基于3DGIS的矿井通风网络分析研究及应用＊

刘 艳于峰涛

(1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京市海淀区,100083;2.天地(常州)自动化股份有限公司北京研发中心,北京市朝阳区,100013)

基于3DGIS的矿井通风网络分析研究及应用＊

刘 艳1于峰涛2

(1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京市海淀区,100083;2.天地(常州)自动化股份有限公司北京研发中心,北京市朝阳区,100013)

以我国西北某矿为例,基于3DGIS技术对该矿井下数据进行归纳、整理及存储,按要素对构成矿井通风网络中的实体进行管理,根据巷道网络、通风设施及通风设备自动建立通风网络拓扑关系。利用井下安全监测监控系统监测的实时数据结合通风网络解算算法对矿井通风进行实时监控,对通风异常进行分析,并将分析结果三维可视化,给用户提供决策依据。

3DGIS 拓扑关系 通风网络 三维可视化 矿井通风

本文将煤矿井下监测监控系统采集的实时数据以及矿井地测导线数据按照3DGIS技术进行分类存储,采用目前较为成熟的通风网络拓扑自动构建及通风网络解算算法实时监控矿井通风状况,对通风异常进行分析,将分析结果以三维可视化效果呈现给用户,为用户管理通风提供辅助手段。

1 数据组织管理及系统架构

本系统基于3DGIS技术,搭建数据中心,分两个层次来管理基础数据,其一是组织管理矿用对象,将通风网络中包含的对象抽象成井巷、设施、设备等要素;其二是组织管理矿用对象的空间几何数据、空间拓扑关系以及几何网络信息等。在经过上述处理之后,系统的三维可视化及通风网络解算数据可以实现同源。系统实现通风网络解算功能后,将井下安全监测监控系统采集的实时风量数据作为已知条件,实时解算监控矿井通风状态,并将结果三维可视化。系统的架构设计见图1。

图1 系统架构

2 通风网络解算及结果分析

利用计算机进行通风网络解算的关键技术是实现通风网络拓扑关系的自动建立与管理。本文通风网络数据来源于巷道网络,而巷道网络数据来源于测量导线,用户录入三维导线数据后,系统自动对巷道进行空间内的相交处理,生成巷道对象及巷道网络数据。系统将通风设施及设备作为巷道对象的属性数据,结合巷道网络数据可以自动建立通风网络拓扑关系。当巷道数据发生变化后,重新运行巷道相交处理可重新建立通风网络拓扑关系。

建立通风网络拓扑关系后,便可以依据矿井通风三大定律对通风网进行解算。参考《采矿工程设计手册》上的基本数学模型,采用C++语言编写实现通风网络解算算法,在VC2005下编译运行。矿井通风三大定律如下。

(1)风量平衡定律:

式中:MI——流入或流出该节点或网孔的风量,

以流入者为正,流出者为负,m3/s

(2)能量平衡定律:

式中:Hf——风机风压,Pa

HN——自然风压,Pa;

∑hRi——分支阻力代数和,Pa;

(3)通风阻力定律:

式中:h——风路的阻力或者风压,Pa;

R——风路的风阻,N·S2/m8;

Q——风路中的风量,m3/s

网络解算之后需要对解算结果进一步处理,对异常数据进行优化分析。本文网络调节采用通路法,将采用实时数据解算的结果与优化结果进行对比,追踪故障源头。

3 通风系统三维可视化

通风系统三维可视化的关键技术是建立各通风实体三维模型。本文主要研究巷道、通风设施及通风机等矿用对象的三维建模方法。系统将上述三类矿用对象的建模方法分为复杂建模和精细建模,复杂建模是指需要依据相应数学模型建立专业算法来实现的三维建模方法;精细建模是指需要借助第三方三维建模工具实现的三维建模方法。其中巷道、通风设施属于复杂建模,风机属于精细建模。

3.1 巷道及通风设施的三维几何建模

许多学者对巷道三维建模方法做了大量的研究,归纳起来主要有如下几种:巷道中线加载断面法、巷道断面切片法、巷道边界构建法以及巷道简化等。本文在综合比较几种建模方式的基础上,采用改进型巷道中线加载断面法,巷道拐点处采取插值处理,每隔15°插值一断面,并且实现巷道内外双面贴图效果。巷道建模效果见图2和图3。

通风设施的建模思路主要是依据巷道基础数据,构建简单几何模型,然后附加纹理贴图实现。风门建模效果见图4。

3.2 风机三维几何建模

风机建模属于精细建模,本文利用3DMax建模工具建立模型后,将设备按照一定的规则导入到系统中。风机建模见图5。

4 现场实际应用

西北某矿采用抽出式通风方式,主斜井、副斜井进风,回风斜井回风,3个井筒的井口位置均在矿井西部的工业广场内。主斜井服务范围为整个矿井,服务时间与矿井的服务年限相同,回风斜井及副斜井服务范围为矿井的11、21、13、23采区及西部急倾斜区域,服务时间在30年以上。矿井后期将适时增加副立井和中部风井、北风井。副立井位于矿井的东北部,其服务范围包括12、22、14、24采区。中部风井位于矿井的中北部,其服务范围为12、22采区。北风井位于矿井的西北部,其服务范围为14、24采区。矿井采用 K J76N安全监测监控系统,全矿总共布置5台 KHS-18型风速传感器,分别安放在副井井口、风井井口、主井井口、11304回风巷和11305回风巷。

通过一段时间对该矿井通风系统的实时解算监控,发现一处异常报告,11304回风巷中风量超过设定允许阈值下限,同时11304工作面上隅角瓦斯传感器报警。根据系统分析结果显示异常数据的源头是920车场。根据井下实际勘察结果显示,920车场前方煤仓漏风过大,920车场中调节风窗没有调节而最终引起11304回采工作面风量过低。分析结果基本与现场一致。煤矿现场实际使用效果见图6。

图6 通风异常报警

5 结论

本文综合利用三维矿体建模、通风网络解算及优化分析等成熟算法,将煤矿生产过程中的实时数据与地测数据相结合,实现实时监控矿井通风网络,对异常数据进行分析追源,用直观的三维效果显示分析结果。让调度室中不是通风专业的人员同样可以快速定位矿井通风异常地点,从而起到辅助决策的作用。系统在煤矿现场使用中达到了预期的效果,可以在同类矿井中进行推广应用。

[1]吴兵,卢本陶,水林娜.用最长路径法自动生成通风网络图[J].煤矿安全,2006(6)

[2]张荣立,何国纬,李铎.采矿工程设计手册[M].北京:煤炭工业出版社,2004

[3]于峰涛.矿井通风立体图及网络图自动绘制方法的研究,[D].太原:太原理工大学,2007

[4]鲍艳.矿山信息系统中三维矢量数据结构与可视化[D].西安:西安科技大学,2002

[5]李长春,王宝山.虚拟巷道模型构建及其在巷道水淹模拟中的应用研究[J].测绘通报,2007(7)

(责任编辑 梁子荣)

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计划课题,项目号:2008AA062104,项目名称:深井岩爆灾害动态监测与危险性分析技术。

刘艳(1982-),女,山西忻州人,在读博士,主要从事矿山安全方面的研究。