三维巷道模型（精选七篇）
三维巷道模型 篇1
巷道系统是矿山三维虚拟场景的重要组成部分,是构建数字矿山的基础。煤矿巷道纵横交错、错综复杂,伴随采掘工作的推进,巷道不断变化。如何立体、直观、准确地表现并反映井下巷道及其空间关系,是煤矿安全、高效、合理开采的重要保障[1]。目前,应用GIS技术管理煤矿信息的研究方兴未艾,巷道三维可视化GIS建模技术已成为研究的热点。
通用三维建模软件建模包括3DMax和 AutoCAD等,在这些软件之上建立的三维模型虽有很好的逼真度,但是缺少灵活性,模型更新需要大量的手动操作,可移植性差,难以与GIS系统有效集成,不便进行空间拓扑分析;从虚拟现实角度构建3DGMS系统的研究较多,该类系统基于OpenGL、Direct3D、Java3D 等技术进行开发,可以直观表现巷道内环境,但在数据存储和时态显示方面存在许多不足,数据更新维护存在很大困难;参考文献[1]基于GIS的煤矿巷道自动建模研究未能很好处理交叉巷道的情况。
针对以上问题,本文设计了一种点弧拓扑数据模型,利用GIS要素类存储巷道的点弧拓扑信息,通过插入节点坐标生成三维巷道模型,并将模型存储在Multipatch要素类中。所得三维巷道模型精度高,可以有效减少煤矿巷道建模中的工作量。
1 Multipath数据模型
Multipatch是ESRI空间数据库模型Geodatabase中提供的一种要素类型,属于矢量数据模型,通过一系列有序三维点构成三维平面,再由这些平面构成三维体。利用Multipatch 构建三维体的优点是可以把这个三维体作为一个矢量要素存储到Multipatch 要素类型的空间数据库表中。通常Multipatch是一系列三维表面的集合,它用于描述三维物体表面,包括3种最常用的三维表面类型,如三角条带(Triangle Strip)、三角扇(Triangle Fan)和组环(Rings)。目前,Multipath格式得到了许多三维建模软件的支持。
2 煤矿巷道三维建模方法
2.1 节点插入方法
巷道平面法向量始终平行于巷道中线与其在水平面投影形成的平面。采用巷道中线作为三维建模基础数据,需要采用类似缓冲区分析[2,3]的方法建立巷道两侧的边,对每一个巷道断面增加节点建立巷道模型。这里主要讨论拱形巷道节点添加方法,如图1所示,需先计算与巷道中线点对应的左右侧点的坐标A1(x1,y1,z1)、A2(x2,y2,z2),再计算出另外2个顶点的坐标B1(x1,y1,z′1)、B2(x2,y2,z′2)。根据式(1)给拱形顶增加节点Ci(xi,yi,z′i)拟合圆弧:
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式中:i=1,…,n,n为采用节点替代圆弧插入节点的数目;γ为由B2点到Ci点逆时针转过的夹角。
对于相交的两条巷道,其拱形顶相交于一椭圆弧,沿椭圆弧顺次产生插入节点缝合相交点处的巷道模型。
2.2 点弧拓扑数据模型
巷道的断面通常包括长方形、梯形和拱形3种[4],难以处理的是线状数据的拐点和不同巷道线的相交点。线状数据的节点包括高程信息,会出现沿前进方向平面凹凸和垂向凹凸的情况。若进行巷道的自动化精细建模,必须对巷道折点进行特殊处理。对巷道交叉的地方,模型应该能够保证交叉点连通。在本文讨论中,对节点、弧段等进行了如下定义[5,6]:
(1) 结点:指巷道弧段的起点和终点,相交的点必为起点或终点。结点信息存储在点文件中,同时要为每个结点建立拓扑信息。一条巷道弧段的起点或终点不可能属于另一条巷道弧段内的节点,实际巷道的交叉点必为结点。
(2) 节点:对于一条弧段,除了结点外,该巷道弧段内的其他点被称为节点。结点与节点都在巷道的中线上,若一个点已被定义为结点,就不能再成为节点,如图2中的圆圈所标识的点所示。
(3) 弧段:直线段(相邻两点连成的线段)集合为一个弧段或链段,每个弧段包含一个起点和一个终点,也可以有许多中间点。
(4) 巷道线:一条巷道包括n条弧段。
(5) 点-弧拓扑:根据巷道在XOY平面内的投影,按逆时针方向建立点-弧拓扑编码。点弧拓扑要素实际上是点要素和线要素进行的拓展。
