煤礦通風系統三維模擬關鍵技術及其實現

潘新剛

(山西陽煤集團礦山救護大隊，山西 陽泉 045008)

0 引言

科學合理的通風系統設計能為井下作業提供安全保障，但在現實中往往存在著通風設計不合理、風機效率過低，不能快速為礦井巷道提供新鮮空氣以至風量不足或者是出現漏風的現象，將會給井下工作人員帶來許多危險，造成事故的發生。針對這些問題進行改進，往往需要不斷地去實驗，從而選擇最適合的方式。但綜合考慮各方面因素，對通風系統進行三維仿真模擬是一種最能夠節省成本的方式。

1 相關概念

三維仿真模擬技術已經在生產生活中得到廣泛應用。該技術是利用計算機以及互聯網技術去建立一個虛擬的環境，在該虛擬的環境中進行實驗和操作，得到一個項目或一個工程的實際運行狀態，對發現問題的地方進行改進，然后再在現實生活中去實施這些方案，起到了節約成本的作用[1]。在煤礦通風系統中使用三維仿真模擬技術，需要對通風構筑物、風流進行建模，從而形成完整的虛擬通風系統。

煤礦通風系統是保證煤礦安全作業的重要組成部分，主要通過對于礦井通風方式進行科學設計，獲取適合煤礦開拓方式的通風方式。通風網絡是通風系統的重要組成部分，合理的調整通風網絡，可以確保通風機資源最大限度地滿足全礦各巷道風量、風速安全需要，三維仿真模擬也是最有效的技術手段。

2 通風系統建模技術要點

2.1 煤礦巷道相關數據收集

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

2.2 煤礦巷道模型的設計

在對組成煤礦的各個元素進行數據收集的過程中，不難發現各個數據之間具備拓撲關系，例如點狀物構成了線，然后又由線組成面，不同的面狀物合在一起，就組成了一個立體的物品，最終形成一條完整的煤礦內部巷道[3]。圖1是巷道內部所有元素之間的拓撲關系分解圖。將煤礦巷道的組成清晰地表達出來。

圖1 煤礦巷道的三維數據模型

2.3 煤礦巷道的幾何建模

對于煤礦內部巷道的幾何建模，首先要解決的是對巷道弧以及巷道線的準確測量，然后根據測量得到的巷道測量導線的數據確定各個面的坐標位置，尤其是對斷面的起點以及終點的位置的確定，該位置的確定能夠進一步將巷道弧的位置確定出來；最后，根據坐標和位置的不同，進行貼圖處理，完成一條巷道的幾何模型的建立[4]。在這個過程中可以提前將通風構筑物進行三維建模，因為它是以點的形式記錄在三維模型塊中，是按照真實的比例提前進行制作的，在需要的時候可以隨時進行調用。

2.4 風流模擬的技術要點

對風流進行三維仿真模擬的技術要點是對粒子系統進行適當改造，因為在建模過程中要利用粒子的不同環節來完成建模工作。而主要利用的就是它的誕生環節、運行環節、以及最終的死亡環節。根據這3個環節中粒子的不同表現來完成實體建模，但其缺點在于這3個環節存在隨機性，因此需適當地改造。可從以下幾個方面進行：①把握粒子生長位置，要將其準確地控制在煤礦巷道風流模擬的開始位置，改變其隨機生成的特性，這種改造能夠使風流三維模擬正確生成；②對粒子運行速度進行控制，使其滿足風流三維模擬捕捉數據的需要，同時保證粒子運行途徑在風流三維仿真模擬的路徑之內，這樣才能捕捉到完整的風流路徑；③要對粒子死亡時間進行改造，保證其在運行到煤礦巷道的末端時才會死亡，這樣就能形成完整的風流三維仿真模擬模型。

3 三維系統的實現

3.1 可視化查詢

可視化查詢主要是指對于已經建成的煤礦通風系統三維模擬仿真模型中的不同對象進行的查詢，從而保證三維模型的可操作性與可實現性。具體的環節如下：①在建好的三維模型中選擇一個查詢對象，例如礦井巷道；②對其進行命令處理，這個時候采取的主要是函數處理以及拓撲關系處理；③將得到的對象信息轉換為字段值，在數據庫中對這些字段值進行相應的搜索，保證能夠得到這些信息；④返回用戶數據處理中心，分析得到的數據，獲得查詢對象的通風技術參數。

3.2 功能實現

對煤礦內部巷道進行了數據采集、幾何建模、利用對粒子的改造進行風流三維仿真模型的建立，在這個過程中需要利用互聯網技術，對這些模型進行合并和開發，并且利用數據庫資源實現煤礦巷道通風系統的三維模擬。在這一模型中可進行煤礦通風系統的構建，操作人員需要通過鼠標和鍵盤對三維模型進行控制，可以得到其中的數據信息；并且通過觀察三維仿真模型中粒子的運行軌跡以及消亡得到通風系統的使用情況[5]。以便在現實生活中對于煤礦巷道中通風系統進行改進，根據不同的數據調整新風送入的方式，保證通風系統的安全運行。

4 結語

煤礦通風系統的工作直接影響著井下工作人員的生命安全，對其進行三維模擬能夠有效地進行技術更新，減少了煤礦事故的發生。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的通風情況，因此可以實現礦井的網絡化通風管理。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事故的發生，另一方面也對礦井環境進行了調節，使井下工作人員的健康得到保護。