劉 艷于峰濤

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083;2.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司北京研發(fā)中心,北京市朝陽區(qū),100013)

基于3DGIS的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析研究及應(yīng)用＊

劉 艷1于峰濤2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083;2.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司北京研發(fā)中心,北京市朝陽區(qū),100013)

以我國西北某礦為例,基于3DGIS技術(shù)對該礦井下數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納、整理及存儲(chǔ),按要素對構(gòu)成礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)體進(jìn)行管理,根據(jù)巷道網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)設(shè)施及通風(fēng)設(shè)備自動(dòng)建立通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系。利用井下安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)合通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算算法對礦井通風(fēng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,對通風(fēng)異常進(jìn)行分析,并將分析結(jié)果三維可視化,給用戶提供決策依據(jù)。

3DGIS 拓?fù)潢P(guān)系 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò) 三維可視化 礦井通風(fēng)

本文將煤礦井下監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及礦井地測導(dǎo)線數(shù)據(jù)按照3DGIS技術(shù)進(jìn)行分類存儲(chǔ),采用目前較為成熟的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣?dòng)構(gòu)建及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算算法實(shí)時(shí)監(jiān)控礦井通風(fēng)狀況,對通風(fēng)異常進(jìn)行分析,將分析結(jié)果以三維可視化效果呈現(xiàn)給用戶,為用戶管理通風(fēng)提供輔助手段。

1 數(shù)據(jù)組織管理及系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)基于3DGIS技術(shù),搭建數(shù)據(jù)中心,分兩個(gè)層次來管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù),其一是組織管理礦用對象,將通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中包含的對象抽象成井巷、設(shè)施、設(shè)備等要素;其二是組織管理礦用對象的空間幾何數(shù)據(jù)、空間拓?fù)潢P(guān)系以及幾何網(wǎng)絡(luò)信息等。在經(jīng)過上述處理之后,系統(tǒng)的三維可視化及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)同源。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算功能后,將井下安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)風(fēng)量數(shù)據(jù)作為已知條件,實(shí)時(shí)解算監(jiān)控礦井通風(fēng)狀態(tài),并將結(jié)果三維可視化。系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算及結(jié)果分析

利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算的關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系的自動(dòng)建立與管理。本文通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)來源于巷道網(wǎng)絡(luò),而巷道網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)來源于測量導(dǎo)線,用戶錄入三維導(dǎo)線數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)自動(dòng)對巷道進(jìn)行空間內(nèi)的相交處理,生成巷道對象及巷道網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將通風(fēng)設(shè)施及設(shè)備作為巷道對象的屬性數(shù)據(jù),結(jié)合巷道網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可以自動(dòng)建立通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系。當(dāng)巷道數(shù)據(jù)發(fā)生變化后,重新運(yùn)行巷道相交處理可重新建立通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系。

建立通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系后,便可以依據(jù)礦井通風(fēng)三大定律對通風(fēng)網(wǎng)進(jìn)行解算。參考《采礦工程設(shè)計(jì)手冊》上的基本數(shù)學(xué)模型,采用C++語言編寫實(shí)現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算算法,在VC2005下編譯運(yùn)行。礦井通風(fēng)三大定律如下。

(1)風(fēng)量平衡定律:

式中:MI——流入或流出該節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)孔的風(fēng)量,

以流入者為正,流出者為負(fù),m3/s

(2)能量平衡定律:

式中:Hf——風(fēng)機(jī)風(fēng)壓,Pa

HN——自然風(fēng)壓,Pa;

∑hRi——分支阻力代數(shù)和,Pa;

(3)通風(fēng)阻力定律:

式中:h——風(fēng)路的阻力或者風(fēng)壓,Pa;

R——風(fēng)路的風(fēng)阻,N·S2/m8;

Q——風(fēng)路中的風(fēng)量,m3/s

網(wǎng)絡(luò)解算之后需要對解算結(jié)果進(jìn)一步處理,對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化分析。本文網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)采用通路法,將采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)解算的結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對比,追蹤故障源頭。

3 通風(fēng)系統(tǒng)三維可視化

通風(fēng)系統(tǒng)三維可視化的關(guān)鍵技術(shù)是建立各通風(fēng)實(shí)體三維模型。本文主要研究巷道、通風(fēng)設(shè)施及通風(fēng)機(jī)等礦用對象的三維建模方法。系統(tǒng)將上述三類礦用對象的建模方法分為復(fù)雜建模和精細(xì)建模,復(fù)雜建模是指需要依據(jù)相應(yīng)數(shù)學(xué)模型建立專業(yè)算法來實(shí)現(xiàn)的三維建模方法;精細(xì)建模是指需要借助第三方三維建模工具實(shí)現(xiàn)的三維建模方法。其中巷道、通風(fēng)設(shè)施屬于復(fù)雜建模,風(fēng)機(jī)屬于精細(xì)建模。

3.1 巷道及通風(fēng)設(shè)施的三維幾何建模

許多學(xué)者對巷道三維建模方法做了大量的研究,歸納起來主要有如下幾種:巷道中線加載斷面法、巷道斷面切片法、巷道邊界構(gòu)建法以及巷道簡化等。本文在綜合比較幾種建模方式的基礎(chǔ)上,采用改進(jìn)型巷道中線加載斷面法,巷道拐點(diǎn)處采取插值處理,每隔15°插值一斷面,并且實(shí)現(xiàn)巷道內(nèi)外雙面貼圖效果。巷道建模效果見圖2和圖3。

