煤矿充填三维仿真系统的研究与应用

张新国，刘 冰，江 宁，江兴元

（山东科技大学a.矿山灾害预防控制教育部重点实验室；b.测绘科学与工程学院；c.资源与环境工程学院，山东 青岛 266510)

在我国建筑物下、水体下、铁路下（简称“三下”)积压了大量的煤炭资源，随着煤炭开采技术水平的提高，煤炭行业经济效益的好转，煤炭资源的紧缺，充填采矿法正在逐渐地被采纳，它是实现资源与环境友好开采的和谐绿色开采技术［1］。

目前主要有（超)高水材料充填、（似)膏体充填、固体废弃物充填三种充填开采技术［2-4］。矿山充填是一个复杂的系统工程，涉及到矿区的地面、地下的方方面面，不仅需要一定的人力、设备等资源，更需要一定的工作空间，如何安排充填设备和管路的工作空间，减少空间冲突，最终实现最优化，针对不同的矿区，往往要采取不同的充填方法和工艺方案。过去人们仅靠文字和二维或者三维的图纸很难做出准确的决策，为了让煤矿充填系统形象逼真地展现在人们的眼前，也为了让更多的人了解和认识矿山充填技术，本文论证了运用系统工程思想、理论和方法，结合计算机仿真等先进技术使充填系统三维可视化，模拟井下充填的真实环境，不仅可以听到虚拟环境中的音响，而且还可以感受到虚拟环境所反馈的作用力，使观看者产生一种身临其境的感觉［5］。同时帮助决策，并对提高煤矿安全生产、矿工安全保护意识和系统优化设计等具有重要的实用价值。

1 系统仿真学

系统仿真（又称为系统模拟)是指在不干扰真实系统运行的情况下，为研究系统的性能而构造并在计算机上按照特定的规则运行、表示真实系统的模型的一种技术。系统模拟的优点在于，一方面，它不影响和破坏真实系统，同时还能够反映真实系统的某些行为，用户通过适当装置，自然地对虚拟场景进行体验和实现人机实时交互，与物理实验相比，它具有易改变、成本低的特点；另一方面，当真实系统的某些因素具有不可实验性时，模拟系统照样可以建立［6］。因此，系统模拟是解决某些复杂系统的最为有效的手段之一。

目前，国外在矿业领域己开发出了多个虚拟现实系统，而国内利用虚拟现实技术在矿业方面的研究还处于起步阶段［7］，各大院校、研究所及社会公司团体正在着手这方面的研究，但主要集中在利用虚拟现实技术来促进煤矿开采技术的创新、技术可行性的论证以及人员的培训上［8-10］。作者根据煤矿地下充填技术的特点，建立了煤矿充填开采虚拟仿真系统，初步探索了如何将虚拟现实技术与煤矿采空区充填技术结合起来。

2 充填系统的三维仿真设计与实现

本文利用三维仿真的方法对矸石充填和膏体充填技术进行仿真模拟，清晰地说明煤矿充填仿真系统的关键技术［11］，研究流程如图1所示。

图1 充填技术的虚拟仿真研究流程图

2.1 数据采集

考虑到井下充填虚拟现实系统的实用性和复杂性，在构建虚拟仿真系统之前需要收集大量的基础数据资料，必须要确定煤矿场景中实体的几何尺寸、相互位置坐标、纹理数据、矿井测量数据等。这就需要进行详细的资料数据收集，还要到实地进行考察。如果收集的资料不全或者数据偏差较大，必然影响到后期模型的建立，进而影响到该仿真场景相对实际场景的准确度和真实性。

2.2 建立实体模型

本文选择3ds Max软件进行建模，在建模的过程中，由于煤矿自身的地质构造条件复杂、机械设备类型繁多等特点，直接导致了矿山模型的复杂性和多样性，因此需要建立统一的模型数据库，针对复杂的模型还需应用多层细节建模技术。为了增加模型的逼真度，还需利用纹理映射技术。场景模型主要包括设备模型和地质环境模型。

2.2.1 设备建模

设备建模主要包括矸石仓、粉碎机、采煤机、皮带输送机、刮板输送机、泵、充填管路等，效果如图2和图3所示。3ds Max建模主要有以下几个步骤［12］。

图2 变速箱

图3 充填箱

1)指定统一的模型编码，采集与处理三维场景的基础数据，包括空间几何数据、属性数据、纹理数据。

2)拆分设备单元。建模时需要将设备分解成几个单元，如掩护式支架采煤机包括采煤机、刮板输送机、液压支架等，然后逐个建模。

3)选择适当的建模方法。3ds Max的复杂建模方法在复合对象菜单中有布尔、放样、网格化、地形等。针对各种方法和模型自身的特点，在建模时要选择适合的方法。

4)模型输出。在3ds Max建模完成后，模型以max格式存储，在模型都建好之后，将它们导入同一个max文件中，检查模型比例是否一致。

2.2.2 地质环境建模

地质环境建模包括地表的矸石山、井筒、地下岩层、采空区等，为了使仿真的效果更加逼真，在构建井筒、地层、采空区时，采用坡面构建方法，将其内部展示出来。特别是在采空区建模时，由于开采后采空区会发生变形，为了能够准确地模拟真实情况，需采用另一种先进的技术——3D激光扫描技术［13］。该技术是对确定目标的整体或局部进行完整的三维坐标数据探测，在三维空间进行从左到右、从上到下的全自动高精度扫描，进而得到完整的、全面的、连续的点云坐标数据，从而真实地描述出采空区的整体结构，并通过扫描探测点云编织出采空区的三维模型。

