矿山巷道安全性检测3D打印辅助实现

胡德志，罗建国，宫新勇，冯海美，董长志，李孝平

(华北科技学院 机电工程学院，北京 东燕郊 101601)

矿山巷道安全性检测3D打印辅助实现

胡德志，罗建国，宫新勇，冯海美，董长志，李孝平

(华北科技学院 机电工程学院，北京 东燕郊 101601)

本文将3D打印技术用于采区巷道系统性能的整体研究方面，减少了系统的不确定性因素，提升系统的安全系数，对防范瓦斯爆炸，改进矿井的通风效果，优化系统结构，使矿山开采规划更加科学化。此外，本文总结了3D打印巷道模型的具体步骤，为实现巷道安全检测提供了实测环境。

增材制造； 矿山安全；三维图

0 引言

安全生产检测检验是煤矿安全管理实现科学化、精细化的重要支撑手段；煤矿安全生产检测检验应立足为矿井安全生产服务，侧重点在于辩识‘物的状态’、消除煤矿安全生产事故隐患；煤炭生产企业应将检测检验视为实现本质安全和主动安全的重要技术要素，纳入企业安全技术创新体系[1-3]。安全生产检测检验作为安全生产的重要技术支撑，在预防、控制矿山事故灾害中发挥着重要作用，这是世界发达国家实现矿山安全生产事故低发的成功经验之一。国家安全生产监管部门首先从煤矿入手，逐步探索对涉及人身安全的产品、设备安全性能实施检测检验，并充分利用社会上科研机构、大专院校、国有大型企业等现有的实验室和检测检验机构，逐步形成安全生产检测检验的主体力量[4,5]。已经初步建立了由各级国家主管行政部门、检测检验机构、中介服务机构、矿用产品生产单位等构成的安全生产检测检验体系。体系的建立目的是为提高安全生产管理水平和监管监察水平，减少矿山灾害事故，保护职工职业人身安全和健康，检测检验工作的重点是在煤矿、金属和非金属矿、危险化学品等领域[3]。

目前，安全生产检测检验的机构很多，检测检验的项目和方法也比较全面，基本可以满足安全生产监督的需求。随着科技的进步、生产效率提高、关键设备更新，在煤矿行业的一些方面急需建立新的检测标准、评价体系及检验流程。

1 3D打印技术与矿山安全

有下一代工业革命先驱之称的3D打印技术已经日趋成熟，它主要包括立体光刻造型、熔融沉积成型、选择性激光烧结、分层实体制造等[6-9]。各分支都有代表性成果展现，北京航空航天大学王华明教授提出激光熔覆多元多相过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层材料的方法，使我国成为世界上唯一掌握飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家[10]。华中科技大学史玉升教授领导开发1.2米×1.2米的“立体打印机”是世界上最大成形空间的快速制造装备，远远超过国外同类装备水平，并因此获得2011年国家技术发明二等奖。但是，国内外煤矿行业还没有引入这项新技术。另一方面，每年因各种突发性矿难死伤的矿工高达数百人。如果将3D打印技术应用于检验检测帮助提高‘机械化换人，自动化减人’的总体效率，将是煤矿行业的一大进步。

在矿山的开采过程中， 最复杂的流程是采区地质特征考查、巷道的设计、开采方式的确定。它直接关系到矿山开采的安全，而3D打印技术完全可以实现矿山地貌和地下开采工程体系的微缩，将复杂的地上地下情况直观展示出来，提供给开采单位。开采单位在进行开采前借助此模型组织专家对开发项目进行论证，更全面的考虑开采环节可能存在的风险，进行及早的规划。在该微缩模型的帮助下，综合的论证更有保障。同时，它还帮助开采单位减少安全论证初期(即：在不具备安全设施的环境中)人员下井调研的次数。对“机械化换人，自动化减人”方案提供预评估。

煤矿开采过程中，瓦斯的不断从新开采的煤层中涌出。当浓度达到临界值后，使矿工在不知觉中中毒，导致灾难。同时，它也极易引发矿道爆炸。通过国家安监局对近二十年来矿难统计发现：瓦斯引发的爆炸是造成严重矿难的主要原因之一。利用3D技术打印矿山模型小，线长仅为实际模型的数百分之一，体积为原物的百万分之一。3D打印模型结构清晰，材质接近真实的巷道，该模型可以放在室内风机中进行风洞实验，测量实际的通风效果。通过向巷道内注入仿瓦斯的有色气凝胶或结合示踪气体分析仪进行仿真实验，可以直观的显示瓦斯扩散的过程，实时观测不同区域的瓦斯浓度的变化情况，确定瓦斯影响的开采区域。确定安装瓦斯报警器的最佳地点和数量，科学制定采掘设备分布图。这将帮助采矿工程师制定开采规划，帮助安全工程师制定应急预案，降低发生矿难的风险系数。

本文以东滩煤矿为例，使用UG软件建立了矿井巷道三维数据模型，并成功转换成3D打印所需的STL格式文件，最终打印出上模和下模，便于进行各种假想突发事件下的气体流动性观测实验。本文结合巷道的布局图，设计出的三维图(见图1)和模型封装后三维图(见图2)。

