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基于虚拟现实技术的矿井综采工作面矿压显现仿真系统
张光磊;张登崤;程海星
【期刊名称】《能源与环保》
【年(卷),期】2022(44)11
【摘要】以提升矿井综采工作面矿压显现仿真精度和仿真环境视觉效果为目的,研究基于虚拟现实技术的矿井综采工作面矿压显现仿真系统。
系统利用Multigen软件构建矿井工作面矿压显现仿真环境,获取矿井综采工作面矿压参数,并利用该参数建立外部数据库和场景数据库,经过场景调度外部数据库与场景数据库实施场景建模、场景形象建模、几何建模等流程建立矿井工作面矿压显现仿真系统,以场景漫游与交互控制实现矿井综采工作面矿压显现操作。
实验结果表明,矿井工作面矿压显现系统虚拟场景画面逼真,功能齐全,可有效仿真矿井工作面矿压环境;获取的矿井当前矿压数值与实际值很接近,仿真精准度高。
【总页数】6页(P193-198)
【作者】张光磊;张登崤;程海星
【作者单位】中煤西安设计工程有限责任公司
【正文语种】中文
【中图分类】TD67
【相关文献】
1.深部矿井综采工作面矿压显现规律及控制
2.基于在线监测的三软煤层综采工作面矿压显现规律研究
3.大采高综采工作面矿压显现及水力压裂切顶卸压技术研究
4.
梅花井矿232201综采工作面过断层期间矿压显现规律研究5.镇城底矿综采工作面矿压显现规律分析
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采矿虚拟仿真课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解采矿工程的基本概念和原理，掌握虚拟仿真技术在采矿领域的应用。
2. 使学生掌握采矿过程中岩石力学、矿井通风与安全等方面的知识。
3. 帮助学生了解采矿虚拟仿真软件的操作方法和功能特点。
技能目标：1. 培养学生运用虚拟仿真技术进行采矿工程设计和分析的能力。
2. 提高学生在采矿过程中解决实际问题的能力，如优化开采方案、降低资源浪费等。
3. 培养学生团队协作和沟通能力，能在项目中进行有效的分工与协作。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对采矿工程领域的兴趣和热情，激发他们投身于矿产资源开发利用事业的积极性。
2. 增强学生的环保意识，让他们认识到在采矿过程中应注重生态环境保护。
3. 引导学生树立正确的职业道德观念，强调安全生产的重要性，培养他们具备良好的职业素养。
本课程针对高年级学生，课程性质为实践性较强的学科。
结合学生特点，课程目标注重理论与实践相结合，以实际操作为主，提高学生的动手能力和创新能力。
在教学要求方面，注重培养学生的自主学习、合作学习和问题解决能力，使他们在掌握专业知识的同时，具备实际工程应用能力。
通过本课程的学习，学生将能够更好地适应未来采矿行业的发展需求。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 采矿工程基本原理：岩石力学、矿井通风与安全、矿山压力与控制等基础知识。
2. 虚拟仿真技术概述：虚拟现实、增强现实技术在采矿领域的应用及发展前景。
3. 采矿虚拟仿真软件操作：学习主流采矿虚拟仿真软件的使用方法，如ANSYS、FLAC3D等。
4. 实践项目设计与分析：结合实际采矿工程案例，运用虚拟仿真技术进行开采方案设计、优化及安全性分析。
5. 教学内容安排与进度：- 第一周：采矿工程基本原理学习；- 第二周：虚拟仿真技术概述及软件安装与操作；- 第三周：实际案例分析与讨论；- 第四周：实践项目设计与成果展示。
教学内容与教材关联性如下：- 教材第一章：岩石力学基础；- 教材第二章：矿井通风与安全；- 教材第三章：矿山压力与控制；- 教材第四章：虚拟现实技术在采矿工程中的应用。
