張新國，劉 冰，江 寧，江興元

（山東科技大學(xué)a.礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院；c.資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266510)

在我國建筑物下、水體下、鐵路下（簡(jiǎn)稱“三下”)積壓了大量的煤炭資源，隨著煤炭開采技術(shù)水平的提高，煤炭行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的好轉(zhuǎn)，煤炭資源的緊缺，充填采礦法正在逐漸地被采納，它是實(shí)現(xiàn)資源與環(huán)境友好開采的和諧綠色開采技術(shù)［1］。

目前主要有（超)高水材料充填、（似)膏體充填、固體廢棄物充填三種充填開采技術(shù)［2-4］。礦山充填是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到礦區(qū)的地面、地下的方方面面，不僅需要一定的人力、設(shè)備等資源，更需要一定的工作空間，如何安排充填設(shè)備和管路的工作空間，減少空間沖突，最終實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，針對(duì)不同的礦區(qū)，往往要采取不同的充填方法和工藝方案。過去人們僅靠文字和二維或者三維的圖紙很難做出準(zhǔn)確的決策，為了讓煤礦充填系統(tǒng)形象逼真地展現(xiàn)在人們的眼前，也為了讓更多的人了解和認(rèn)識(shí)礦山充填技術(shù)，本文論證了運(yùn)用系統(tǒng)工程思想、理論和方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真等先進(jìn)技術(shù)使充填系統(tǒng)三維可視化，模擬井下充填的真實(shí)環(huán)境，不僅可以聽到虛擬環(huán)境中的音響，而且還可以感受到虛擬環(huán)境所反饋的作用力，使觀看者產(chǎn)生一種身臨其境的感覺［5］。同時(shí)幫助決策，并對(duì)提高煤礦安全生產(chǎn)、礦工安全保護(hù)意識(shí)和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)仿真學(xué)

系統(tǒng)仿真（又稱為系統(tǒng)模擬)是指在不干擾真實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，為研究系統(tǒng)的性能而構(gòu)造并在計(jì)算機(jī)上按照特定的規(guī)則運(yùn)行、表示真實(shí)系統(tǒng)的模型的一種技術(shù)。系統(tǒng)模擬的優(yōu)點(diǎn)在于，一方面，它不影響和破壞真實(shí)系統(tǒng)，同時(shí)還能夠反映真實(shí)系統(tǒng)的某些行為，用戶通過適當(dāng)裝置，自然地對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行體驗(yàn)和實(shí)現(xiàn)人機(jī)實(shí)時(shí)交互，與物理實(shí)驗(yàn)相比，它具有易改變、成本低的特點(diǎn)；另一方面，當(dāng)真實(shí)系統(tǒng)的某些因素具有不可實(shí)驗(yàn)性時(shí)，模擬系統(tǒng)照樣可以建立［6］。因此，系統(tǒng)模擬是解決某些復(fù)雜系統(tǒng)的最為有效的手段之一。

目前，國外在礦業(yè)領(lǐng)域己開發(fā)出了多個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，而國內(nèi)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦業(yè)方面的研究還處于起步階段［7］，各大院校、研究所及社會(huì)公司團(tuán)體正在著手這方面的研究，但主要集中在利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來促進(jìn)煤礦開采技術(shù)的創(chuàng)新、技術(shù)可行性的論證以及人員的培訓(xùn)上［8-10］。作者根據(jù)煤礦地下充填技術(shù)的特點(diǎn)，建立了煤礦充填開采虛擬仿真系統(tǒng)，初步探索了如何將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與煤礦采空區(qū)充填技術(shù)結(jié)合起來。

2 充填系統(tǒng)的三維仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文利用三維仿真的方法對(duì)矸石充填和膏體充填技術(shù)進(jìn)行仿真模擬，清晰地說明煤礦充填仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)［11］，研究流程如圖1所示。

圖1 充填技術(shù)的虛擬仿真研究流程圖

2.1 數(shù)據(jù)采集

考慮到井下充填虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)用性和復(fù)雜性，在構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)之前需要收集大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，必須要確定煤礦場(chǎng)景中實(shí)體的幾何尺寸、相互位置坐標(biāo)、紋理數(shù)據(jù)、礦井測(cè)量數(shù)據(jù)等。這就需要進(jìn)行詳細(xì)的資料數(shù)據(jù)收集，還要到實(shí)地進(jìn)行考察。如果收集的資料不全或者數(shù)據(jù)偏差較大，必然影響到后期模型的建立，進(jìn)而影響到該仿真場(chǎng)景相對(duì)實(shí)際場(chǎng)景的準(zhǔn)確度和真實(shí)性。