点弧拓扑数据集可以以点、线要素为基础进行拓展,也可以通过拓展几何网络数据生成。点弧拓扑数据应该包括以下内容:点数据包含结点ID、相交线数、拓扑编码;弧段数据包括弧段ID、起点ID、终点ID。起点和终点ID依赖于点数据的结点ID。拓扑编码建立了每个结点在XOY平面内的投影按逆时针方向邻接的弧段ID。图2为平面内巷道中线投影和缓冲巷道两侧边示意图,对图2示例巷道建立的编码如表1和表2所示。
2.3 数据预处理
煤矿生产中常使用的采掘工程平面图大多为CAD格式。为建立数字矿山GIS系统,需根据采掘工程平面图生成各种GIS专题地图。同时,需根据煤矿已有的文件记录和图形数据,提取煤矿的各种图层要素和属性信息。
首先将现有CAD格式数据转换为Geodatabase中的要素类,然后为巷道结点和节点添加高程信息,因不同煤矿的CAD数据又分为平面和三维2种,对二维巷道首先要增加相应的高程信息。CAD数据本身不包括空间参考信息,而且常采用示意图显示,在数据预处理阶段,需要对线状要素添加空间参考,并进行配准作为建立巷道点弧拓扑文件的底图。数据预处理阶段生成了采用GIS要素类表示的三维单线巷道。
整个矿井巷道三维模型生成工作流程如图3所示。
2.4 点弧拓扑数据集构建步骤
(1) 新建点弧段拓扑数据集,主要包括点和线要素(FeatureClass)。
(2) 编辑点要素,结点数据存储在点要素类中,给每个点要素添加结点编号,应注意不要遗漏巷道的相交点。
(3) 以结点编号作为标注,连接结点形成弧段,为弧段添加编号、为弧段添加起点和终点编号。增加诸如巷道编码等属性信息,通过巷道编码可以建立属性数据和即将建立的三维要素类的关联。此过程需注意巷道编码的规范。
(4) 拓扑检查,检查其中是否存在结点不在弧段上等错误,添加弧段编号作为标注,为结点添加相交线数目和拓扑编码信息,拓扑编码按逆时针方向建立。
在上述过程中,若遇到巷道尖角,在缓冲分析中需要进行特别处理。因竖井在水平面内投影为一个点,某些斜井的形状又不规则,需要对竖井和某些斜井进行单独处理。如图4所示,在处理距离过于接近的结点a和b时,需要将它们合并成一个点。
2.5 数据结构和算法步骤
在利用C#语言和ArcGIS Engine进行算法实现时,需要定义以下数据结构:
巷道三维建模算法流程如图5所示。
第一步:先读取点弧拓扑文件,将数据存入数据结构。
第二步:读取一条巷道。
第三步:遍历巷道上的每个点Pj,分别插入节点。
若Pj是巷道的起点:如果相交点数小于2,按圆弧插入节点,如果相交点数大于2,读取拓扑信息,按椭圆弧插入节点。
若Pj是巷道的终点:如果相交点数小于2,按圆弧插入节点;如果相交点数大于2,读取拓扑信息,按椭圆弧插入节点。
若Pj是中间节点:按圆弧插入节点。
第四步:绘制这一条巷道,读取插入节点集合数组,遍历生成Multipath巷道模型。
第五步:接着读取下一条巷道,重复第二～四步骤,直到结束。
3 实例
根据本文提出的巷道三维建模方法,采用C#+ArcEngine开发煤矿三维巷道自动建模程序,实现了算法功能,并对陕西省某煤矿的CAD图形和属性数据进行处理生成点弧拓扑数据,最终实现了煤矿巷道的三维自动化建模,可方便地建立煤矿巷道的三维模型。图6分别显示了对巷道拐点、3条巷道相交点和4条巷道相交点的处理。
4 结语
基于Multipath的煤矿巷道三维模型构建方法有效地减少了传统手工建模的工作量,为巷道交叉点添加拓扑信息,基于点弧数据模型建立三维巷道,具有很好的显示效果。
基于GIS建立三维巷道模型,减少了图形和属性信息管理与更新的困难,为实现二、三维一体化煤矿GIS系统奠定了基础。采用空间数据库管理煤矿数据,有利于充分利用现有各种矿区数据进行空间分析,有利于实现在网络环境下的煤矿信息共享。
参考文献
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[2]陈学工,张文艺,张驰伟.一种GIS缓冲区矢量生成算法及实现[J].计算机技术与发展,2007,17(3):13-17.