基于Ventsim软件的矿井通风系统全局经济性优化基于Ventsim软件的矿井通风系统全局经济性优化随着矿业行业的发展，矿井通风系统的经济性优化对于矿井生产效益和环境安全具有重要意义。
Ventsim软件作为一种强大的矿井通风系统仿真软件，可以为优化矿井通风系统提供可靠的技术支持和指导。
在本文中，我们将探讨使用Ventsim 软件进行矿井通风系统全局经济性优化的方法和效果。
矿井通风系统对于矿井生产运行至关重要。
合理优化通风系统可以提高矿井的生产效率、降低能源消耗、减少环境污染等。
传统的通风系统优化方法多为基于试验和经验的方式，效果有限且耗时耗力。
而Ventsim软件能够基于矿井的实际数据和运行情况进行系统仿真，准确模拟矿井通风过程，为优化提供更科学的参考。
在进行矿井通风系统全局经济性优化时，首先需要建立矿井的三维模型，并输入矿井的地质数据、通风系统参数等。
Ventsim软件可以根据这些数据自动计算得到矿井的气流分布图、风速、压力等关键参数。
这些参数是评估通风系统性能、进行优化的重要依据。
在得到矿井的物理模型和通风参数后，可以通过Ventsim 软件进行多种优化方案的比较和选择。
例如，可以通过调整矿井的风门位置和开合程度，优化气流分布，减小通风阻力，提高通风效果。
同时，还可以根据矿井的实际情况，进行数值模拟计算，评估不同方案的经济性和可行性，选择最佳方案。
除了进行优化比较，Ventsim软件还可以实时监测和分析矿井通风系统的运行情况。
通过设置监测点，可以实时采集矿井的通风数据，并与模拟计算结果进行对比。
这样可以及时发现通风系统的异常情况，并进行调整和修正，保证矿井的安全生产。
Ventsim软件在矿井通风系统全局经济性优化中具有一定的局限性。
首先，需要根据矿井的实际情况进行精确的数据输入，这对于数据采集和处理能力要求较高。
其次，优化结果还需要结合矿井的实际操作和管理，才能真正发挥其经济效益和环境保护的潜力。
Ventsim在煤矿通风立体动态管理中的应用摘要某矿现已开采到-1000米以下，三个采区共用一个回风井，部份巷道风阻较大，风机风压达到3500多帕，通风系统复杂，不易管理。
针对这一问题，本文介绍了三维仿真软件Ventsim在某矿中的实际应用。
系统实时的风网解算，动态显示风流方向、风量、风速等参数，并能科学、准确、快速的进行通风现状模拟、降阻方案模拟、污染物扩散模拟等，满足了某矿通风管理的要求，为通风管理人员及决策人员提供了科学可靠的数据，提高了通风管理的整体水平，具有良好的应用前景。
关键词：三维模型通风管理模拟ventsim引言矿井通风系统的基本任务是利用通风动力向井下各用风地点提供足量的新鲜空气, 稀释并排除各种有毒有害气体和粉尘, 调节气候, 确保工作地点的空气质量, 营造一个安全舒适的作业环境[1]。
某矿矿总体分为东、西两部分，共4个采区，巷道众多，通风复杂，不易管理。
矿井使用二维的通风网络解算软件进行管理，使得管理通风已变得简单，提高了通风管理的整体水平。
但是软件的模拟与分析取决于输入数据的准确性和可靠性。
由于网络中具有数以千计的风路分支，在输入数据时稍不注意就会出现严重错误，对大规模数据的浏览和编辑都成为问题，而且当不熟悉该矿井的其他人使用这些网络数据时将变得非常困难[2]。
并且复杂通风网络的设计者对该网络具有较好的理解，但一旦该工程师离开，继任的工程师通常因为较难理解以前的设计而不得不放弃以前的工作。
因此，某矿迫切需要一种能够对井下通风系统进行实时解算、图形化显示并且操作简单的数值分析系统，便于管理人员以一种直观、易懂的方式掌握矿井的通风现状，来满足日益提高的矿井安全生产管理需求。
通过比较国内外的三维通风仿真系统，最终选择了金码软件（北京）有限公司的Ventsim系统，它可以很好的满足某矿的通风管理要求。
