CN112329302B - 一种井下产尘环境模拟仿真及三维可视化分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下产尘环境模拟仿真及三维可视化分析系统，属于煤矿安全生产技术领域。该系统的搭建步骤为：构建井下产尘环境数值分析二次平台，依据所需要分析巷道的设备布置情况、初始条件和边界条件，得到巷道内风流、粉尘的运动规律；构建矿井工作面数值模拟动态可视化系统，具体利用三维虚拟仿真技术建立回采工作面、掘进工作面、锚喷作业点、转载点及井下其他作业场所工作场景，采用交互式多体动力学平台构建与产尘相关的设备的动力学模型，利用粒子系统建立不同作业点不同工况下粉尘的分布规律和运动轨迹。本发明实现了动态可视化，大大缩短了防尘措施的设计、验证优化时间。

Description

一种井下产尘环境模拟仿真及三维可视化分析系统

技术领域

本发明属于煤矿安全生产技术领域，涉及一种井下产尘环境模拟仿真及三维可视化分析系统。

背景技术

近年来，随着我国煤矿采掘机械化水平提高，作业产尘量成倍增加。虽然通过煤层注水、通风、喷雾、个体防护等手段，一定程度上改善了井下作业环境，但呼吸性粉尘质量浓度仍然远高于国家有关规定。煤矿井下生产产生的粉尘不仅加大作业人员罹患职业病的风险，而且降低了生产环境的能见度和加大了粉尘爆炸的风险，使得作业人员身心健康及作业环境安全均得不到保障。因此，如何使井下粉尘浓度控制在允许规定值之下，满足现场生产的标准，成为当前急需解决的难题。

目前煤矿工作面均有粉尘防治措施，但如果对工作面粉尘运移和分布规律分析不清晰，会使除尘系统的设计和布置方面都不能达到最佳效果，导致防降尘效果不理想。因此通过模拟分析煤矿井下工作面的设备布置、产尘情况、工艺参数设定等实际工况，了解粉尘在巷道中的分布、抑尘措施等对粉尘分布的影响，可确定控尘装置及除尘设备的合理位置，或者提出控尘及除尘的新方法，从而降低工作面呼尘浓度，改善接尘人员的工作环境，对保障工人身心健康具有现实意义。

目前常用的数值模拟能够较为准确的反映现场风流场及割煤、移架等工序不同尘源产尘扩散状况，被国内外学者大量应用于矿井工作面尘源粉尘污染扩散规律方面的研究和分析。例如：Alami运用ANSYS-Fluent模拟软件对巷道采煤设备运行情况下粉尘分布及扩散规律进行了数值模拟；Ren Ting、Shivakumar Karekal^[14]等采用CFD模型分析了长壁综采面粉尘扩散规律；Patankar NA等采用LES模拟不同Stokes数粉尘颗粒随流场的空间分布特性。刘荣华基于气-固两相流理论建立割煤产尘粉尘扩散模型，研究了采煤机附近综采面风流场及粉尘浓度分布规律；蒋仲安等建立欧拉-拉格朗日模型模拟了综采面产尘粉尘扩散规律及风速、刮板输送机运行速度与滚筒转速等其他因素对割煤产尘粉尘扩散规律的影响；焦婉莹利用离散相模型，Fluent模拟煤矿综掘工作面分析不同风速下巷道内呼吸性粉尘和全尘的运移规律；聂文采用理论分析、现场试验及数值模拟相结合的方法，通过建立风流-呼吸性粉尘两相流数学模型，运用SolidWorks三维建模软件、ANSYS-ICEM网格划分软件，对综放工作面采煤、移架、放煤及转载等工序单独作业及整体作业时呼吸性粉尘运移扩散规律进行了模拟，确定了各工序单独作业及整体作业时呼吸性粉尘在工作面内空间的变化规律；中国矿业大学耿凡等^[20]发明公开了一种模拟综掘面巷道热湿环境中粉尘运移的可视化试验装置及方法，通过模拟巷道热湿环境中粉尘在通风系统作用下的运移过程，可视化研究不同产尘量、抽压比和通风方式条件下粉尘的运移特征，可对目标工作面控尘工艺进行优化，为综掘面的风场达到最优排尘情况提供有效依据。

但现有的模拟研究大多是针对某一具体煤矿某一特定工作面，移植性差，若要全面反映多个工作面的产尘情况，则需要多次建模模拟，延长了研究周期。如果矿井工作面变动，软件建立的物理模型、网格划分等均需要改动和重新进行；而且流体软件的专业性很强，技巧性较高，对数值计算方法的定义需要有一定的流体力学知识储备，对于一般技术人员来说，使用起来不方便。

因此，为解决以上问题，亟需一种井下产尘环境模拟仿真及三维可视化分析系统，针对多各作业场所工作场景实际结构的3D实体模型，只需改变环境及设备条件，即可直接进行仿真并得出仿真结果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种井下产尘环境模拟仿真及三维可视化分析系统，将三维模型、数值模拟和数值模拟动态可视化展示相结合，既可以对矿井进行形象直观的认识和观察；又对矿山的综掘面、综采面、锚喷面和转载点等进行参数化建模仿真；再将各个工作面数值模拟仿真结果，经动态可视化输出，实现模拟场景的数值化交互漫游、鸟瞰，为矿井粉尘防治奠定现实场景和数值化研究的基础。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种井下产尘环境模拟仿真及三维可视化分析系统，搭建的过程包括以下步骤：