2.2.3 充填动态效果设置

动态场景使用动画效果来模拟设备的运转，利用3ds Max的动画制作模块快速定制复杂的充填过程。主要的动画效果包括矸石运输、膏体流动、工作面充填过程等。通过3ds Max的动画控制器来控制物体的运动轨迹和时间序列，对于复杂的运动轨迹，需预先设定好物体的运动轨迹，然后让物体参考轨迹运动，同时还可以设定物体自身的旋转，通过多种效果的叠加来模拟真实的情况。例如矸石槽位置的变化，当运动到底部时，为了将槽中的填充物倒入井下的矸石仓，为了模拟真实的运作，槽口需向下旋转，只要在矸石槽上叠加一个旋转即可，具体效果如图4所示。

图4 矸石升降槽

2.2.4 充填动画渲染

动画渲染用来增加动画的艺术效果，3ds Max中有扫描线渲染器、光跟踪器、光能传递和Mental ray渲染器。本系统的动画采用的是扫描线渲染器，在“公用参数”的“时间输出”中定义渲染的活动时间段范围，在“输出大小”中可以设置输出图像的大小。设置好参数之后就可以点击“渲染”按钮对动画进行渲染。

3 充填方案的模拟与比较

由于井下环境、充填设备、成本、安全隐患及人员、空间等条件的限制，对很多煤矿充填开采的方案必须进行可行性论证。通过煤矿充填开采虚拟仿真的研究，运用三维可视化的方法模拟煤矿充填开采的过程，将设备运转速度、充填材料、矸石密实度、巷道倾角和采空区大小等数据加入系统中进行定量分析，还可以真实地表现充填的效果。通过演示整个充填的过程和充填的效果来实现不同充填技术方案的比较，从而根据实地情况选择最适合的充填方案。

3.1 矸石充填

矸石矿车经推车机推入翻车机，翻车机翻矸到矸石仓，由矸石仓下口入给料机，将矸石转载到充填配巷的运输机、充填巷机尾驱动式矸石运输机，然后运输到充填机，由充填机充填到充填空间内，并在临近充填巷内进行强化注浆加固。矸石溜矸孔自下而上进行充填。采空区充填完成后，系统随工作面采煤机割煤及支架推移，进入下一个循环。矸石充填的虚拟场景包括矸石山、皮带输送机、粉碎机、矸石仓、螺旋给料机、刮板输送机、充填支架等。具体效果图见图5。

图5 矸石充填效果图

矸石充填的优势在于它充分利用矿井固体废料，有效地实现矿区矸石的下井回收利用，减少固体污染，尤其是井下矸石充填技术更是排除了矸石对地面的污染。本文模拟的矸石充填技术实现了采煤与充填同步进行，不但节省了资源，而且提高了煤炭开采效率。

3.2 膏体泵送充填

膏体泵送充填是将充填材料制成膏状稠料，借助正压排量泵输送到采空区的工艺过程［14］。膏体泵送充填特点是充填料是一种不吸水的物料集合体，为了得到较理想的稠料，物料配合有较严格的要求。膏体泵送充填的虚拟场景包括原料仓、螺旋给料机、搅拌机、泵、分流泵、充填支架等。具体效果图见图6。膏体充填具有施工简单、安全性高、施工工艺成熟、施工易于管理、质量检测手段简便易行等优点，膏体不但可以充填采空区，还可以充填采空区上覆岩体裂隙［9］。膏体充填的困难点在于控制初凝时间，使充填过程不影响工作面的正常生产，同时对于膏体材料的选择和费用也要做合理的调研，避免花费过大影响效益。

图6 膏体充填效果图

3.3 抛袋充填

将废弃物料装于充填袋内，由地面运输到井下，经皮带运输到工作面采煤机后方，进行自动式翻袋到采空区内。抛袋充填的虚拟场景包括皮带运输机、充填袋、支架翻转设备等。具体效果图见图7。充填袋充填往往要花费大量的人力和物力资源，但充填材料的选择来源广泛，充填成本相对较低。

图7 固体废弃物充填效果图

通过对以上充填方案的仿真模拟，逼真地显示了每种方案的充填流程、充填所需时间、充填效果等信息。为煤矿选择合适的充填方法提供了参考依据，同时也将矿井由地面到采空区的充填过程详细地展现在眼前，成功地实现了充填系统的仿真。

4 结束语

随着计算机硬件和软件的发展，在个人计算机上或实验室工作站上发展虚拟现实技术已不再成为梦想。煤矿充填开采虚拟现实系统的研究、开发与应用，无疑将改变传统的教学和科研方法，促进煤矿高产高效、安全生产，成为矿山优化设计、生产管理、危险性评价及矿工培训等方面的重要手段，由此可见煤矿充填开采虚拟仿真必将具有广阔的应用前景。

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