CN106968713A - 一种煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿安全生产及采矿工程技术领域，具体涉及一种煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法。根据煤矿采场空间的地质力学模型，高性能计算机可实时地计算出每个回采步距的全场应力及冒落状态，再通过虚拟现实仪的人机交互，可在三维沉浸式环境中靠近虚拟环境中的岩层，任意放大拉伸岩层结构，可以近距离观察岩层及缝隙，并可以进入岩层内部，从不同角度了解整个采场围岩的应力集中、顶板损伤破裂的位置、状态。根据在虚拟现实仪中的交互观察情况，与预警阈值(位移、顶板破坏冒落高度、应力集中程度、地表沉降影响范围)对比，进而对回采工作面的采掘进度及采场设计做出实时调整决策。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全生产及采矿工程技术领域，具体涉及一种煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法。
背景技术
在煤层开回采期间，顶板岩层的应力分布及其损伤破坏是动态、实时演化的，而煤层、岩层又具有不可透视性，所有的应力及裂隙演化是在回采卸荷诱发条件下“隐藏”的进行的，不可能直视其演化过程，而且这个演化过程是在三维、采场全场空间内进行的。而常规的监测手段，往往局限于对某一点的监测，且难以对应力及裂隙演化做出预测。
高性能计算技术可以实现对任何地质力学模型的大规模、快速有效分析，虚拟现实技术可以实现对地质力学模型内部信息的沉浸接触式感知，充分利用高性能计算技术及虚拟现实技术可望能够对煤矿顶板应力场及冒落带裂隙演化做出全场快速的实时反馈识别。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种经济、有效的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法。
本发明的技术方案是：
一种煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，包括以下步骤：
S1：对回采工作面现场数据进行整合分析；
S2：在普通PC机或图形工作站上建立含回采工作面、顶底板岩层、煤层的地质力学模型；
S3：将地质力学模型数据传输至并行计算机系统；
S4：在计算机上进行回采过程中顶底板应力场及顶板冒落带的计算分析；
S5：将计算机计算得到的数据结果进行转换，转换成虚拟现实仪可识别的数据格式；
S6：在虚拟现实仪上进行回采工作面回采过程及顶底板破坏过程虚拟显现；
S7：根据计算结果以及虚拟现实场景跟踪分析结果，指导回采作业工作。
所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，在S1步骤中，对回采工作面现场数据进行整合分析，包括空间几何尺寸、岩层物理力学参数、岩层发育参数、回采工作面起始坐标、回采步距、地应力参数。
所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，岩层为煤层、顶板或底板，物理力学参数为模量、泊松比、粘聚力、抗拉强度或密度，岩层发育参数为厚度、倾角或走向，地应力参数为最大水平地应力、最小水平地应力或垂直地应力。
所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，在S2步骤中，根据现场数据整合分析单元提供的数据，建立有限元模型，包括剖分的网格数目、模型的外边界、模型的内边界。
所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，在S3步骤中，将PC机建模单元的数据，包括有限元节点坐标、有限元节点初始节点力、单元物理力学参数，压缩打包，使用PC机Windows系统的telnet功能，与计算机进行登录链接，利用FTP传输技术，将打包文件传输至计算机计算单元。
所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，单元物理力学参数为模量、泊松比、粘聚力、抗拉强度或密度。
所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，在S4步骤中，给出对模型计算的分块数，分块数小于等于计算机CPU数目，之后启动计算进程，开始计算；计算得到模型节点位移、节点应力以及单元破坏情况，单元破坏情况为弹性未损伤、局部损伤或完全断裂3种状态。
所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，在S5步骤中，利用3DMAX、玛雅、Virtools或OpenGL图形图像处理软件及技术，将计算机计算单元计算得到的模型的节点坐标、节点位移、节点应力以及单元破坏情况转换成虚拟现实仪需要的文件格式。
所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，在S6步骤中，工程师通过鼠标及虚拟现实仪的交互设备控制深部岩体岩层裂缝发生及运动的演示过程，在三维沉浸式环境中靠近虚拟环境中的岩层，任意放大、拉伸岩层结构，近距离观察岩层及缝隙，并进入岩层内部，从不同角度，了解整个采场围岩的应力集中、产生损伤及失稳破裂的情况。