1.Ventsim三维仿真系统介绍Ventsim是一套基于独立平台的矿井通风工具软件，系统具有很好的兼容性，可以非常方便的导入其他矿井设计软件或通风软件的基础数据，生成三维模型。
兰资环仿真一号矿井实习报告一、前言为了加强我们对矿井安全生产的认识，提高实际操作能力，我们在老师的带领下，来到了仿真一号矿井进行实习。
通过这次实习，我们深入了解了矿井的构造、采矿工艺、安全生产等方面知识，为我们今后从事相关工作打下了坚实基础。
二、实习内容1. 矿井概况仿真一号矿井是一座模拟真实矿井的实训基地，矿井主要包括井筒、巷道、采场等部分。
井筒是矿井的咽喉，担负着提升矿石和运输人员、材料的重要任务。
巷道是连接井筒和采场的通道，承担着运输、通风、排水等功能。
采场是矿石开采的具体场所，我们在这里了解了矿石的分类、开采方法等。
2. 采矿工艺在矿井中，我们参观了不同的采矿工艺。
根据矿石的地质特点和开采条件，可以选择不同的采矿方法。
常见的采矿方法有钻孔爆破法、切割法、充填法等。
钻孔爆破法是通过钻孔、装药、爆破等方式将矿石破碎，然后进行采集。
切割法是利用切割设备对矿石进行切割，使其破碎后便于采集。
充填法是将废石充填到采空区，使矿石得以稳定，然后进行采集。
3. 安全生产矿井安全生产是矿井工作的重中之重。
我们学习了矿井安全生产的基本要求和措施。
首先，矿井要建立健全安全生产责任制，明确各级领导和员工的安全生产职责。
其次，要加强员工的安全培训，提高员工的安全意识和操作技能。
此外，矿井还要加强通风、排水、防火、防爆等工作，确保矿井安全生产。
4. 矿井辅助设施矿井的正常运行离不开各种辅助设施。
我们了解了矿井的供电系统、排水系统、通风系统等。
供电系统要保证矿井内部的用电需求，排水系统要及时排除矿井内部的积水，通风系统要保持矿井内部空气的新鲜。
这些辅助设施的正常运行对矿井安全生产至关重要。
三、实习体会通过这次实习，我们对矿井的构造、采矿工艺、安全生产等方面有了更深入的了解。
矿井工作危险而繁重，需要我们具备扎实的专业知识和技能。
在今后的工作中，我们要努力学习，不断提高自己，为我国矿井安全生产贡献自己的力量。
同时，我们也认识到矿井安全生产的重要性。
译文 金川二矿区矿井通风仿真系统 刘同友，赵千里 （金川有色金属公司，中国金川，737100，） 刘剑，贾进章 （辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，中国阜新，123000） 摘要 基于矿井通风仿真系统的国内外研究现状的综述，按照金川二矿区对地面无主扇的特点，采用在地下多级机站通风，通风仿真系统由三个重要因素系统地决定，即通风系统，数学模型，计算机。与国内外同类成果相比，对角联分支自动识别和网络特征图自动绘制的仿真系统有独特和特殊功能。网络优化调节路径的方法，基于网络的最小调节功耗概念，通过系统，是既不同于线性规划也从非线性规划。通风仿真系统的可视化是在AUTO CAD环境下实现的。 1. 引言 在矿井通风仿真系统的研究领域，波兰和美国学者的研究成果代表当今世界先进水平[1]。MFIRE可以进行发火期间在坑内气流状态、烟熏雾和温度分布的过程模拟。VINETPC可以解决自然通风压力问。CANVENT是Windows系统下的第一个通风仿真系统，它的图形界是在AUTO CAD环境下开发的，AutoWENT和AERO等也是在AUTO CAD环境下开发的。文献讨论稳定和非稳态下的矿井通风仿真，Fortran源程序代码也文献中给出。目前它由波兰科学院W.Dziurzynski教授和他的研究小组开发出真正的可视化VENTGRPH系统具有最大的影响力。在波兰，70％的矿井采用该系统，该系统包括：文本文件编辑器模块EDTXT：火灾及逃离对一个人的生命模拟模块EDESC;仿真可视化模块EDRYS;稳态温度和烟熏雾计算模块的GRAS下送风;网络图绘制模块原理图，它可以显示节点的压力能;个别巷道仿真模块EKOGRAS;温度仿真模块热敏电阻;防火和灭火，救援培训模块CSRG;监测和监控模块ESCWIN;数据分析和仿真模块的ADIS; 非稳态下的火灾及逃离对一个人的生命模拟模块POZAR和WYRZUT;通风网络和目标不可分割的仿真模块IZOPOZ等共12个子系统。