[3]张宏.地理信息系统算法基础[M].北京:科学出版社,2010.
[4]姚建海.煤矿三维巷道建模技术研究[J].太原科技大学学报,2009,30(1):80-86.
[5]石奉华.巷道三维可视化建模技术———以东滩煤矿为例[D].青岛:山东科技大学,2007.
[6]王建民.三维巷道建模及其应用研究[D].太原:太原理工大学,2005.
三维巷道模型 篇2
“数字矿山”是以计算机及其网络为手段, 把矿山的所有空间和有用属性数据实现数字化存储、传输、表述和深加工, 是对真实矿山整体及其相关现象的统一理解、表达与数字化再现。“数字矿山”是为了适应信息化社会的建设要求, 是矿山信息化的完整解决方案, 许多基础理论和关键技术尚有待研究攻克。
1 巷道三维建模的数据源与数据特点
1.1 巷道三维建模的数据源
在数字城市建模中, 能够运用先进的技术和方法来获取数据, 获取这些数据的方法有很多。而在矿山建模中数据的获取却很难, 因为矿山测量的数据大部分在巷道里, 不能把有些先进的测量方法和先进的仪器 (如GPS、遥感影像等) 应用到井下, 所以传统的测量方法仍然是井下测量的主要方法。由于井下的空间范围相对来说比较小, 不便布置三角网, 因而导线测量是井下测量最主要的手段。
巷道相对来说空间区域不大, 但从巷道自身的特点可以看出, 巷道是由长、宽、高组成的一个体域, 它的高度、宽度是有一定范围, 不过它的长度会随着巷道掘进而增加。井下的每一条巷道都布置有导线点, 导线点的坐标用经纬仪或全站仪可以测出平面二维坐标 (x, y) , 用水准仪可以获得较为精确的高程坐标 (z) , 也即, 巷道内导线点的三维坐标是可以通过测量手段来获取的, 因而巷道内的导线点是建立三维巷道的基础数据。由于导线施测的需求, 导线整个都在巷道内布设, 但其点位大部分情况下却是不规则的, 在精度要求不高的巷道平面布置图中, 可以用来代替巷道中线, 能够描述巷道的延伸方向, 在巷道三维建模中, 为了精确表达巷道的三维布设情况, 一般情况下, 都采用巷道中线上的点作为基础数据。如果把巷道抽象成一条线, 这条线就是巷道中线, 问题是怎样把导线上的点逼近到巷道中线上。事实上井下巷道是实实在在的一个复杂多面体, 仅用导线点描述这个体是远远不够的。巷道的用处不同, 其断面的形状、宽度、高度也不一样, 所以用以描述巷道断面的数据也是建立巷道模型的一项数据源。另外, 在建模过程中还需要一些其它数据, 比如巷道的名称、用途、颜色、纹理等属性。
1.2 巷道三维建模的数据特点
1.2.1 掘进巷道的数据主要来源于矿山设计中的数据和矿
山地测部门的实测数据, 并且这些测量信息也是最重要、最准确的信息来源
1.2.2 导线的布设随着巷道的掘进逐渐进行, 自始至终沿着巷道, 因此测量导线网简单勾画出了井下巷道的布置情况;
井下测量随着巷道的掘进逐渐顺序进行, 导线测量过程中, 容易对巷道特征点和巷道附属物进行精确测量;测量导线点具有三维坐标, 从而确定了点的空间位置, 巷道的断面形状确定了它的空间形态
2 巷道三维建模的数据模型
2.1 空间对象的分类与基本元素
由于三维模型的多样性, 所采用的数据结构也存在多样性。虽然数据模型和所采用的数据结构存在着不确定性, 但都遵循以下几条原则: (1) 模型必须便于完成用户的特定要求; (2) 尽量减少数据存储空间; (3) 数据处理耗时要尽可能的少; (4) 数据维护简单、方便; (5) 与其他模型之间的兼容性要好。
矢量模型具有占用存储空间小, 表达地面几何位置精确, 易于表达地物间的空间关系等一系列优点。矢量模型中最具有代表性的是点、线、面模型, 扩展到三维空间即为点、线、面、体模型。事实上, 在点、线、面模型中最基本的元素是点和直线段, 面和体是通过线和点来构造的, 可以通过多条线的复合体来表达, 点和线主要用来描述三维空间的二维和三维实体。如何对复杂的空间三维面或体模型进行剖分, 从而利用点和线等简单对象来描述。如前所述, 三维空间实体可以按维数划分为四类:零维实体、一维实体、二维实体和三维实体。其中点状实体与线状实体的空间特征表达相对简单。所以在数据组织上都是针对点、线进行的。
