煤矿通风系统三维模拟关键技术及其实现

潘新刚

(山西阳煤集团矿山救护大队，山西 阳泉 045008)

0 引言

科学合理的通风系统设计能为井下作业提供安全保障，但在现实中往往存在着通风设计不合理、风机效率过低，不能快速为矿井巷道提供新鲜空气以至风量不足或者是出现漏风的现象，将会给井下工作人员带来许多危险，造成事故的发生。针对这些问题进行改进，往往需要不断地去实验，从而选择最适合的方式。但综合考虑各方面因素，对通风系统进行三维仿真模拟是一种最能够节省成本的方式。

1 相关概念

三维仿真模拟技术已经在生产生活中得到广泛应用。该技术是利用计算机以及互联网技术去建立一个虚拟的环境，在该虚拟的环境中进行实验和操作，得到一个项目或一个工程的实际运行状态，对发现问题的地方进行改进，然后再在现实生活中去实施这些方案，起到了节约成本的作用[1]。在煤矿通风系统中使用三维仿真模拟技术，需要对通风构筑物、风流进行建模，从而形成完整的虚拟通风系统。

煤矿通风系统是保证煤矿安全作业的重要组成部分，主要通过对于矿井通风方式进行科学设计，获取适合煤矿开拓方式的通风方式。通风网络是通风系统的重要组成部分，合理的调整通风网络，可以确保通风机资源最大限度地满足全矿各巷道风量、风速安全需要，三维仿真模拟也是最有效的技术手段。

2 通风系统建模技术要点

2.1 煤矿巷道相关数据收集

在对煤矿巷道进行三维仿真模拟时，特别要注意对矿井下的巷道相关数据进行搜集。将巷道的基本元素归纳分类为：①点状物体，对矿井中的通风点进行测量，将测量到的数据记录下来；②针对巷道弧、线等矿井内的线体进行测量和登记，也就是对2个站点之间的部分进行测量，同时对每一道线状都要进行编码，以便在制作三维模型的时候根据比例进行调整；③对矿井内的面状物体进行测量和登记，尤其是对侧面和断面的测量；④对立体的物品进行测量和登记[2]。在这里要注意的是所有的数据都必须保证真实无误，只有这样才能使最后的巷道模型符合矿井的实际情况。

2.2 煤矿巷道模型的设计

在对组成煤矿的各个元素进行数据收集的过程中，不难发现各个数据之间具备拓扑关系，例如点状物构成了线，然后又由线组成面，不同的面状物合在一起，就组成了一个立体的物品，最终形成一条完整的煤矿内部巷道[3]。图1是巷道内部所有元素之间的拓扑关系分解图。将煤矿巷道的组成清晰地表达出来。

图1 煤矿巷道的三维数据模型

2.3 煤矿巷道的几何建模

对于煤矿内部巷道的几何建模，首先要解决的是对巷道弧以及巷道线的准确测量，然后根据测量得到的巷道测量导线的数据确定各个面的坐标位置，尤其是对断面的起点以及终点的位置的确定，该位置的确定能够进一步将巷道弧的位置确定出来；最后，根据坐标和位置的不同，进行贴图处理，完成一条巷道的几何模型的建立[4]。在这个过程中可以提前将通风构筑物进行三维建模，因为它是以点的形式记录在三维模型块中，是按照真实的比例提前进行制作的，在需要的时候可以随时进行调用。

2.4 风流模拟的技术要点

对风流进行三维仿真模拟的技术要点是对粒子系统进行适当改造，因为在建模过程中要利用粒子的不同环节来完成建模工作。而主要利用的就是它的诞生环节、运行环节、以及最终的死亡环节。根据这3个环节中粒子的不同表现来完成实体建模，但其缺点在于这3个环节存在随机性，因此需适当地改造。可从以下几个方面进行：①把握粒子生长位置，要将其准确地控制在煤矿巷道风流模拟的开始位置，改变其随机生成的特性，这种改造能够使风流三维模拟正确生成；②对粒子运行速度进行控制，使其满足风流三维模拟捕捉数据的需要，同时保证粒子运行途径在风流三维仿真模拟的路径之内，这样才能捕捉到完整的风流路径；③要对粒子死亡时间进行改造，保证其在运行到煤矿巷道的末端时才会死亡，这样就能形成完整的风流三维仿真模拟模型。

3 三维系统的实现

3.1 可视化查询

可视化查询主要是指对于已经建成的煤矿通风系统三维模拟仿真模型中的不同对象进行的查询，从而保证三维模型的可操作性与可实现性。具体的环节如下：①在建好的三维模型中选择一个查询对象，例如矿井巷道；②对其进行命令处理，这个时候采取的主要是函数处理以及拓扑关系处理；③将得到的对象信息转换为字段值，在数据库中对这些字段值进行相应的搜索，保证能够得到这些信息；④返回用户数据处理中心，分析得到的数据，获得查询对象的通风技术参数。

3.2 功能实现

对煤矿内部巷道进行了数据采集、几何建模、利用对粒子的改造进行风流三维仿真模型的建立，在这个过程中需要利用互联网技术，对这些模型进行合并和开发，并且利用数据库资源实现煤矿巷道通风系统的三维模拟。在这一模型中可进行煤矿通风系统的构建，操作人员需要通过鼠标和键盘对三维模型进行控制，可以得到其中的数据信息；并且通过观察三维仿真模型中粒子的运行轨迹以及消亡得到通风系统的使用情况[5]。以便在现实生活中对于煤矿巷道中通风系统进行改进，根据不同的数据调整新风送入的方式，保证通风系统的安全运行。

4 结语

煤矿通风系统的工作直接影响着井下工作人员的生命安全，对其进行三维模拟能够有效地进行技术更新，减少了煤矿事故的发生。并且由于三维模拟图可以更加直观清晰地看到煤矿巷道内的通风情况，因此可以实现矿井的网络化通风管理。这样，可以更好地为矿井巷道提供新鲜空气，冲淡其中的瓦斯、粉尘，一方面有效地减少了相关事故的发生，另一方面也对矿井环境进行了调节，使井下工作人员的健康得到保护。