S1：根据矿井结构尺寸、防尘设备结构及布置、采掘设备结构及工艺，建立井下综掘面、综采面、锚喷面及转载点等主要产尘作业场所，基于实际结构的3D实体模型；并采用参数化建模、网格划分，基于Fluent流体仿真基础平台，建立可变结构参数和边界条件的二次仿真开发平台，实现矿井产尘环境的防尘措施及效果快速建模、仿真及数值模拟；

S2：构建矿井工作面数值模拟动态可视化系统：基于可视化仿真平台Ensight，对数值模拟结果进行三维实体化动态对比展示，体现不同防尘工艺设计下不同的防尘治理效果，采用交互式平台构建与产尘相关的设备的动力学模型，利用粒子系统建立粉尘的产生、传播的动态过程，进而获得防尘措施工艺的优化设计；

S3：实现综掘面、综采面、锚喷面及转载点等作业场所防治措施及实施工艺过程粉尘可视化模拟仿真，数值模拟数据的动态可视化输出，实现模拟场景的交互漫游、鸟瞰，随时查看当时情况下模拟粉尘危害的各个参数情况。

进一步，步骤S1中，二次仿真开发平台的构建方法，具体包括：设三元组(A,R,B)表示三维巷道内空间对象A和B间存在关系R，定义此三元组为一个事实(fact)，通过布尔运算交(∧)或并(∨)进行组合；

若三维空间任意两条空间A和B分别由线段LA1，LA2，…，LAm和LB1，LB2，…，LBn组成，LAm和LBn之间的距离定义为LAm上的点PA与LBn上的点PB之间距离的最小值，表示为d(LAm，LBn)＝min{d(PA，PB)PA∈LAm，PB∈LBn}，令dmn＝dAB(A，B)，则dAB(A，B)＝min{d11，d12，…，dmn}；

根据井下实际情况，取阈值为λ，则得到巷道三维拓扑空间关系最小集的形式化定义：

相离关系<A，disjoint，B>：dAB(A，B)>λ；

相邻关系<A，touch，B>：0<dAB(A，B)<λ；

相交关系<A，cross，B>：(dAB(A，B)＝0)∧(dim(A∩B)＝0)；

部分覆盖关系<A，overlap，B>：(dAB(A，B)＝0)∧(dim(A∩B)＝1)∧(A∩B≠A)∧(A∩B≠B)；

包含关系<A，in，B>：(dAB(A，B)＝0)∧(dim(A∩B)＝1)∧((A∩B＝A)∨(A∩B＝B))；

其中，λ为实际存在的两条空间的最小距离或小于最小距离，对于不同空间，其取值不完全一致；

对相离关系，则A∩B＝Υ，不拓扑求交；对相邻关系，设A和B在XY面投影为Axy和Bxy，则A与B在XY投影面的拓扑交点为PxyPxy＝Axy∩Bxy，再计算Pxy在A上的Z坐标，得到三维点PA，同理得到PB，于是得出三维空间A和B的拓扑交点PP＝(PA+PB)/2；对相交关系，得出A与B三维拓扑交点PP＝A∩B；对部分覆盖关系，则A取A-(A∩B)，B不变，或B取B-(A∩B)，A不变；对包含关系，若A∈B，则A取Υ，B不变，反之，则B取Υ，A不变；

依据原始形成的巷道三维拓扑空间关系最小集具体表现为：其在空间数据表示上为二维投影平面上两两相交却在三维空间两两相离，表现为悬线和短悬线、重复线、邻近点；

因此，在从定量空间计算，其空间度量关系定性表示为邻近，需要进行空间三维拓扑求交，交点(根据λ值判断是否为交点)相当于三维空间拓扑网络的顶点。利用这类交点可将空间的所有组成角点划分为若干个区间，每个区间相当于拓扑网络的一条边。

进一步，步骤S1中，构建综掘面、综采面、锚喷面或转载点二次平台，具体包括以下步骤：

S11：综掘面、综采面、锚喷面或转载点参数化建模；

1)将作业空间视为一定长度的标准光滑梯形巷道，忽略锚杆等突出物和超挖欠挖造成的表面不平；2)将掘进机、皮带、风筒及除尘器视为规则的几何形体的组装；3)忽略作业空间中风管、水管、堆积物料等的影响；

S12：综掘面、综采面、锚喷面或转载点参数化网格划分；

S13：综掘面、综采面、锚喷面或转载点参数化计算；

S14：综掘面、综采面、锚喷面或转载点数值模拟，包括：粉尘浓度分布、风流线分布、风速分布和压强分布等。

进一步，步骤S2中，构建矿井工作面数值模拟动态可视化系统，具体包括以下步骤：

S21：创建及导入场景三维模型；

将在3ds Max中建立好的巷道、液压支架、刮板输送机、采煤机、掘进机和皮带运输机等模型导出为OBJ格式模型，导入Ensight中，调整效果、位置及透明度等；

S22：计算及导出数据；

根据提供的煤矿井下粉尘监测数据，将数据导入FLUENT中建立计算模型，并最终得到所需的计算数据，本次计算数据总计包含4个作业位置，49个工况；完成计算后，将计算结果模型所在坐标与三维模型场景中对应作业面坐标进行统一，使两者导入到一起时坐标位置重合；