金川有色金属公司二矿区主要从事地下采矿作业，日产矿石8000吨。目前有13个矿段，9辅助矿段，主要采用机械地下水平分层凝胶充填采矿法，在1998年矿井达到220万吨的产量。如图1所示，矿井井筒均采用斜井的开放系统。地下运输采用无轨25吨汽车和大型承载负荷刮刀，大约80无轨柴油设备每天都在使用，额定总功率为6200千瓦，每小时使用的柴油量500千克。如图2所示，主通风系统采用多级机站串联和并联抽压联合微正压通风系统，有11扇地下车站，几个进联通风构造，有250个节点和网络中的363支经过适当简化。主要建设和二次改革后，目前第二矿区正进行三级扩建工程建设和通风系统优化，认为这三个阶段存在的同步，是从设计方案更加不同，通风和安全的管理是非常困难和复杂的，鉴于这些因素，金川有色金属公司联营公司与辽宁工程技术大学开发矿井通风仿真系统MVSS它可以用来通风的设计，管理和在灾难期间辅助决策，该系统还包括角联分支自动识别，矿井通风网络特性曲线图，最佳的调节等特殊功能的其它相似的系统没有。 2．仿真模型 当气流在巷道流动，它的速度v，密度ρ，压力P和温度T是空间（X，Y，Z）的函数，它们形成三维流场
如果风流上的横截面的变化不被考虑，然后空间（X，Y，Z）可以简化为一维线性变量s。在一维情况下，连续方程，运动方程，能量方程，状态方程如式（2）、（3）、（4）、（5）所示。
（2） （3） （4） （5） 从式（3）得 在一维稳定流动情况下的运动方程可表示为
（6） 通风网络可以通过集合表示为 （7） 其中，G是通风系统;是支集合;V为节点集合;ei为支链I;Vi是节点I;n为总分支机构;m为总的节点。在论文中黑体字表示目前集合。风量集合，空气阻力集合，每一个分支的阻力集合可以单独表示为
（8） 空气阻力r和风阻的记数形式是 层流 （9） 紊流
层流 紊流 （10）
其中，P可以是自然通风压力，火风压及风机通风压力等附加压力相当于空气阻力值。 网络中，节点风量平衡和回路风压平衡的数学表达式分别表示为式（11）和式（12）
（11） (j=1,2,…，n-m+1) （12） 其中，Si为相关的G矩阵;CJI是回路矩阵。 Cross escalator的方法是用来进行网络风量分布，回路风量修正是
（j=1,2,…，n-m+1） （13） 其中，h是分支e不可分割性一阶导数;，其记数形式是式（10），它包括风机，自然通风压力，火风压。 风机的模型是
（14） HF是风扇的通风压力;A0〜A5是风扇特性曲线的常数项，通过使用五次方程非稳定工作区域风扇和风扇反演区域可以安装; QF是风扇的风量; q为风机设备和风机站漏风量; qn为风网风量，即有效的风量，风机站的漏风R1等效空气阻力; x是常数，x=1~2。
3.角联分支分析 角联风路的识别和稳定性分析的矿井通风系统的稳定性和可靠性分析理论的核心内容之一，1925年波兰学者H.Czeczott提出了角联分支概念[7J首先，随后H.Bystrofi定义角联风路[8]严格从对角支的气流方向与相邻分支的空气阻力之间关系的使者。波兰科学院W.Budryk国际知名采矿专家院士进行了系统研究[9]工作性质，气流方向的判断和E＆ECT通风系统等问题。 表格一 矿井通风仿真系统的3要素 通风系统 数学模型 电子计算机 巷道增减和新巷道掘进，遗弃旧巷道，通过工作面，丢弃工作面和封闭工作面。 G →G’ 增加分支情况会变化： 1.n’= n+1 m’=m 2.n’= n+1 m’ =m+1 3.n’= n+2 m’=m+1 4.n’= n+2 m’=m+2 5.n’= n+3 m’=m+2 相应的节点可以保持不变而降低分支机构 1.选择或构造一个节点对象窗口 2. 构建分支对象3.设置节点属性,当n’>n+2时，分支原始节点要替换为新的构建节点。当分支增加时，相应的节点应该删除或者保持不变。