2.2 建立實(shí)體模型

本文選擇3ds Max軟件進(jìn)行建模，在建模的過程中，由于煤礦自身的地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜、機(jī)械設(shè)備類型繁多等特點(diǎn)，直接導(dǎo)致了礦山模型的復(fù)雜性和多樣性，因此需要建立統(tǒng)一的模型數(shù)據(jù)庫，針對(duì)復(fù)雜的模型還需應(yīng)用多層細(xì)節(jié)建模技術(shù)。為了增加模型的逼真度，還需利用紋理映射技術(shù)。場(chǎng)景模型主要包括設(shè)備模型和地質(zhì)環(huán)境模型。

2.2.1 設(shè)備建模

設(shè)備建模主要包括矸石倉、粉碎機(jī)、采煤機(jī)、皮帶輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、泵、充填管路等，效果如圖2和圖3所示。3ds Max建模主要有以下幾個(gè)步驟［12］。

圖2 變速箱

圖3 充填箱

1)指定統(tǒng)一的模型編碼，采集與處理三維場(chǎng)景的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括空間幾何數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)。

2)拆分設(shè)備單元。建模時(shí)需要將設(shè)備分解成幾個(gè)單元，如掩護(hù)式支架采煤機(jī)包括采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等，然后逐個(gè)建模。

3)選擇適當(dāng)?shù)慕７椒ā?ds Max的復(fù)雜建模方法在復(fù)合對(duì)象菜單中有布爾、放樣、網(wǎng)格化、地形等。針對(duì)各種方法和模型自身的特點(diǎn)，在建模時(shí)要選擇適合的方法。

4)模型輸出。在3ds Max建模完成后，模型以max格式存儲(chǔ)，在模型都建好之后，將它們導(dǎo)入同一個(gè)max文件中，檢查模型比例是否一致。

2.2.2 地質(zhì)環(huán)境建模

地質(zhì)環(huán)境建模包括地表的矸石山、井筒、地下巖層、采空區(qū)等，為了使仿真的效果更加逼真，在構(gòu)建井筒、地層、采空區(qū)時(shí)，采用坡面構(gòu)建方法，將其內(nèi)部展示出來。特別是在采空區(qū)建模時(shí)，由于開采后采空區(qū)會(huì)發(fā)生變形，為了能夠準(zhǔn)確地模擬真實(shí)情況，需采用另一種先進(jìn)的技術(shù)——3D激光掃描技術(shù)［13］。該技術(shù)是對(duì)確定目標(biāo)的整體或局部進(jìn)行完整的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)探測(cè)，在三維空間進(jìn)行從左到右、從上到下的全自動(dòng)高精度掃描，進(jìn)而得到完整的、全面的、連續(xù)的點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而真實(shí)地描述出采空區(qū)的整體結(jié)構(gòu)，并通過掃描探測(cè)點(diǎn)云編織出采空區(qū)的三維模型。

2.2.3 充填動(dòng)態(tài)效果設(shè)置

動(dòng)態(tài)場(chǎng)景使用動(dòng)畫效果來模擬設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，利用3ds Max的動(dòng)畫制作模塊快速定制復(fù)雜的充填過程。主要的動(dòng)畫效果包括矸石運(yùn)輸、膏體流動(dòng)、工作面充填過程等。通過3ds Max的動(dòng)畫控制器來控制物體的運(yùn)動(dòng)軌跡和時(shí)間序列，對(duì)于復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，需預(yù)先設(shè)定好物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后讓物體參考軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還可以設(shè)定物體自身的旋轉(zhuǎn)，通過多種效果的疊加來模擬真實(shí)的情況。例如矸石槽位置的變化，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到底部時(shí)，為了將槽中的填充物倒入井下的矸石倉，為了模擬真實(shí)的運(yùn)作，槽口需向下旋轉(zhuǎn)，只要在矸石槽上疊加一個(gè)旋轉(zhuǎn)即可，具體效果如圖4所示。

圖4 矸石升降槽

2.2.4 充填動(dòng)畫渲染

動(dòng)畫渲染用來增加動(dòng)畫的藝術(shù)效果，3ds Max中有掃描線渲染器、光跟蹤器、光能傳遞和Mental ray渲染器。本系統(tǒng)的動(dòng)畫采用的是掃描線渲染器，在“公用參數(shù)”的“時(shí)間輸出”中定義渲染的活動(dòng)時(shí)間段范圍，在“輸出大小”中可以設(shè)置輸出圖像的大小。設(shè)置好參數(shù)之后就可以點(diǎn)擊“渲染”按鈕對(duì)動(dòng)畫進(jìn)行渲染。