S23：导入计算结果；

在FLUENT中计算得到的数据文件(主要为粉尘效果及浓度图)，导入场景三维模型所在的Ensight会话中，删除FLUENT计算时用的简易巷道模型，调节粉尘粒子效果及浓度云图效果；

S24：保存工况文件；

S25：合并工况文件；

S26：数值模拟动态可视化；

各工况数据文件中保存的动态数据，包含粉尘粒子运动轨迹，可动态展示一秒内尘源点产生的粉尘粒子在接下来一段时间内的运动轨迹，其原理为，通过测量得到实体井下巷道作业面的粉尘数据，导入Fluent进行计算，得到一系列产尘后不同时间点的粉尘位置数据，将所有数据导入Ensight后，通过连续播放，即可得到连续的变化效果，可直观展示粉尘的动态效果，反映降尘措施对井下粉尘的作用效果。

进一步，综掘面的参数包括：巷道断面、供风(压入风筒)风量、供风(压入风筒)直径、附壁风筒长度、出风口宽、压风风筒距巷道壁、轴向出风口距离迎头、抽尘风筒抽风量、抽尘风筒直径、除尘器尺寸、压风的出风比(径向出风/轴向出风)、粉尘浓度(迎头端面平均浓度)和模拟除尘状态等。

进一步，综采面的参数包括：采煤工作面、工作面平均风速、粉尘浓度和喷雾模拟状态等。

进一步，转载点参数包括：皮带宽度、落差、巷道断面、巷道风速、原始粉尘浓度和喷雾参数等。

进一步，锚喷面参数包括：扒渣机距离迎头、出风口距离迎头、供风风量、喷射机安装位置、巷道迎头、喷射机旁粉尘浓度和喷雾效果等。

本发明的有益效果在于：本发明系统对各个工作面参数确定、二次平台和动态可视化，具体建立了煤矿全矿井的三维模型，实现对综掘面、综采面、锚喷面和转载点等井下主要产尘点进行了参数化数值模拟二次开发，只需改变环境及设备条件，可直接进行仿真、给出结果，大大缩短了防尘措施的设计、验证优化时间；同时对数值模拟结果进行数据动态可视化输出，实现模拟场景的数据漫游、鸟瞰。

与现有技术采用的特定环境参数数值模拟方式相比，现有技术常导致在矿井工作面防尘设计、防尘效率评价等最优化的时间周期长达月旬；而本发明的二次参数化平台，对工作面环境参数进行系列化数值模拟，可以迅速寻找到工作面防尘设计和评价的最优化，大大缩减时间到几天，提高了矿井粉尘防尘的工作效率。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明系统的结构框图；

图2为综掘面几何模型；

图3为综掘面网格划分示意图；

图4为综掘面数值模拟效果图，其中(a)为综掘面粉尘浓度云图，(b)为综掘面煤粉粒径分布图，(c)为综掘面粉尘运动轨迹，(d)为综掘面喷雾运动轨迹；

图5为综采面几何模型；

图6为综采面网格划分示意图；

图7为综采面数值模拟效果图，其中(a)为综采面粉尘浓度云图，(b)为综采面通道位置浓度图，(c)为综采面采煤机侧浓度分布图，(d)为综采面粒径分布图，(e)综采面喷雾运动轨迹；

图8为转载点几何模型；

图9为转载点网格划分示意图；

图10为转载点数值模拟效果图，其中(a)为转载点粉尘浓度云图，(b)为转载点煤粉粒径分布图，(c)为转载点喷雾迹线；

图11为锚喷面几何模型；

图12为锚喷面网格划分示意图；

图13为锚喷面数值模拟效果图，其中(a)为锚喷面粉尘浓度云图，(b)为转载点煤粉粒径分布图；

图14为综掘面不同工况下产尘效果图，其中(a)为工况1产尘后30s数值模拟结果，(b)为工况1产尘后90s数值模拟结果，(c)为工况1产尘后150s后数值模拟结果，(d)工况2产尘后30s数值模拟结果，(e)为工况2产尘后90s数值模拟结果，(f)为工况2产尘后150s数值模拟结果；

图15为综采面不同工况下产尘效果图，其中(a)为工况1产尘后10s数值模拟结果，(b)为工况1产尘后30s数值模拟结果，(c)为工况1产尘后60s后数值模拟结果，(d)工况2产尘后10s数值模拟结果，(e)为工况2产尘后30s数值模拟结果，(f)为工况2产尘后60s数值模拟结果；

图16为转载点不同工况下产尘效果图，其中(a)为工况1产尘后5s数值模拟结果，(b)为工况1产尘后10s数值模拟结果，(c)为工况1产尘后15s后数值模拟结果，(d)工况2产尘后5s数值模拟结果，(e)为工况2产尘后10s数值模拟结果，(f)为工况2产尘后15s数值模拟结果；

图17为锚喷面不同工况下产尘效果图，其中(a)为工况1产尘后30s数值模拟结果，(b)为工况1产尘后90s数值模拟结果，(c)为工况1产尘后150s后数值模拟结果，(d)工况2产尘后30s数值模拟结果，(e)为工况2产尘后90s数值模拟结果，(f)为工况2产尘后150s数值模拟结果；