增减巷道断面，或者改变巷道形状，改变支付方式。 断面的形状和尺寸有相应的U,S。每个支付方式有各自的 r=aLU/S3。 选择相应的e1并改变r1的值。
巷道崩落,矿车堵塞,巷道脆片,设置通风门、窗户等等。 通风构筑物包括，增加通风的风窗和减少通风的风窗。 分支ei变化，相应的风阻也变化。 选择相应的分支ei和风阻值ri
底下或者地表安装风扇，减少地表或底下风扇。串联风扇，并联风扇。 当有风扇的时候就压强差 △P1,当风扇并联时风压不变，风量增加；当风扇串联时，风量不变，风压增加。 选择相应的ei，以及设置风机参数可以去图书馆查阅f1
改变风扇叶片安装角度 从a0~a5 改变分支相应的参数 关掉风机，测自然风压。 比较局部压差△pi，并注意方向。 直接给出或者计算出来自然风压值。
此外，W.Mu1ler，M.Kolarczyk等学者进行了一系列的研究工作[10]，研究重点集中在角联风路的气流方向的判断和角联风路对发火期的影响等问题。 在通风网络角联风路的利用人力和眼睛识别不仅是不科学的，也是能力的限制。通风网络如图3（a）所示，我们可以看到，E，E是角联风路，但很难判断E7是否是角联风路，如果我们改变节点v3、v4的位置，图形将变成图3（b），那么我们就可以发现，例如，E7是角联风路了。这是非常困难甚至是不可能的判断分支在小型网络中有8个节点和10个分支通过人力，难以判断角联风路在大规模网络是显而易见的。 1976年法国学者提出了一个数学模型[11]来判断基于网络拓扑关系第一角联分支，两种方法给出，其中之一是对于非有向图路径法，另一种是集合的计算方法，后来他第二种方法被证明是假的。 自动识别角联风路模块镶嵌着模拟系统采用路径集合的计算方法。它不仅可以给哪个分支是角联分支，但也给其影响角联分支等对角线结构的七元组相邻的分支机构[12,13,14] （a） （b） 图3 4. 通风网络特征图 所谓通风网络特性曲线是在通风网络的每个分支是由一个矩形笼表达，并布置为拓扑相关联的关系。宽度矩形笼等于分支的空气量，矩形笼的高度等于分支的电阻，矩形笼的面积等于功率消耗。
（a） （b） 图4 一个网络图如图4（a）所示，对应的通风网络特性曲线图如图4（b）所示，通风网络特性图的字符可通过4线进行说明。在通风网络特性图横线被称为节点线，如VJ VJ•，I $等在图4（b）所示。在通风网络特性曲线的垂直线称为回路线，如C¿，C等在图4（b）所示。水平线的切割通风网络特性曲线被称为割集线。 垂直线的切割通风网络特性曲线被称为路径一致。 通风网络特性曲线对矿井通风系统的管理具有原始和强大的功能。
5. 最佳的调节和可视化仿真系统 其中一个矿井通风仿真系统的重要功能是确定的网络，最佳的调节位置和数量的优化调度方案，以尽量减少矿井风机的功耗，采用MVSS最佳的调节方法是路径的方法，与传统的线性规划比较和非线性规划，它决定了网络的最小调节功耗，然后再散发出来的最佳调控路径的方法。我们可以说，微量调节功耗，其算法的概念不是一种最佳方法，但测试标准来评价，如果一个方法是最佳的。 仿真系统采用面向对象的程序设计方法，程序在Visual C ++5.0环境下编译。虽然在MFC类库CDC类提供BV的Visual C ++具有强大的图形绘制功能。但是来实现矿井通风仿真系统的可视化版本的工作量是巨大，因此AUTO CAD被选为开发仿真系统的可视化平台模块。数据处理是进行中的背景。