通風(fēng)設(shè)施的建模思路主要是依據(jù)巷道基礎(chǔ)數(shù)據(jù),構(gòu)建簡單幾何模型,然后附加紋理貼圖實(shí)現(xiàn)。風(fēng)門建模效果見圖4。

3.2 風(fēng)機(jī)三維幾何建模

風(fēng)機(jī)建模屬于精細(xì)建模,本文利用3DMax建模工具建立模型后,將設(shè)備按照一定的規(guī)則導(dǎo)入到系統(tǒng)中。風(fēng)機(jī)建模見圖5。

4 現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用

西北某礦采用抽出式通風(fēng)方式,主斜井、副斜井進(jìn)風(fēng),回風(fēng)斜井回風(fēng),3個(gè)井筒的井口位置均在礦井西部的工業(yè)廣場內(nèi)。主斜井服務(wù)范圍為整個(gè)礦井,服務(wù)時(shí)間與礦井的服務(wù)年限相同,回風(fēng)斜井及副斜井服務(wù)范圍為礦井的11、21、13、23采區(qū)及西部急傾斜區(qū)域,服務(wù)時(shí)間在30年以上。礦井后期將適時(shí)增加副立井和中部風(fēng)井、北風(fēng)井。副立井位于礦井的東北部,其服務(wù)范圍包括12、22、14、24采區(qū)。中部風(fēng)井位于礦井的中北部,其服務(wù)范圍為12、22采區(qū)。北風(fēng)井位于礦井的西北部,其服務(wù)范圍為14、24采區(qū)。礦井采用 K J76N安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng),全礦總共布置5臺(tái) KHS-18型風(fēng)速傳感器,分別安放在副井井口、風(fēng)井井口、主井井口、11304回風(fēng)巷和11305回風(fēng)巷。

通過一段時(shí)間對該礦井通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)解算監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)一處異常報(bào)告,11304回風(fēng)巷中風(fēng)量超過設(shè)定允許閾值下限,同時(shí)11304工作面上隅角瓦斯傳感器報(bào)警。根據(jù)系統(tǒng)分析結(jié)果顯示異常數(shù)據(jù)的源頭是920車場。根據(jù)井下實(shí)際勘察結(jié)果顯示,920車場前方煤倉漏風(fēng)過大,920車場中調(diào)節(jié)風(fēng)窗沒有調(diào)節(jié)而最終引起11304回采工作面風(fēng)量過低。分析結(jié)果基本與現(xiàn)場一致。煤礦現(xiàn)場實(shí)際使用效果見圖6。

圖6 通風(fēng)異常報(bào)警

5 結(jié)論

本文綜合利用三維礦體建模、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算及優(yōu)化分析等成熟算法,將煤礦生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與地測數(shù)據(jù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò),對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析追源,用直觀的三維效果顯示分析結(jié)果。讓調(diào)度室中不是通風(fēng)專業(yè)的人員同樣可以快速定位礦井通風(fēng)異常地點(diǎn),從而起到輔助決策的作用。系統(tǒng)在煤礦現(xiàn)場使用中達(dá)到了預(yù)期的效果,可以在同類礦井中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

[1]吳兵,盧本陶,水林娜.用最長路徑法自動(dòng)生成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖[J].煤礦安全,2006(6)

[2]張榮立,何國緯,李鐸.采礦工程設(shè)計(jì)手冊[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004

[3]于峰濤.礦井通風(fēng)立體圖及網(wǎng)絡(luò)圖自動(dòng)繪制方法的研究,[D].太原:太原理工大學(xué),2007

[4]鮑艷.礦山信息系統(tǒng)中三維矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與可視化[D].西安:西安科技大學(xué),2002

[5]李長春,王寶山.虛擬巷道模型構(gòu)建及其在巷道水淹模擬中的應(yīng)用研究[J].測繪通報(bào),2007(7)

(責(zé)任編輯 梁子榮)

Study and application ofmine ventilation network based on 3DGIS

Liu Yan1,Yu fengtao2
(1.Civil and Environment Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Haidian,Beijing 100083,China;2.Beijing Research Center of Tiandi(Changzhou)Automation Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China)

Based on 3DGIS technology,the real data from a coalmine in northwest of China were summed up and sorted.The entities inmine ventilation network were managed according to key elements,and the topological relation of ventilation network was automatically set up in the light of the tunnel network,ventilation facilities and ventilation equipments.With the aid of the real-time monitoring data from underground safety monitoring system combined with themine ventilation network calculation algorithm,the real-time monitoring was realized for ventilation system,and the abnormal phenomenon during ventilation would be analyzed to give out the results in 3D display,providing a reliable basis for decision-making.

3DGIS,topological relations,ventilation network,3D visualization,mine ventilation

TD724

A

＊863計(jì)劃課題,項(xiàng)目號(hào):2008AA062104,項(xiàng)目名稱:深井巖爆災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測與危險(xiǎn)性分析技術(shù)。

劉艷(1982-),女,山西忻州人,在讀博士,主要從事礦山安全方面的研究。