所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，在S7步骤中，根据在虚拟现实仪中的交互、观察情况，与预警阈值对比，对回采工作面的采掘进度实时做出调整决策；其中，预警阈值为位移、顶板破坏冒落高度、地表沉陷影响范围或应力集中程度。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，充分结合和发挥高性能计算和虚拟现实技术的特点，可从不同角度了解整个采场围岩的应力集中、顶板损伤破裂的位置、状态。与预警阈值(位移、顶板破坏冒落高度、应力集中程度、地表沉降影响范围)相结合，可对回采工作面的采掘进度及采场设计做出实时调整决策。
2、本发明方法对于优化煤矿回采设计，减少煤矿资金投入，保障矿山安全生产具有较高的经济价值和社会意义。
附图说明
图1是本发明的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法流程图；
图2是高性能计算机的硬件组成和结构图；
图3是工作面推进至一定距离时的顶板局部冒落及离层计算结果图；
图4是工作面进一步推进时的顶板大面积冒落范围计算结果图；
图5是顶板局部冒落及离层诱发的应力场分布计算结果图；
图6是顶板大面积冒落时的应力场分布计算结果图；
图7是在虚拟现实仪中虚拟感知的巷道环境图；
图8是在虚拟现实仪中判断的顶板及巷道危险块体图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，包括以下步骤：
S1：对回采工作面现场数据进行整合分析，包括空间几何尺寸、岩层(煤层、顶板、底板)物理力学参数(包括模量、泊松比、粘聚力、抗拉强度、密度)、岩层发育参数(厚度、倾角、走向)、回采工作面起始坐标、回采步距、地应力参数(最大水平地应力、最小水平地应力、垂直地应力)。
S2：在普通PC机或图形工作站上建立含回采工作面、顶底板岩层、煤层的地质力学模型：根据现场数据整合分析单元10提供的数据，建立有限元模型，包括剖分的网格数目、模型的外边界、模型的内边界。
S3：将地质力学模型数据通过数据传输模块30传输至高性能并行计算机：将PC机建模单元20的数据，包括有限元节点坐标、有限元节点初始节点力、单元物理力学参数(包括模量、泊松比、粘聚力、抗拉强度、密度)，压缩打包，使用PC机Windows系统的telnet功能，与高性能计算机进行登录链接，利用FTP传输技术，将打包文件传输至高性能计算机计算单元40，如图2所示。
S4：在高性能计算机(高性能计算机是指：含有多个计算结点，每个计算结点含多个CPU，计算规模与计算容量明显高于普通PC机、并且可以处理并行计算程序的大型计算机)上进行回采过程应力场及顶板冒落带的计算分析：给出对模型计算的分块数(分块数小于等于高性能计算机CPU数目)，之后启动计算进程，开始计算。计算可以得到模型节点位移、节点应力以及单元破坏情况(包括弹性未损伤、局部损伤、完全断裂3种状态)，如图3、图4、图5和图6所示。
S5：将高性能计算机(高性能计算机是指：含有多个计算结点，每个计算结点含多个CPU，计算规模与计算容量明显高于普通PC机、并且可以处理并行计算程序的大型计算机)计算得到的数据结果通过数据转换模块50进行转换，转换成虚拟现实仪可识别的数据格式：利用3DMAX、玛雅、Virtools、OpenGL图形图像处理软件及技术，将高性能计算机计算单元40计算得到的模型的节点坐标、节点位移、节点应力以及单元破坏情况转换成虚拟现实仪需要的文件格式。
S6：在虚拟现实仪上通过虚拟现实仪显示单元60进行回采工作面回采过程及顶底板破坏过程虚拟显现：工程师通过鼠标及虚拟现实仪的交互设备控制深部岩体岩层裂缝发生及运动的演示过程，在三维沉浸式环境中可以靠近虚拟环境中的岩层，任意放大、拉伸岩层结构，可以近距离观察岩层及缝隙，并可以进入岩层内部，可以从不同角度，了解整个采场围岩的应力集中、产生损伤及失稳破裂的情况，如图7和图8所示。
S7：根据高性能计算结果以及虚拟现实跟踪分析结果，指导回采作业工作：根据在虚拟现实仪中的交互、观察情况，与预警阈值(位移、顶板破坏冒落高度、地表沉陷影响范围、应力集中程度)通过对比分析预警单元70进行对比，对现场回采工作面的采掘进度实时做出调整决策，并发出指令给现场数据整合分析单元10。
如图2所示，本发明高性能计算机的硬件组成主要包括：外部网络、管理结点、管理域网、计算结点、系统域网、交换机、存储结点、光纤盘阵等，具体结构和使用过程如下：煤层回采地质力学模型数据通过外部网络传输给高性能计算机的管理结点，管理结点通过管理域网、交换机、系统域网将模型数据分配给各个计算结点，并开始计算。计算过程中的模型节点位移、节点应力以及单元破坏等信息在存储结点和光纤盘阵上进行交互。计算完成后，结果数据返回至外部网络。
如图3所示，从实施例的工作面推进至60米距离时的顶板冒落范围计算结果图可以看出，煤层的直接顶发生局部冒落，而上覆岩层出现局部离层现象。这些顶板破断及离层现象的表征数据均可传输至虚拟现实仪显示单元60。
如图4所示，从实施例的工作面推进至140米距离时的顶板冒落范围计算结果图可以看出，顶板出现大面积冒落，冒落高度直达上覆关键层，关键层则出现大面积离层现象。
如图5所示，从实施例的工作面推进至60米距离时顶板局部冒落及离层诱发的应力场分布计算结果图可以看出，直接顶局部冒落出现顶部压力释放，但应力全部迁移至回采工作面端部，局部离层也造成应力迁移。这些应力表征数据均可传输至虚拟现实仪显示单元60。