图1 巷道图

图2 封装巷道模型图

3D打印步骤如下：

(1) 几何模型STL文件的导入

启动软件，点击“文件”，“载入”上芯模样三维几何模型STL文档。发现模样尺寸远远大于机器的能力。选择“缩放物体”图标，将模样缩小至设计尺寸的0.1倍，符合打印机的要求。

(2) 打印位置的选择

打印位置的选择，首先要考虑防止打印时制件的变形，节约支撑材料也是需要重视的。根据模样的结构，如图1所示。

图3 巷道3D打印模样

(3) 切片

点击“切片软件”选项卡，启动切片程序。

1) 设置打印参数

打印参数中对制品质量影响最显著的是“层高”和“填充密度”，据资料介绍，填充密度为70%且层高为0.2 mm时制品综合性能最佳，因此，本设计就选择这样的参数；同时，考虑到模样是空心的，勾选了“允许支撑”选项。其他设置选择了默认值。

2) 切片

点击“开始切片Slic3r”按钮，开始切片。

很快，切片完成，系统显示“预测打印花费时间”为36分56秒，“层数”为119层，“总行数”、“需要材料”等信息。

3) 预览

选择“显示指定的层”，同时拖动“结束层”滑条，观察切片情况。

总体来看，打印件的表面质量不光滑，但基本能满足实验的要求。

下一步我们将根据现场环境数据，模拟巷道在极端条件下的工作状态，对巷道设计进行评估。通过模拟实验获得最接近真实开采作业情况下的实验数据，对每一时刻可能出现的情况进行预处理。同时，对于不同的开采阶段，我们可以改变模型制作出具有不同阶段特点的3D模型，对开采的全过程进行仿真演示，保障在整个开采过程中稳定性。

2 总结和展望

本文创新性的将3D打印技术引入到矿山开采检验检测模型中，将推动全行业的快速发展，给安全生产带来实效。为进一步推进煤矿安全生产检测检验标准化工作的全面发展,充分发挥检测标准在安全生产中的技术支撑作用，本文结合自身的研究方向和技术基础，在矿用电气装备及仪器仪表检测检验领域进行了研究，并取得了一定的研究成果。下一阶段，本文拟对典型在用电子设备安全检测检验进行深入研究，为煤矿安全的检测检验提供基础理论及应用技术支撑。力争使本文能够准确把握安全生产检测检验的发展方向，并在具体技术上实现一定的突破或创新，具备服务行业、承担行业内相关科技项目的研究基础和能力。

[1] 张勇，戎明彦，吴兆宏，等.煤矿安全生产检测检验标准体系现状分析[J].煤炭科学技术,2008，36(12)：110-112.

[2] 戎明彦，张勇，吴兆宏.国内外煤矿安全生产检测检验标准体系对比[J].煤炭科学技术，2008，36(11)：11-13.

[3] 王敏.安全生产检测检验技术对矿山安全生产的作用分析[J].中国安全生产，2015(10):48-49.

[4] 何川，李志元，周明光，等.安全生产检测检验对新、改、扩建矿井的法定义务分析及管理对策[J].矿山机械, 2013 ,41(10)：134-137.

[5] 罗毅，贺江波，冯喜旺.安全生产检测检验在矿山安全生产中作用分析[J].煤矿安全,2010(9): 154-156.

[6] Wohlers TT.Wohlers report 2009: rapid prototyping & tooling state of the industry. Annual worldwide progress report[R]. Wohlers Associates, Detroit, MI, 2009.

[7] Jacobs PF.Stereolithography and other RP and M technologies: from rapid prototyping to rapid tooling[M]. Society of Manufacturing Engineers, New York, 1995.

[8] 3D Systems. http://www.3dsystems.com.

[9] Sachs EM,Cima MJ, et al..Three dimensional printing: rapid tooling and prototypes directly from a CAD model[J]. J. Eng. Ind., 1992, 114(4):481.

[10] Gao Z, Gibson I.A 6 DOF haptic interface and its applications in CAD[J]. Int. J. Comput. Appl. Technol.,2007, 30(3):163-171.

3D Printing aid realization of the safety testing of tunnel of coal mine

HU De-zhi，LUO Jian-guo，GONG Xin-yong,FENG Hai-mei，DONG Chang-zhi，LI Xiao-ping

(SchoolofMechanicalelectricalEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao，101601，China)

In the paper, 3D printing technique is used to study the performance of the coal mining system as a whole, reducing the uncertainties of system, safety factor of hoisting system for preventing gas explosions to improve mine ventilation, optimizing the system structure,and making mining planning more scientific. In addition,this paper summarizes the concrete steps of 3D printer models of tunnel for reality the tunnel safety testing with a test environment.

Additive manufacturing; coal mine safety; three dimension figure

2016-03-27

中央高校基本科研业务费资助(3142015093)

胡德志(1980-)，男，湖北潜江人，硕士，华北科技学院机电工程学院副教授，研究方向：机电工程安全生产检验检测。E-mail:hudezhi@ncist.edu.cn

TP334.8

A

1672-7169(2016)03-0093-03