3 充填方案的模擬與比較

由于井下環(huán)境、充填設(shè)備、成本、安全隱患及人員、空間等條件的限制，對(duì)很多煤礦充填開采的方案必須進(jìn)行可行性論證。通過煤礦充填開采虛擬仿真的研究，運(yùn)用三維可視化的方法模擬煤礦充填開采的過程，將設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度、充填材料、矸石密實(shí)度、巷道傾角和采空區(qū)大小等數(shù)據(jù)加入系統(tǒng)中進(jìn)行定量分析，還可以真實(shí)地表現(xiàn)充填的效果。通過演示整個(gè)充填的過程和充填的效果來實(shí)現(xiàn)不同充填技術(shù)方案的比較，從而根據(jù)實(shí)地情況選擇最適合的充填方案。

3.1 矸石充填

矸石礦車經(jīng)推車機(jī)推入翻車機(jī)，翻車機(jī)翻矸到矸石倉，由矸石倉下口入給料機(jī)，將矸石轉(zhuǎn)載到充填配巷的運(yùn)輸機(jī)、充填巷機(jī)尾驅(qū)動(dòng)式矸石運(yùn)輸機(jī)，然后運(yùn)輸?shù)匠涮顧C(jī)，由充填機(jī)充填到充填空間內(nèi)，并在臨近充填巷內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)化注漿加固。矸石溜矸孔自下而上進(jìn)行充填。采空區(qū)充填完成后，系統(tǒng)隨工作面采煤機(jī)割煤及支架推移，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。矸石充填的虛擬場(chǎng)景包括矸石山、皮帶輸送機(jī)、粉碎機(jī)、矸石倉、螺旋給料機(jī)、刮板輸送機(jī)、充填支架等。具體效果圖見圖5。

圖5 矸石充填效果圖

矸石充填的優(yōu)勢(shì)在于它充分利用礦井固體廢料，有效地實(shí)現(xiàn)礦區(qū)矸石的下井回收利用，減少固體污染，尤其是井下矸石充填技術(shù)更是排除了矸石對(duì)地面的污染。本文模擬的矸石充填技術(shù)實(shí)現(xiàn)了采煤與充填同步進(jìn)行，不但節(jié)省了資源，而且提高了煤炭開采效率。

3.2 膏體泵送充填

膏體泵送充填是將充填材料制成膏狀稠料，借助正壓排量泵輸送到采空區(qū)的工藝過程［14］。膏體泵送充填特點(diǎn)是充填料是一種不吸水的物料集合體，為了得到較理想的稠料，物料配合有較嚴(yán)格的要求。膏體泵送充填的虛擬場(chǎng)景包括原料倉、螺旋給料機(jī)、攪拌機(jī)、泵、分流泵、充填支架等。具體效果圖見圖6。膏體充填具有施工簡(jiǎn)單、安全性高、施工工藝成熟、施工易于管理、質(zhì)量檢測(cè)手段簡(jiǎn)便易行等優(yōu)點(diǎn)，膏體不但可以充填采空區(qū)，還可以充填采空區(qū)上覆巖體裂隙［9］。膏體充填的困難點(diǎn)在于控制初凝時(shí)間，使充填過程不影響工作面的正常生產(chǎn)，同時(shí)對(duì)于膏體材料的選擇和費(fèi)用也要做合理的調(diào)研，避免花費(fèi)過大影響效益。

圖6 膏體充填效果圖

3.3 拋袋充填

將廢棄物料裝于充填袋內(nèi)，由地面運(yùn)輸?shù)骄?，?jīng)皮帶運(yùn)輸?shù)焦ぷ髅娌擅簷C(jī)后方，進(jìn)行自動(dòng)式翻袋到采空區(qū)內(nèi)。拋袋充填的虛擬場(chǎng)景包括皮帶運(yùn)輸機(jī)、充填袋、支架翻轉(zhuǎn)設(shè)備等。具體效果圖見圖7。充填袋充填往往要花費(fèi)大量的人力和物力資源，但充填材料的選擇來源廣泛，充填成本相對(duì)較低。

圖7 固體廢棄物充填效果圖

通過對(duì)以上充填方案的仿真模擬，逼真地顯示了每種方案的充填流程、充填所需時(shí)間、充填效果等信息。為煤礦選擇合適的充填方法提供了參考依據(jù)，同時(shí)也將礦井由地面到采空區(qū)的充填過程詳細(xì)地展現(xiàn)在眼前，成功地實(shí)現(xiàn)了充填系統(tǒng)的仿真。

4 結(jié)束語

隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展，在個(gè)人計(jì)算機(jī)上或?qū)嶒?yàn)室工作站上發(fā)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已不再成為夢(mèng)想。煤礦充填開采虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究、開發(fā)與應(yīng)用，無疑將改變傳統(tǒng)的教學(xué)和科研方法，促進(jìn)煤礦高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)，成為礦山優(yōu)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及礦工培訓(xùn)等方面的重要手段，由此可見煤礦充填開采虛擬仿真必將具有廣闊的應(yīng)用前景。

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