井下工作人員帶來許多危險(xiǎn)，造成事故的發(fā)生。針對這些問題進(jìn)行改進(jìn)，往往需要不斷地去實(shí)驗(yàn)，從而選擇最適合的方式。但綜合考慮各方面因素，對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行三維仿真模擬是一種最能夠節(jié)省成本的方式。

1 相關(guān)概念

三維仿真模擬技術(shù)已經(jīng)在生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)去建立一個(gè)虛擬的環(huán)境，在該虛擬的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和操作，得到一個(gè)項(xiàng)目或一個(gè)工程的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，對發(fā)現(xiàn)問題的地方進(jìn)行改進(jìn)，然后再在現(xiàn)實(shí)生活中去實(shí)施這些方案，起到了節(jié)約成本的作用[1]。在煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中使用三維仿真模擬技術(shù)，需要對通風(fēng)構(gòu)筑物、風(fēng)流進(jìn)行建模，從而形成完整的虛擬通風(fēng)系統(tǒng)。

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)是保證煤礦安全作業(yè)的重要組成部分，主要通過對于礦井通風(fēng)方式進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，獲取適合煤礦開拓方式的通風(fēng)方式。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分，合理的調(diào)整通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，可以確保通風(fēng)機(jī)資源最大限度地滿足全礦各巷道風(fēng)量、風(fēng)速安全需要，三維仿真模擬也是最有效的技術(shù)手段。

2 通風(fēng)系統(tǒng)建模技術(shù)要點(diǎn)

2.1 煤礦巷道相關(guān)數(shù)據(jù)收集

在對煤礦巷道進(jìn)行三維仿真模擬時(shí)，特別要注意對礦井下的巷道相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集。將巷道的基本元素歸納分類為：①點(diǎn)狀物體，對礦井中的通風(fēng)點(diǎn)進(jìn)行測量，將測量到的數(shù)據(jù)記錄下來；②針對巷道弧、線等礦井內(nèi)的線體進(jìn)行測量和登記，也就是對2個(gè)站點(diǎn)之間的部分進(jìn)行測量，同時(shí)對每一道線狀都要進(jìn)行編碼，以便在制作三維模型的時(shí)候根據(jù)比例進(jìn)行調(diào)整；③對礦井內(nèi)的面狀物體進(jìn)行測量和登記，尤其是對側(cè)面和斷面的測量；④對立體的物品進(jìn)行測量和登記[2]。在這里要注意的是所有的數(shù)據(jù)都必須保證真實(shí)無誤，只有這樣才能使最后的巷道模型符合礦井的實(shí)際情況。

2.2 煤礦巷道模型的設(shè)計(jì)

在對組成煤礦的各個(gè)元素進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的過程中，不難發(fā)現(xiàn)各個(gè)數(shù)據(jù)之間具備拓?fù)潢P(guān)系，例如點(diǎn)狀物構(gòu)成了線，然后又由線組成面，不同的面狀物合在一起，就組成了一個(gè)立體的物品，最終形成一條完整的煤礦內(nèi)部巷道[3]。圖1是巷道內(nèi)部所有元素之間的拓?fù)潢P(guān)系分解圖。將煤礦巷道的組成清晰地表達(dá)出來。

圖1 煤礦巷道的三維數(shù)據(jù)模型

2.3 煤礦巷道的幾何建模

對于煤礦內(nèi)部巷道的幾何建模，首先要解決的是對巷道弧以及巷道線的準(zhǔn)確測量，然后根據(jù)測量得到的巷道測量導(dǎo)線的數(shù)據(jù)確定各個(gè)面的坐標(biāo)位置，尤其是對斷面的起點(diǎn)以及終點(diǎn)的位置的確定，該位置的確定能夠進(jìn)一步將巷道弧的位置確定出來；最后，根據(jù)坐標(biāo)和位置的不同，進(jìn)行貼圖處理，完成一條巷道的幾何模型的建立[4]。在這個(gè)過程中可以提前將通風(fēng)構(gòu)筑物進(jìn)行三維建模，因?yàn)樗且渣c(diǎn)的形式記錄在三維模型塊中，是按照真實(shí)的比例提前進(jìn)行制作的，在需要的時(shí)候可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)用。