图18为矿井工作面分析系统硬件平台整体结构图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图18，图1为本发明提供的井下产尘环境模拟仿真及三维可视化分析系统，包括数据输入层、数据输出层和可视化输出层，具体搭建步骤为：

步骤一：提取矿井工作面环境参数和设备参数。

本实施例选择生产产尘较多的主要工作面：综掘面、综采面、转载点和锚喷面等。

1)综掘面参数

如下表1所示，表1中列举了综掘面的主要参数名称、参数的可变范围，且选择具体参数，进行具体工况的算例，为动态可视化提供基本素材。

表1综掘面可变参数数量及具体算例表

除尘模拟两种状态，如下表2所示。

表2综掘面除尘模拟状态及具体算例表

2)综采面参数

如下表3所示，表3中列举了综采面的主要参数名称、参数的可变范围，且选择具体参数，进行具体工况的算例，为动态可视化提供基本素材。

表3综采面可变参数数量及具体算例表

喷雾模拟两种状态，如下表4所示。

表4综采面喷雾模拟状态及具体算例表

3)转载点参数

如下表5所示，表5中列举了转载点的主要参数名称、参数的可变范围，且选择具体参数，进行具体工况的算例，为动态可视化提供基本素材。

表5转载点可变参数数量及具体算例表

4)锚喷面参数

如下表6所示，表中列举了锚喷面的主要参数名称、参数的可变范围，且选择具体参数，进行具体工况的算例，为动态可视化提供基本素材。

表6锚喷面可变参数数量及具体算例表

步骤二：构建井下产尘环境数值分析二次平台，包括：

步骤1：搭建矿井工作面二次平台，本实施例采用Workbench来建模，建模方法：

1)拓扑原理：本实施例中巷道为井下三维空间实体，巷道空间对象之间的拓扑空间关系属于三维拓扑空间关系研究范畴。巷道间拓扑关系属于线状对象之间拓扑空间关系，其三维拓扑空间关系最小集的互斥性与完备性表现为相邻、包含、相交、部分覆盖、相离5种基本拓扑空间关系。设三元组(A,R,B)表示三维巷道内空间对象A和B间存在关系R，定义此三元组为一个事实(fact)，通过布尔运算交(∧)或并(∨)进行组合；

若三维空间任意两条空间A和B分别由线段LA1，LA2，…，LAm和LB1，LB2，…，LBn组成，LAm和LBn之间的距离定义为LAm上的点PA与LBn上的点PB之间距离的最小值，表示为d(LAm，LBn)＝min{d(PA，PB)PA∈LAm，PB∈LBn}，令dmn＝dAB(A，B)，则dAB(A，B)＝min{d11，d12，…，dmn}；

根据井下实际情况，取阈值为λ，则得到巷道三维拓扑空间关系最小集的形式化定义：

相离关系<A，disjoint，B>：dAB(A，B)>λ；

相邻关系<A，touch，B>：0<dAB(A，B)<λ；

相交关系<A，cross，B>：(dAB(A，B)＝0)∧(dim(A∩B)＝0)；

部分覆盖关系<A，overlap，B>：(dAB(A，B)＝0)∧(dim(A∩B)＝1)∧(A∩B≠A)∧(A∩B≠B)；

包含关系<A，in，B>：(dAB(A，B)＝0)∧(dim(A∩B)＝1)∧((A∩B＝A)∨(A∩B＝B))；

其中，λ为实际存在的两条空间的最小距离或小于最小距离，对于不同空间，其取值不完全一致；

对相离关系，则A∩B＝Υ，不拓扑求交；对相邻关系，设A和B在XY面投影为Axy和Bxy，则A与B在XY投影面的拓扑交点为PxyPxy＝Axy∩Bxy，再计算Pxy在A上的Z坐标，得到三维点PA，同理得到PB，于是得出三维空间A和B的拓扑交点PP＝(PA+PB)/2；对相交关系，得出A与B三维拓扑交点PP＝A∩B；对部分覆盖关系，则A取A-(A∩B)，B不变，或B取B-(A∩B)，A不变；对包含关系，若A∈B，则A取Υ，B不变，反之，则B取Υ，A不变；

依据原始形成的巷道三维拓扑空间关系最小集具体表现为：其在空间数据表示上为二维投影平面上两两相交却在三维空间两两相离，表现为悬线和短悬线、重复线、邻近点；

因此，在从定量空间计算，其空间度量关系定性表示为邻近，需要进行空间三维拓扑求交，交点(根据λ值判断是否为交点)相当于三维空间拓扑网络的顶点。利用这类交点可将空间的所有组成角点划分为若干个区间，每个区间相当于拓扑网络的一条边。

2)环境调用

在WB的agp应用环境下的JavaScript脚本中，直接引用ag对象。

3)仿真分析

步骤2：建立环境流场数值分析平台；

1、搭建综掘面二次平台研制

1)综掘面参数化建模

综掘工作面空间狭小，设备繁多，作业环境复杂，无法做出准确模型。因此，在结合实际的基础上忽略一些影响较小的因素，对综掘面粉尘扩散空间进行适当简化，综掘面参数化建模经过专业仿真，可自动建立合理的简化模型，无需手动干预：

