虛擬仿真在煤礦立井施工中的應用

姬文軒

摘要：隨著虛擬仿真技術的發(fā)展，虛擬仿真技術開始出現(xiàn)在有關煤礦施工建設工程中。文章主要論述了虛擬仿真在煤礦立井施工中的作用和優(yōu)勢;接著以煤礦立井施工技術虛擬仿真資源在煤礦上的應用為例，詮釋了虛擬仿真在礦建工程中應用的必要性。

Abstract： With the development of virtual simulation technology， virtual simulation technology began to appear in related coal mine construction projects. The article mainly discusses the role and advantages of virtual simulation in coal mine shaft construction. Then， taking the application of virtual simulation resources of coal mine shaft construction technology in coal mine as an example， it explains the necessity of virtual simulation in mining construction engineering.

關鍵詞：虛擬仿真;礦建工程;立井

Key words： virtual simulation;mining construction;vertical shaft

中圖分類號：TD679 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）30-0193-02

0 ?引言

煤炭工業(yè)作為我國國民經濟重要的基礎工業(yè)，也是重要的工業(yè)部門原料和能源的來源。在接下來很長的的一段時間內，煤炭依然會作為我國能源結構中最為核心的一部分，煤炭產量的增長率決定國民經濟能否更好地的發(fā)展。而煤炭生產工業(yè)的發(fā)展，又取決于煤炭基礎工業(yè)建設以及開拓延深工作是否能夠及時地并持續(xù)不斷地提供煤炭生產的場地。為了將煤安全地從地下采出，要從地表開始，開鑿一系列的井筒、硐室及巷道到達煤層。

立井是地下礦山、山嶺隧道、水利水電、城市地下工程以及軍事國防工程等的常見工程。隨著我國礦產資源的開發(fā)、交通、水利事業(yè)的快速發(fā)展，立井的開鑿也將日益增多。立井在煤礦建設中被廣泛應用，其特點是深度大、斷面面積大、水文地質條件復雜、施工難度大、工期長，投資高。因此，為加快鑿井速度、縮短鑿井工期，必須采用先進的施工技術，提高施工機械化水平。

虛擬仿真技術是通過計算機技術、人機交互技術、傳感技術、人工智能等技術，用虛擬的系統(tǒng)模仿現(xiàn)實的技術[1]。它是由計算機的硬件、軟件以及各類傳感器構成的含有三維信息的人工環(huán)境——虛擬環(huán)境，從而模擬現(xiàn)實世界出現(xiàn)的事物和環(huán)境。虛擬仿真技術最早被應用于地質、建筑、航空、制造以及游戲等領域[2-4]，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術已經實際應用與我國的煤炭行業(yè)中，主要包括：綜采工作面虛擬仿真研究;礦山生產系統(tǒng)的展示設計;礦井火災及瓦斯爆炸的仿真模擬研究;礦山爆破工藝上的應用等[5-6]。與此同時，虛擬仿真技術也開始應用于高校實驗教學[7]，并逐漸推廣開來。

1 ?虛擬仿真技術在立井施工中的作用

伴隨著多媒體、網絡通信以及虛擬現(xiàn)實技術等信息科技迅速發(fā)展，一種更高級的，結合虛擬現(xiàn)實與仿真的技術——虛擬仿真技術應運而生。虛擬仿真技術是構建統(tǒng)一完整的虛擬環(huán)境的典型技術，它通過虛擬環(huán)境集成和控制了大量的實體。實體可以是模擬器或其他仿真系統(tǒng)，同時可以用簡單的數(shù)學模型來表示。實體與虛擬環(huán)境相互作用，用以表達客觀真實世界的特征。這種集成、虛擬化以及網絡化的特點較好的滿足了現(xiàn)代虛擬仿真技術的發(fā)展方向。

將三維動態(tài)虛擬仿真技術、人機交互技術運用到實驗教學，可以更加全面的體現(xiàn)理論知識，使工作人員在計算機上即可完成施工現(xiàn)場所涉及到的有關操作要求以及環(huán)境、安全等問題的學習，有效的節(jié)約了培訓成本。

充分發(fā)揮網絡、虛擬現(xiàn)實等信息技術手段在施工中的作用，通過施工模擬使人員全面系統(tǒng)的理解和掌握立井設備的選型、安裝工藝流程，立井表土段、基巖段施工過程、工藝流程及關鍵施工工序，了解各施工設備、工序之間的相互關系，在進一步理解施工相關工藝流程關的同時，培養(yǎng)分析解決和創(chuàng)新思維的能力。

2 ?煤礦立井施工技術虛擬仿真資源的應用

在完成相關理論知識的學習之后，可申請進入項目資源的“學習模式”進行自主學習，然后通過“考核模式”完成實驗操作并回答相關問題。實驗管理平臺可自動將每個人的操作成績與答題提交至管理賬戶，經過系統(tǒng)評定并生成報告。

2.1 立井表土段施工技術實驗

①根據(jù)給定的井筒直徑、深度等參數(shù)完成立井鑿井等設備的選型，掌握立井鑿井井架、天云平臺、挖掘機械、裝矸機械及吊盤等主要施工設備的選型方法;②依照設備安裝工藝流程，通過三維虛擬仿真動態(tài)模擬，完成井架、天輪平臺、吊盤等施工設備的安裝，掌握各設備的布置方式及對應關系;③以表土段短段掘砌段高2m為例，通過三維虛擬仿真動態(tài)模擬立井表土段施工工藝過程，熟識立井表土段掘砌機械設備的配套特點和施工工藝流程，掌握井筒開挖→井筒臨時支護→外層井壁鋼筋混凝土施工等主要施工工序技術特點;④表土段施工至一定深度后，安裝吊盤;⑤表土段外層井壁施工結束后，一次性完成內層井壁澆筑施工。

