基于3DGIS的礦井通風網絡分析研究及應用＊

劉 艷于峰濤

(1.北京科技大學土木與環境工程學院,北京市海淀區,100083;2.天地(常州)自動化股份有限公司北京研發中心,北京市朝陽區,100013)

基于3DGIS的礦井通風網絡分析研究及應用＊

劉 艷1于峰濤2

(1.北京科技大學土木與環境工程學院,北京市海淀區,100083;2.天地(常州)自動化股份有限公司北京研發中心,北京市朝陽區,100013)

以我國西北某礦為例,基于3DGIS技術對該礦井下數據進行歸納、整理及存儲,按要素對構成礦井通風網絡中的實體進行管理,根據巷道網絡、通風設施及通風設備自動建立通風網絡拓撲關系。利用井下安全監測監控系統監測的實時數據結合通風網絡解算算法對礦井通風進行實時監控,對通風異常進行分析,并將分析結果三維可視化,給用戶提供決策依據。

3DGIS 拓撲關系 通風網絡 三維可視化 礦井通風

本文將煤礦井下監測監控系統采集的實時數據以及礦井地測導線數據按照3DGIS技術進行分類存儲,采用目前較為成熟的通風網絡拓撲自動構建及通風網絡解算算法實時監控礦井通風狀況,對通風異常進行分析,將分析結果以三維可視化效果呈現給用戶,為用戶管理通風提供輔助手段。

1 數據組織管理及系統架構

本系統基于3DGIS技術,搭建數據中心,分兩個層次來管理基礎數據,其一是組織管理礦用對象,將通風網絡中包含的對象抽象成井巷、設施、設備等要素;其二是組織管理礦用對象的空間幾何數據、空間拓撲關系以及幾何網絡信息等。在經過上述處理之后,系統的三維可視化及通風網絡解算數據可以實現同源。系統實現通風網絡解算功能后,將井下安全監測監控系統采集的實時風量數據作為已知條件,實時解算監控礦井通風狀態,并將結果三維可視化。系統的架構設計見圖1。

圖1 系統架構

2 通風網絡解算及結果分析

利用計算機進行通風網絡解算的關鍵技術是實現通風網絡拓撲關系的自動建立與管理。本文通風網絡數據來源于巷道網絡,而巷道網絡數據來源于測量導線,用戶錄入三維導線數據后,系統自動對巷道進行空間內的相交處理,生成巷道對象及巷道網絡數據。系統將通風設施及設備作為巷道對象的屬性數據,結合巷道網絡數據可以自動建立通風網絡拓撲關系。當巷道數據發生變化后,重新運行巷道相交處理可重新建立通風網絡拓撲關系。

建立通風網絡拓撲關系后,便可以依據礦井通風三大定律對通風網進行解算。參考《采礦工程設計手冊》上的基本數學模型,采用C++語言編寫實現通風網絡解算算法,在VC2005下編譯運行。礦井通風三大定律如下。

(1)風量平衡定律:

式中:MI——流入或流出該節點或網孔的風量,

以流入者為正,流出者為負,m3/s

(2)能量平衡定律:

式中:Hf——風機風壓,Pa

HN——自然風壓,Pa;

∑hRi——分支阻力代數和,Pa;

(3)通風阻力定律:

式中:h——風路的阻力或者風壓,Pa;

R——風路的風阻,N·S2/m8;

Q——風路中的風量,m3/s

網絡解算之后需要對解算結果進一步處理,對異常數據進行優化分析。本文網絡調節采用通路法,將采用實時數據解算的結果與優化結果進行對比,追蹤故障源頭。

3 通風系統三維可視化

通風系統三維可視化的關鍵技術是建立各通風實體三維模型。本文主要研究巷道、通風設施及通風機等礦用對象的三維建模方法。系統將上述三類礦用對象的建模方法分為復雜建模和精細建模,復雜建模是指需要依據相應數學模型建立專業算法來實現的三維建模方法;精細建模是指需要借助第三方三維建模工具實現的三維建模方法。其中巷道、通風設施屬于復雜建模,風機屬于精細建模。

3.1 巷道及通風設施的三維幾何建模

許多學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上,采用改進型巷道中線加載斷面法,巷道拐點處采取插值處理,每隔15°插值一斷面,并且實現巷道內外雙面貼圖效果。巷道建模效果見圖2和圖3。

通風設施的建模思路主要是依據巷道基礎數據,構建簡單幾何模型,然后附加紋理貼圖實現。風門建模效果見圖4。

3.2 風機三維幾何建模

風機建模屬于精細建模,本文利用3DMax建模工具建立模型后,將設備按照一定的規則導入到系統中。風機建模見圖5。

4 現場實際應用

西北某礦采用抽出式通風方式,主斜井、副斜井進風,回風斜井回風,3個井筒的井口位置均在礦井西部的工業廣場內。主斜井服務范圍為整個礦井,服務時間與礦井的服務年限相同,回風斜井及副斜井服務范圍為礦井的11、21、13、23采區及西部急傾斜區域,服務時間在30年以上。礦井后期將適時增加副立井和中部風井、北風井。副立井位于礦井的東北部,其服務范圍包括12、22、14、24采區。中部風井位于礦井的中北部,其服務范圍為12、22采區。北風井位于礦井的西北部,其服務范圍為14、24采區。礦井采用 K J76N安全監測監控系統,全礦總共布置5臺 KHS-18型風速傳感器,分別安放在副井井口、風井井口、主井井口、11304回風巷和11305回風巷。

通過一段時間對該礦井通風系統的實時解算監控,發現一處異常報告,11304回風巷中風量超過設定允許閾值下限,同時11304工作面上隅角瓦斯傳感器報警。根據系統分析結果顯示異常數據的源頭是920車場。根據井下實際勘察結果顯示,920車場前方煤倉漏風過大,920車場中調節風窗沒有調節而最終引起11304回采工作面風量過低。分析結果基本與現場一致。煤礦現場實際使用效果見圖6。

圖6 通風異常報警

5 結論

本文綜合利用三維礦體建模、通風網絡解算及優化分析等成熟算法,將煤礦生產過程中的實時數據與地測數據相結合,實現實時監控礦井通風網絡,對異常數據進行分析追源,用直觀的三維效果顯示分析結果。讓調度室中不是通風專業的人員同樣可以快速定位礦井通風異常地點,從而起到輔助決策的作用。系統在煤礦現場使用中達到了預期的效果,可以在同類礦井中進行推廣應用。

[1]吳兵,盧本陶,水林娜.用最長路徑法自動生成通風網絡圖[J].煤礦安全,2006(6)

[2]張榮立,何國緯,李鐸.采礦工程設計手冊[M].北京:煤炭工業出版社,2004

[3]于峰濤.礦井通風立體圖及網絡圖自動繪制方法的研究,[D].太原:太原理工大學,2007

[4]鮑艷.礦山信息系統中三維矢量數據結構與可視化[D].西安:西安科技大學,2002

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

(責任編輯 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計劃課題,項目號:2008AA062104,項目名稱:深井巖爆災害動態監測與危險性分析技術。

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。