(1)将作业空间视为一定长度的标准光滑梯形巷道，忽略锚杆等突出物和超挖欠挖造成的表面不平；(2)将掘进机、皮带、风筒及除尘器视为规则的几何形体的组装；(3)忽略作业空间中风管、水管、堆积物料等的影响。

将掘进巷道的横断面模拟成净宽×净高的梯长方体，考虑要模拟加入除尘器及附壁风筒后对巷道风流及粉尘分布的影响，巷道长为50m。巷道右帮悬挂压风筒，风筒的直径为0.6m，风筒轴线到巷道底板高2.5m，出风口距迎头5m。根据不同条件用SCDM分别建立几何模型划分如图2所示。

2)综掘面参数化网格划分

根据不同条件用SCDM分别建立几何模型划分后，综掘面参数化网格划分程序会自动进行高质量网格划分，计算网格质量数为130万，网格质量0.2，网格划分如图3所示。

3)综掘面参数化计算

(1)在Workbench软件平台中点击update Project按钮，即可自动执行包括几何模型生成、网格划分、求解模型设置、执行计算等完整计算流程，计算完成程序自动停止。(2)如希望观察生成的几何模型，可在执行第一步(点击update Project按钮)之前双击Geometry查看。(3)如希望观察生成的网格模型，可在执行第一步(点击update Project按钮)之前，鼠标右键单击Mesh并在菜单中选择update后，再双击Mesh查看。(4)如希望在执行上述观察几何模型、网格模型后继续计算，重复执行第一步(点击update Project按钮)即可。(5)如希望在计算过程中暂停或取消计算，可单击右下角红色交叉按钮，并在弹出窗口中选择Interrupt(中断)或Abort(取消)。(6)退出仿真计算界面并保存。

4)综掘面数值模拟结果

通过步骤3)用户可完成综掘面仿真计算，可自动提取仿真结果，包括：粉尘浓度分布、风流线分布、风速分布、压强分布等，如图4所示。

2、综采面二次平台研制

1)综采面参数化建模

综采工作面空间狭小，设备繁多，作业环境复杂，无法做出准确模型。因此在结合实际的基础上忽略一些影响较小的因素，对综采面粉尘扩散空间进行适当简化,综采面参数化建模经过专业仿真，可自动建立合理的简化模型，无需手动干预：

(1)将作业空间视为一定长度的标准光滑梯形巷道，忽略锚杆等突出物和超挖欠挖造成的表面不平；(2)将掘进机、皮带、风筒及除尘器视为规则的几何形体的组装；(3)忽略作业空间中风管、水管、堆积物料等的影响。将掘进巷道的横断面模拟成净宽×净高的梯长方体，巷道长为107m。根据不同条件用SCDM分别建立几何模型划分如图5所示。

建立综采面场景及设备模型。包括综采工作面(含煤层)、采煤机(含刮板输送机)、液压支架、破碎机、皮带输送机、喷雾管道及喷嘴等。

2)综采面参数化网格划分

根据不同条件用SCDM分别建立几何模型划分后，综采面参数化网格划分程序会自动进行高质量网格划分，计算网格质量数为220万，网格质量0.18，网格划分如图6所示。

3)综采面参数化计算(同综掘面计算方法)

4)综采面数值模拟结果

通过步骤3)用户可完成综采面仿真计算，可自动提取仿真结果，包括：粉尘浓度分布，风流线分布、风速分布、压强分布等，如图7所示。

3、转载点二次平台研制

1)转载点参数化建模

将转载点巷道的横断面模拟成净宽×净高的长方体，巷道长为40m。巷道右帮悬挂压风筒，风筒的直径为0.6m，风筒轴线到巷道底板高3.2m，出风口距迎头5m。为方便计算，将人简化为圆柱体，根据不同条件用SCDM分别建立几何模型划分计算网格，如图8所示，综采面参数化建模经过专业仿真，可自动建立合理的简化模型，无需手动干预。

2)转载点参数化网格划分

根据不同条件用SCDM分别建立几何模型划分后，转载点参数化网格划分程序会自动进行高质量网格划分，计算网格质量数为112万，网格质量0.25，网格划分如图9所示。

3)转载点参数化计算(同综掘面计算方法)

4)转载点数值模拟结果

通过步骤3)用户可完成综采面仿真计算，可自动提取仿真结果，包括：粉尘浓度分布，风流线分布、风速分布、压强分布等，如图10所示。

4、锚喷面二次平台研制

1)锚喷面参数化建模

将锚喷巷道的横断面模拟成净宽×净高的长方体，巷道长为40m。巷道右帮悬挂压风筒，风筒的直径为0.6m，风筒轴线到巷道底板高3.2m，出风口距迎头5m。为方便计算，将人简化为圆柱体，根据不同条件用SCDM分别建立几何模型划分计算网格，如图11所示。综采面参数化建模经过专业仿真，可自动建立合理的简化模型，无需手动干预。

2)锚喷面参数化网格划分

根据不同条件用SCDM分别建立几何模型划分后，锚喷面参数化网格划分程序会自动进行高质量网格划分，计算网格质量数为342万，网格质量0.12，网格划分如图12所示。

3)锚喷面参数化计算(同综掘面计算方法)