2.2 立井基巖段施工技術實驗

①熟識立井基巖段掘砌機械設備的配套特點，掌握傘形鉆架、回轉式抓巖機的選型、工作狀態(tài)和原理。②以基巖段短段掘砌段高4m為例，通過虛擬仿真動態(tài)模擬施工工藝流程的分部操作，重點掌握基巖爆破施工藝流程及施工工藝技術要點，包括打眼→裝藥→連線→起爆及應注意的安全防護措施。③掌握基巖段短段掘砌施工打眼爆破→排矸→打灰→清底四大循環(huán)工序之間的關系，分析影響掘砌施工速度的因素和應采取的措施，提出縮短施工工期的改進建議。④外層井壁澆筑鋼筋混凝土施工。⑤內層井壁澆筑鋼筋混凝土施工。

2.3 虛擬仿真實驗考核

在進行虛擬仿真實驗的考核時，分兩部分成績：虛擬仿真實驗操作（60%），回答相關問題（40%）。平臺綜合兩部分成績，自動生成實驗報告，然后按比例給出實驗成績。（見圖1和圖2）

3 ?成效

3.1 加工作人員的實際操作能力

煤礦立井建設是煤礦建設的主體工程之一，其投資動輒幾千萬甚至上億元資金，施工周期長（2～3年），且具有施工高度復雜和極端高危的施工環(huán)境特點，對于年輕的施工人員而言，直接深入到一線工作難度可想而知。長期以來依靠靜態(tài)仿真模型和現(xiàn)場實踐很難達到滿意的效果。采用虛擬仿真手段，能使工作人員在較短的時間內，全面系統(tǒng)的了解立井施工全過程工藝流程及關鍵施工工序，進一步加深對于理論知識的理解和掌握，實踐證明其效果良好。

3.2 創(chuàng)建了一人一機、方式多樣的實驗環(huán)境

虛擬仿真實驗平臺依托于數(shù)據(jù)庫、網絡通訊、虛擬現(xiàn)實、人機交互等技術，創(chuàng)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境及實驗對象，學生在虛擬環(huán)境中進行實驗，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的情況。

大型CAVE系統(tǒng)具備沉浸感強，效果逼真、操作方便的特點，有利于對于相關問題的理解。一人一機的高性能計算機，可使施工人員獨立完成人機交互實驗操作。在學習相關理論知識后，開展上機實踐操作，完成立井施工工作面虛擬仿真模塊學習。

通過三維虛擬仿真實驗與模型仿真實驗的有機結合，實現(xiàn)了立井施工技術實驗“動與靜、點與面、虛與實”的全面展示，可大幅度提升對于理論知識的進一步理解，大大提高了現(xiàn)場人員對于立井施工整體的認識，節(jié)約了經費，解決了無法有效針對現(xiàn)場施工人員對于立井全過程施工技術全面認識的難題。

3.3 建立了操作和回答問題相結合的評價體系

通過實驗操作和回答問題兩部分考核方式，對現(xiàn)場人員是否掌握煤礦立井表土段及基巖段的施工工藝流程、關鍵技術及設備之間的關系給予全面真實的評價，項目給予的關鍵知識點學習和提示，督促他們對自己掌握的知識查漏補缺，進一步熟練掌握煤礦立井表土段及基巖段的施工技術要點和關鍵技術。

3.4 形成了不斷優(yōu)化施工模擬項目，創(chuàng)新開放共享機制

虛擬仿真施工模擬平臺不僅能加強人們對理論知識的理解，還能進一步推動項目資源、師資隊伍和管理制度等方面的充實和完善。通過共享機制，各方單位可共享實驗項目，不斷優(yōu)化施工模擬項目，聯(lián)合軟件開發(fā)公司開發(fā)更多的相關項目，形成良性循環(huán)，形成優(yōu)質施工模擬項目開放共享的有效機制。

4 ?結語

面對現(xiàn)場人員對于施工工藝流程了解欠缺所出現(xiàn)的問題，虛擬仿真技術的應用能夠很好地起到橋梁的連接作用。充分體現(xiàn)“虛實結合”、“相互結合”、“能實不虛”的指導思想。促進現(xiàn)場工作人員對于虛擬仿真實驗軟件的學習，使他們能夠有更加完備的知識儲備，及施工經驗。

參考文獻：

[1]Jenson CE， Forsyth MN. Virtual reality simulation： using three-dimensional technology to teach nursing students[J]. Comput Inform Nurs，2012，30（6）：312-318.

[2]楊新穎，龔光紅，王行仁.飛行模擬器中的虛擬聲音建模與實時渲染技術[J].航空學報，2009，30（7）：1305-1311.

[3]侯筱婷，李昌華.虛擬施工系統(tǒng)中虛擬塔吊動力學建模與仿真[J].機械科學與技術，2014，33（2）：189-193.

[4]陳慶華，邢立新，李再壽，等.可視化技術在地質景觀演化中的應用[J].吉林大學學報：地球科學版，2004（S1）：174-177.

[5]李建忠，陳鴻章，隋剛.基于虛擬現(xiàn)實的綜采工作面仿真系統(tǒng)研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2007，19（18）：4164-4167.

[6]郭兵兵，陳國祥，王國際，郭軍杰.虛擬現(xiàn)實在采礦工程教學中的開發(fā)應用[J].煤炭技術，2011，30（07）：217-219.

[7]馬文頂，吳作武，萬志軍，屠世浩，張源.采礦工程虛擬仿真實驗教學體系建設與實踐[J].實驗技術與管理，2014，31（09）：14-18.