如图6所示，从实施例的工作面推进至140米距离时的顶板大面积冒落时的应力场分布计算结果图可以看出，顶板的大面积冒落，致使冒落区出现明显的应力阴影区，通过应力的迁移可以初步判断顶板冒落高度。
如图7所示，从虚拟现实仪中虚拟感知的巷道环境图可以看出，人机交互的沉浸感极强，技术人员或管理者可以近真实的感受到巷道的几何尺度、顶底板岩层、围岩分布等情况。
如图8所示，从虚拟现实仪中判断的顶板及巷道危险块体图可以看出，在人机交互条件下，技术人员或管理者可以近真实的感知现场巷道的实际危险性，包括潜在危险块体、高应力集中部位、大变形区域等，与预警阈值对比分析，做出预警与设计决策。
结果表明，本发明根据煤矿采场空间的地质力学模型，高性能计算机可实时地计算出每个回采步距的全场应力及冒落状态，再通过虚拟现实仪的人机交互，可在三维沉浸式环境中靠近虚拟环境中的岩层，任意放大拉伸岩层结构，可以近距离观察岩层及缝隙，并可以进入岩层内部，从不同角度了解整个采场围岩的应力集中、顶板损伤破裂的位置、状态。根据在虚拟现实仪中的交互观察情况，与预警阈值(位移、顶板破坏冒落高度、应力集中程度、地表沉降影响范围)对比，进而对回采工作面的采掘进度及采场设计做出实时调整决策。该方法对于优化煤矿回采设计，保障矿山安全生产具有较高的经济价值和社会意义。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对回采工作面现场数据进行整合分析；
S2：在普通PC机或图形工作站上建立含回采工作面、顶底板岩层、煤层的地质力学模型；
S3：将地质力学模型数据传输至并行计算机系统；
S4：在计算机上进行回采过程中顶底板应力场及顶板冒落带的计算分析；
S5：将计算机计算得到的数据结果进行转换，转换成虚拟现实仪可识别的数据格式；
S6：在虚拟现实仪上进行回采工作面回采过程及顶底板破坏过程虚拟显现；
S7：根据计算结果以及虚拟现实场景跟踪分析结果，指导回采作业工作。
2.按照权利要求1所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，其特征在于，在S1步骤中，对回采工作面现场数据进行整合分析，包括空间几何尺寸、岩层物理力学参数、岩层发育参数、回采工作面起始坐标、回采步距、地应力参数。
3.按照权利要求2所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，其特征在于，岩层为煤层、顶板或底板，物理力学参数为模量、泊松比、粘聚力、抗拉强度或密度，岩层发育参数为厚度、倾角或走向，地应力参数为最大水平地应力、最小水平地应力或垂直地应力。
4.按照权利要求1所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，其特征在于，在S2步骤中，根据现场数据整合分析单元提供的数据，建立有限元模型，包括剖分的网格数目、模型的外边界、模型的内边界。
5.按照权利要求1所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，其特征在于，在S3步骤中，将PC机建模单元的数据，包括有限元节点坐标、有限元节点初始节点力、单元物理力学参数，压缩打包，使用PC机Windows系统的telnet功能，与计算机进行登录链接，利用FTP传输技术，将打包文件传输至计算机计算单元。
6.按照权利要求5所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，其特征在于，单元物理力学参数为模量、泊松比、粘聚力、抗拉强度或密度。
7.按照权利要求1所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，其特征在于，在S4步骤中，给出对模型计算的分块数，分块数小于等于计算机CPU数目，之后启动计算进程，开始计算；计算得到模型节点位移、节点应力以及单元破坏情况，单元破坏情况为弹性未损伤、局部损伤或完全断裂3种状态。
8.按照权利要求1所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，其特征在于，在S5步骤中，利用3DMAX、玛雅、Virtools或OpenGL图形图像处理软件及技术，将计算机计算单元计算得到的模型的节点坐标、节点位移、节点应力以及单元破坏情况转换成虚拟现实仪需要的文件格式。
9.按照权利要求1所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，其特征在于，在S6步骤中，工程师通过鼠标及虚拟现实仪的交互设备控制深部岩体岩层裂缝发生及运动的演示过程，在三维沉浸式环境中靠近虚拟环境中的岩层，任意放大、拉伸岩层结构，近距离观察岩层及缝隙，并进入岩层内部，从不同角度，了解整个采场围岩的应力集中、产生损伤及失稳破裂的情况。
10.按照权利要求1所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，其特征在于，在S7步骤中，根据在虚拟现实仪中的交互、观察情况，与预警阈值对比，对回采工作面的采掘进度实时做出调整决策；其中，预警阈值为位移、顶板破坏冒落高度、地表沉陷影响范围或应力集中程度。
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