4)锚喷面数值模拟结果

通过步骤3)用户可完成锚喷面仿真计算，可自动提取仿真结果，包括：粉尘浓度分布等，如图13所示。

步骤三：搭建矿井工作面数值模拟动态可视化系统；

1、数值模拟动态可视化开发环境及原理

矿井工作面数值模拟动态可视化系统是基于EnSight软件进行的开发，而EnSight是一个强大的软件包，包括后处理、可视化以及复杂数据动画。尽管开发人员的设计初衷是针对数值计算用户，但随着软件的逐渐成熟，也可用来处理其他数据。本次数值模拟动态可视化系统即采用Enisght作为载体，使用通过Fluent计算得到的结果，完成模拟。主要使用的功能模块如下：

读取和载入数据：EnSight支持数值模拟中的多种文件格式。另外，CEI定义了可用于结构和非结构化数据的通用数据格式(ASCII和二进制)，许多数值模拟软件均可直接输出该格式的数据(即FLUENT、STAR-CD、KIVA等等)。

保存和输出：EnSight会话文件是动态模拟可视化的命令文件，是一个单一文件，用于恢复EnSight的状态，恢复会话文件时，当前案例被删除，会话文件中的新案例被载入，并且恢复至保存时的状态。

操纵视图参数：EnSight提供了全局位置变换(旋转、平移、缩放)允许用户在图形窗口中操纵对象。变换可通过鼠标交互执行，也可通过输入值实现精确变换。用户可自行定义各鼠标按钮来执行不同变换。

可视化数据：除了包含节点和单元的网格数据，EnSight还支持离散或测量的数据。测量数据集由一系列不连续的空间点组成。测量数据可以有变量数据，也可以随时间的变化而变化。测量数据的例子包括燃油喷雾、多相流和实验数据。测量数据无法单独加载，必须给其指定一个规则的几何网格。

创建和操纵变量：EnSight读取结果数据时，相关的变量会列于变量面板上，并以两种状态存在，"未激活"(未加载至内存)或"激活"(已读至内存)。

操纵部件：提供了更改颜色、部件分组、合并部件、删除部件、设置部件属性、设置透明度、选择部件等功能。

动画：利用EnSight的动画书功能，可动画显示瞬态数据。在动画书加载过程中，所有部件(包括模型部件与派生部件)均依次基于每个时间步的数据自动重建。每个时间步都创建一个图形"帧"，并存储于内存中。动画书激活时，这些帧会立刻按硬件允许的显示速度(当然也可以减慢速度)顺序播放，也可以手动步进各帧。

文字注释：对于文字注释，EnSight具有全面的功能。不仅可以显示用户自定义文本，还可以显示包含于某些数据格式描述线上的文字以及随时间变化的动态文本。

(1)场景三维模型创建及导入

将在3ds Max中建立好的巷道、液压支架、刮板输送机、采煤机、掘进机和皮带运输机等模型导出为OBJ格式模型，导入Ensight中，调整效果、位置及透明度等。

(2)数据计算及导出

根据提供的煤矿井下粉尘监测数据，将数据导入FLUENT中建立计算模型，并最终得到所需的计算数据，本次计算数据总计包含4个作业位置，49个工况。完成计算后，需将计算结果模型所在坐标与三维模型场景中对应作业面坐标进行统一，使两者导入到一起时坐标位置重合。

(3)计算结果导入

在FLUENT中计算得到的数据文件(主要为粉尘效果及浓度图)，导入场景三维模型所在的Ensight会话中，删除FLUENT计算时用的简易巷道模型，调节粉尘粒子效果及浓度云图效果。

(4)工况文件保存

将所得到的49个包含Fluent计算数据的工况文件保存成会话文件，完成标准化命名。

(5)工况文件合并

将所得到的49个包含Fluent计算数据的工况文件按照要求，合并成6个文件。其中，转载点和锚喷点工况文件各合并成1个会话文件，综掘面工况文件根据风量分为风量300和风量550两个会话文件，综采面根据巷道尺寸分为450×350,800×600两个文件。

(6)数值模拟动态可视化

各工况数据文件中保存的动态数据，包含粉尘粒子运动轨迹，可动态展示一秒内尘源点产生的粉尘粒子在接下来一段时间内的运动轨迹，其原理为，通过测量得到实体井下巷道作业面的粉尘数据，导入Fluent进行计算，得到一系列产尘后不同时间点的粉尘位置数据，将所有数据导入Ensight后，通过连续播放，即可得到连续的变化效果，可直观展示粉尘的动态效果，反映降尘措施对井下粉尘的作用效果。

2、综掘面数值模拟动态可视化

1)以数值模拟的综掘面结果为例子。

(1)综掘面参数

在综掘面数值计算中，以下参数为常量，保持不变。表示综掘面计算时均以以下常量作为运算基础。风筒距离迎风面：5m，巷道高度：3.5m，巷道宽度：5m，巷道长度：50.01752m，侧向风出口长度：10m，侧向风筒距离轴向风筒出口距离：4.86049m，侧向风出口宽度：0.05m，除尘器外径：0.305m，除尘器长度：5.5m，风扇外径：0.35m，风筒内径：0.3m，除尘器内径：0.3m。

同时根据轴风扇流量大小，将数据分为两大类，进行综掘面数值模拟动态可视化。变量名分别为抽尘风筒风量(m³/min)、压风出风比、轴风扇流量(m³/min)、粉尘源浓度(mg/m³)。

(2)数值模拟动态可视化结果

表7轴风扇流量300m³/min时变量表(部分)