通过对地理实体或现象及它们的相互关系、分布特征、空间特征进行分析和抽象, 可把空间对象定义为如下几种类型:
(1) 点状地物。点是零维几何元素, 它是三维数据模型中最基本的元素, 曲线、曲面或其它形体均可用有序点集表示。点状地物是零维空间目标, 包括独立地物点、结点。
(2) 线状地物。弧段是一维几何元素, 由起结点和终止结点加一系列有序点集表示。弧段一般没有属性意义, 它可能是某线状地物、面状地物或体状地物的一部分。线状地物是一维空间目标, 由一条或若干条弧段组成, 有自己的属性编码和属性表。
(3) 面状地物。面是二维几何元素, 是物体上一个有限、非零区域, 由一个外环和若干个内环界定其范围。面有方向性, 一般用其外法线方向作为该面的正向。面状地物是二维空间目标, 由周边弧段组成, 有属性编码和属性表的曲面, 它不仅可表示地表上的地物, 还可以表示地表下的各种层面。
(4) 体状地物。体是三维几何元素, 由封闭表面所围成的空间, 是欧式空间中非空、有界的封闭子集, 其边界是有限面的并集。体状地物在体元素的基础上包含了自己的属性信息。
(5) 复杂地物。复杂地物由上述4种地物中若干个地物组成。
2.2 巷道三维建模的数据模型
矿山巷道网络三维建模的需要出发, 可以利用面向对象的方法将矿山巷道网络三维建模的基本元素抽象为点、线、面、体四大类。点类包括测量导线点、钻孔采样点、离散点等, 线类包括巷道内的轨道线、电缆线、排水沟等, 面类主要由巷道断面和构造三维模型所需要的基础面元组成, 体类包括半巷道体、简单巷道体 (单一巷道体) 、复杂巷道体和复合巷道体。半巷道体是为了建模方便对简单巷道体的进一步剖分, 一个简单巷道体可由两个或两个以上的多个半巷道体组成。简单巷道体, 也可以称作单一巷道体, 它是没有分支的巷道。
3 巷道三维建模的数据结构
巷道是采矿生产中将煤炭从工作面运送到地面, 以及通风、安全输送工人的通道。对整个矿井而言, 巷道是其核心部分。矿山信息系统主要面对两类空间目标, 即掘进巷道和地层, 因此矿井掘进巷道是矿山信息系统研究的重要内容之一。在巷道的掘进过程中, 测量导线点数据一直起着重要的作用, 并伴随着巷道的掘进全过程。此外, 测量导线点数据还是生成采掘工程图的原始数据, 无论采掘工程图的比例尺如何变化, 巷道的空间分布结构是不会随之改变的。也就是说, 测量数据已经将巷道的位置固定了下来, 这对建立矿山巷道模型至关重要。
4 结束语
矿山巷道具有三维网络特征, 随着信息技术的迅速发展, 我们可以利用计算机管理矿山巷道的基本测量数据, 并对矿山巷道的空间分布进行三维可视化, 不仅能准确地记录井巷工程的变迁、直观地显示巷道的三维视觉模型、方便地查询巷道的有关信息、更好地进行地质采矿问题的分析, 而且可使人们从传统的大量数据及繁重的手工劳动中解脱出来, 提高矿山的管理水平及工作效率。尤其重要的是, 通过对矿山三维巷道可视化模型的空间分析, 还可以辅助矿山巷道设计、掘进施工组织、灾害救援决策等工作。S
摘要：随着计算机科学技术的不断进步, 信息数字化逐渐成为全球各行各业的发展趋势。矿山生产也不例外, “数字矿山” (Digital Mine, DM) 应运而生。因此, 如何将矿山在生产活动中积累的各种信息进行管理, 建立起相应的数学模型, 实现科学可视化并进行分析研究, 是“数字矿山”必须解决的核心技术问题。
关键词：矿山测绘,数字矿山,数学模型,三维建模,空间对象,数据结构
参考文献
[1]梅志恒, 陈箐, 龚君芳.数字矿山巷道三维管理的研究与设计[J].工业安全与环保, 2009, 35 (9) :10-11.