2.4 風(fēng)流模擬的技術(shù)要點(diǎn)

對風(fēng)流進(jìn)行三維仿真模擬的技術(shù)要點(diǎn)是對粒子系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)改造，因?yàn)樵诮＿^程中要利用粒子的不同環(huán)節(jié)來完成建模工作。而主要利用的就是它的誕生環(huán)節(jié)、運(yùn)行環(huán)節(jié)、以及最終的死亡環(huán)節(jié)。根據(jù)這3個(gè)環(huán)節(jié)中粒子的不同表現(xiàn)來完成實(shí)體建模，但其缺點(diǎn)在于這3個(gè)環(huán)節(jié)存在隨機(jī)性，因此需適當(dāng)?shù)馗脑??？蓮囊韵聨讉€(gè)方面進(jìn)行：①把握粒子生長位置，要將其準(zhǔn)確地控制在煤礦巷道風(fēng)流模擬的開始位置，改變其隨機(jī)生成的特性，這種改造能夠使風(fēng)流三維模擬正確生成；②對粒子運(yùn)行速度進(jìn)行控制，使其滿足風(fēng)流三維模擬捕捉數(shù)據(jù)的需要，同時(shí)保證粒子運(yùn)行途徑在風(fēng)流三維仿真模擬的路徑之內(nèi)，這樣才能捕捉到完整的風(fēng)流路徑；③要對粒子死亡時(shí)間進(jìn)行改造，保證其在運(yùn)行到煤礦巷道的末端時(shí)才會(huì)死亡，這樣就能形成完整的風(fēng)流三維仿真模擬模型。

3 三維系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 可視化查詢

可視化查詢主要是指對于已經(jīng)建成的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)三維模擬仿真模型中的不同對象進(jìn)行的查詢，從而保證三維模型的可操作性與可實(shí)現(xiàn)性。具體的環(huán)節(jié)如下：①在建好的三維模型中選擇一個(gè)查詢對象，例如礦井巷道；②對其進(jìn)行命令處理，這個(gè)時(shí)候采取的主要是函數(shù)處理以及拓?fù)潢P(guān)系處理；③將得到的對象信息轉(zhuǎn)換為字段值，在數(shù)據(jù)庫中對這些字段值進(jìn)行相應(yīng)的搜索，保證能夠得到這些信息；④返回用戶數(shù)據(jù)處理中心，分析得到的數(shù)據(jù)，獲得查詢對象的通風(fēng)技術(shù)參數(shù)。

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

對煤礦內(nèi)部巷道進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集、幾何建模、利用對粒子的改造進(jìn)行風(fēng)流三維仿真模型的建立，在這個(gè)過程中需要利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對這些模型進(jìn)行合并和開發(fā)，并且利用數(shù)據(jù)庫資源實(shí)現(xiàn)煤礦巷道通風(fēng)系統(tǒng)的三維模擬。在這一模型中可進(jìn)行煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)建，操作人員需要通過鼠標(biāo)和鍵盤對三維模型進(jìn)行控制，可以得到其中的數(shù)據(jù)信息；并且通過觀察三維仿真模型中粒子的運(yùn)行軌跡以及消亡得到通風(fēng)系統(tǒng)的使用情況[5]。以便在現(xiàn)實(shí)生活中對于煤礦巷道中通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)調(diào)整新風(fēng)送入的方式，保證通風(fēng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4 結(jié)語

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的工作直接影響著井下工作人員的生命安全，對其進(jìn)行三維模擬能夠有效地進(jìn)行技術(shù)更新，減少了煤礦事故的發(fā)生。并且由于三維模擬圖可以更加直觀清晰地看到煤礦巷道內(nèi)的通風(fēng)情況，因此可以實(shí)現(xiàn)礦井的網(wǎng)絡(luò)化通風(fēng)管理。這樣，可以更好地為礦井巷道提供新鮮空氣，沖淡其中的瓦斯、粉塵，一方面有效地減少了相關(guān)事故的發(fā)生，另一方面也對礦井環(huán)境進(jìn)行了調(diào)節(jié)，使井下工作人員的健康得到保護(hù)。