工况	抽尘风筒风量(m3/min)	压风出风比	粉尘源浓度(mg/m3)
				1	0	7/3	1000
2	440	7/3	1000

使用上表变量作为计算变量，以尘源点产尘后30s、90s、150s为时间节点观测动态化展示结果，其中工况1展示结果如图14(a)～(c)，工况2展示结果图14(d)～(f)，通过工况1与工况2对比发现，当抽尘风筒风量不同时，作业面粉尘浓度有明显变化，当抽尘风筒开始工作后，粉尘浓度明显降低。

2)以数值模拟的综采面结果为例子。

(1)综采面参数

在综采面数值计算中，以下参数为常量，保持不变。表示综采面计算时均以以下常量作为运算基础。常量参数分为两种情况，以巷道宽高尺寸作为区分。

巷道大尺寸：巷道长107.5076144m、巷道高8m、巷道宽：6m；

巷道小尺寸：巷道长：107.5076144m、巷道高：4m、巷道宽：3m；

如上参数，根据巷道尺寸，将数据分为两大类，进行综采面数值模拟动态可视化。变量名分别为粉尘源浓度风向(顺风/逆风)、(mg/m³)、空气入口流速(m/s)。

(2)数值模拟动态可视化结果

表8巷道宽高(4.5m×3.5m)时变量表(部分)

工况	风向	粉尘源浓度(mg/m3)	空气入口流速(m/s)
				1	顺风	2000	4
2	顺风	2000	1.5

以尘源点产尘后10s、30s、60s为时间节点观测动态化展示结果，其中工况1展示结果如图15(a)～(c)，工况2展示结果如图15(d)～(f)，通过工况1与工况2对比发现，当空气入口风量不同时，作业面粉尘的滞留时间明显不同，风速越快，粉尘滞留时间越短，越快排出作业面。

3)以数值模拟的转载点结果为例子。

(1)转载点参数

在转载点数值计算中，以下参数为常量，保持不变。表示转载点计算时均以以下常量作为运算基础。

落差：1m；粉尘源浓度：1000mg/m³(由实验数据获取)；空气入口流量：550m³/min；巷道高：3.3m；巷道宽：3m；皮带宽度：1.2m；同时根据作业点有无喷雾，将转载点数值模拟分为两种工况(工况1和工况2)。

(2)数值模拟动态可视化结果

表6-3转载点工况对照表

工况	喷雾
		1	无
2	有

以作业点有无喷雾作为计算变量，以尘源点产尘后5s、10s、15s为时间节点观测动态化展示结果，其中工况1展示结果如16(a)～(c)，工况2展示结果如图16(d)～(f)，通过工况1与工况2对比发现，当喷雾开始工作后，转载点粉尘浓度降低。

3)以数值模拟的锚喷面结果为例子。

(1)锚喷面参数

在锚喷面数值计算中，以下参数为常量，保持不变。表示锚喷面计算时均以以下常量作为运算基础。

出风口距离迎头：5m；粉尘源浓度：1000mg/m3；空气入口流量：590m3/min

巷道高：4.5m；巷道宽：4m；喷射机距离迎头：25m。

(2)数值模拟动态可视化结果

表6-4锚喷面工况对照表

工况	喷雾
		1	无
2	有

以作业点有无喷雾作为计算变量，以尘源点产尘后30s、90s、150s为时间节点观测动态化展示结果，其中工况1展示结果如图17(a)～(c)，工况2展示结果如图17(d)～(f)，通过工况1与工况2对比发现，当喷雾工作时，锚喷面粉尘浓度明显降低。

井下产尘环境模拟仿及三维可视化分析系统硬件平台由虚拟仿真3D大屏系统、视频处理系统、音响系统、LED大屏幕系统、中控系统及系统配件六大部分组成，其硬件平台的整体结构如图18所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种井下产尘环境模拟仿真及三维可视化分析系统，其特征在于，该系统搭建步骤包括：

S1：根据矿井工作面结构尺寸、防尘设备结构及布置、采掘设备结构及工艺，建立井下综掘面、综采面、锚喷面及转载点基于实际结构的3D通用实体模型；并采用综掘面、综采面、锚喷面或转载点参数化建模、综掘面、综采面、锚喷面或转载点参数化网格划分，基于Fluent流体仿真基础平台，建立可变结构参数和边界条件的二次仿真开发平台，实现矿井产尘环境的防尘措施及效果快速建模、仿真及数值模拟；

S2：构建矿井工作面数值模拟动态可视化系统：基于可视化仿真平台Ensight，对数值模拟结果进行三维实体化动态对比展示，体现不同防尘工艺设计下不同的防尘治理效果，采用交互式平台构建与产尘相关的设备的动力学模型，利用粒子系统建立粉尘的产生、传播的动态过程，进而获得防尘措施工艺的优化设计；

S3：实现综掘面、综采面、锚喷面及转载点防治措施及实施工艺过程粉尘可视化模拟仿真，数值模拟数据的动态可视化输出，实现模拟场景的交互漫游、鸟瞰，随时查看当时情况下模拟粉尘危害的各个参数情况。

2.根据权利要求1所述的井下产尘环境模拟仿真及三维可视化分析系统，其特征在于，步骤S1中，二次仿真开发平台的构建方法，具体包括：设三元组(A,R,B)表示三维巷道内空间对象A和B间存在关系R，定义此三元组为一个事实，通过布尔运算交∧或并∨进行组合；

若三维空间中任意两个空间A和B分别由线段LA1，LA2，…，LAm和LB1，LB2，…，LBn组成，LAm和LBn之间的距离定义为LAm上的点PA与LBn上的点PB之间距离的最小值，表示为d(LAm，LBn)＝min{d(PA，PB)，PA∈LAm，PB∈LBn}，

根据井下实际情况，取阈值为λ，则得到巷道三维拓扑空间关系最小集的形式化定义：

相离关系<A，disjoint，B>：dAB(A，B)>λ；

相邻关系<A，touch，B>：0<dAB(A，B)<λ；

相交关系<A，cross，B>：(dAB(A，B)＝0)∧(dAB(A∩B)＝0)；

部分覆盖关系<A，overlap，B>：(dAB(A，B)＝0)∧(dAB(A∩B)＝1)∧(A∩B≠A)∧(A∩B≠B)；

包含关系<A，in，B>：(dAB(A，B)＝0)∧(dAB(A∩B)＝1)∧((A∩B＝A)∨(A∩B＝B))；

其中，λ为实际存在的两条空间的最小距离或小于最小距离，对于不同空间，其取值不完全一致；

对相离关系，则A∩B＝Y，不拓扑求交；对相邻关系，设A和B在XY面投影为Axy和Bxy，则A与B在XY投影面的拓扑交点为PxyPxy＝Axy∩Bxy，再计算Pxy在A上的Z坐标，得到三维点PA，同理得到PB，于是得出三维空间A和B的拓扑交点PP＝(PA+PB)/2；对相交关系，得出A与B三维拓扑交点PP＝A∩B；对部分覆盖关系，则A取A-(A∩B)，B不变，或B取B-(A∩B)，A不变；对包含关系，若A∈B，则A取Y，B不变，反之，则B取Y，A不变；

依据原始形成的巷道三维拓扑空间关系最小集具体表现为：其在空间数据表示上为二维投影平面上两两相交却在三维空间两两相离，表现为悬线、重复线、邻近点。

3.根据权利要求1所述的井下产尘环境模拟仿真及三维可视化分析系统，其特征在于，步骤S1中，建立井下综掘面、综采面、锚喷面及转载点基于实际结构的3D通用实体模型，并采用综掘面、综采面、锚喷面或转载点参数化建模、综掘面、综采面、锚喷面或转载点参数化网格划分，具体包括以下步骤：

S11：综掘面、综采面、锚喷面或转载点参数化建模；

1)将作业空间视为标准光滑梯形巷道，忽略突出物和超挖欠挖造成的表面不平；2)将掘进机、皮带、风筒及除尘器视为规则的几何形体的组装；3)忽略作业空间中风管、水管、堆积物料的影响；

S12：综掘面、综采面、锚喷面或转载点参数化网格划分；

S13：综掘面、综采面、锚喷面或转载点参数化计算；

S14：综掘面、综采面、锚喷面或转载点数值模拟，包括：粉尘浓度分布、风流线分布、风速分布和压强分布。

4.根据权利要求1所述的井下产尘环境模拟仿真及三维可视化分析系统，其特征在于，步骤S2中，构建矿井工作面数值模拟动态可视化系统，具体包括以下步骤：

S21：创建及导入场景三维模型；

将在3ds Max中建立好的巷道、液压支架、刮板输送机、采煤机、掘进机和皮带运输机模型导出为OBJ格式模型，导入Ensight中，调整效果、位置及透明度；

S22：计算及导出数据；

根据提供的煤矿井下粉尘监测数据，将数据导入FLUENT中建立计算模型，并最终得到所需的计算数据；完成计算后，将计算结果模型所在坐标与三维模型场景中对应作业面坐标进行统一，使两者导入到一起时坐标位置重合；

S23：导入计算结果；

在FLUENT中计算得到的数据文件，导入场景三维模型所在的Ensight会话中，删除FLUENT计算时用的简易巷道模型，调节粉尘粒子效果及浓度云图效果；

S24：保存工况文件；

S25：合并工况文件；

S26：数值模拟动态可视化。

5.根据权利要求1所述的井下产尘环境模拟仿真及三维可视化分析系统，其特征在于，综掘面的参数包括：巷道断面、供风风量、供风直径、附壁风筒长度、出风口宽、压风风筒距巷道壁、轴向出风口距离迎头、抽尘风筒抽风量、抽尘风筒直径、除尘器尺寸、压风的出风比、粉尘浓度和模拟除尘状态。

6.根据权利要求1所述的井下产尘环境模拟仿真及三维可视化分析系统，其特征在于，综采面的参数包括：采煤工作面、工作面平均风速、粉尘浓度和喷雾模拟状态。

7.根据权利要求1所述的井下产尘环境模拟仿真及三维可视化分析系统，其特征在于，转载点参数包括：皮带宽度、落差、巷道断面、巷道风速、原始粉尘浓度和喷雾参数。

8.根据权利要求1所述的井下产尘环境模拟仿真及三维可视化分析系统，其特征在于，锚喷面参数包括：扒渣机距离迎头、出风口距离迎头、供风风量、喷射机安装位置、巷道迎头、喷射机旁粉尘浓度和喷雾效果。

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