三维巷道模型 篇3
1 巷道三维建模的数据来源与提取
本次试验的数据来源是DXF格式的二维煤矿平面图, 如果将现有的矿井三维空间实体转化为一张平面图纸, 那么必然是煤矿综合工程平面图纸, 它包含了巷道、永久导线点、工作面参数、采区布置、地质构造状况、通风线路等详细信息, 是整个矿井生产及安全管理的真实反映。因此, 把煤矿综合工程平面图作为创建巷道三维模型的数据来源是精准、可靠的。
DXF是Auto CAD图形文件中包含的全部信息标记数据的一种表示方法, 用于Auto CAD图形应用程序之间输入、输出的交互图形文件。一个完整的DXF文件由标题段、表段、块段、实体段和一个文件结尾组成。实体部分 (ENTITIES) 包含了所绘制图形的所有数据, 其中三维巷道建模所需要的基本信息 (定义直线数据的起始坐标和终点坐标) , 可以通过对这一部分进行分析提取, 提取的流程图如图1所示。
提取出直线的起始坐标和终点坐标以及高程信息后, 结合矿图文件的比例尺信息就可以计算出直线的三维空间坐标, 进而得到巷道的骨架图 (中心线) 。
2 JSON格式巷道三维模型的生成
JSON格式是本文采用的可视化技术Web GL原始支持的三维数据格式, 相比于其他的数据格式, JSON格式的轻量性、文本性和语言非依赖性令其成为了理想的网络传输格式[2], 因而本文采用JSON三维数据格式。JSON格式巷道三维模型的生成, 首先是运用分段法的建模思想将完整的巷道分为直巷道、弯曲巷道和交叉巷道分别进行模拟, 得到各个巷道段的线框模型;然后将其转化为JSON格式的巷道段, 最后基于巷道的骨架图加载对应JSON格式的巷道段得到JSON格式的巷道三维模型, 其模型生成流程图如图2所示。
2.1 巷道的三维建模
对于复杂的巷道, 采用分段法的思想将巷道分为直巷道、弯曲巷道和交叉巷道三部分进行模拟[3]。直巷道的模拟重点在于断面的模拟, 本文采用应用最为广泛的直壁拱形断面, 断面的模拟主要是通过离散巷道断面上的特征点的方式完成, 然后将巷道断面沿某一方向进行相应拉伸得到直巷道段。弯曲巷道的模拟主要运用贝塞尔曲线完成巷道弯曲处的平滑过渡, 基本思想是首先基于导线点加载巷道截面, 然后离散断面上的特征点, 计算出各个特征点的坐标, 最后将拱形断面的相应的特征点作为贝塞尔曲线的控制点, 绘制贝塞尔曲线, 进而完成弯曲巷道的三维模拟。交叉巷道的建模算法[4]首选计算出相邻分支巷道的公共特征点以及相邻分支巷道相交处拱形断面上的特征点, 然后将巷道出拱形断面进行拉伸完成巷道支干的模拟, 最后通过连接相邻分支巷道相交处拱形断面上的特征点完成巷道交叉处底面的顶面的构建。
2.2 JSON格式巷道段的生成
要完成各个巷道段的加载, 首先要将上一步得出的各个巷道段的线框数据模型转化为JSON格式的巷道段, 以下是各个巷道段具体的转换方法:
直巷道的转换, 是最简单最基本的转换, 也是弯曲巷道和交叉巷道转化的基础, 通过对vertices域和faces域的构建完成巷道格式的转化, 格式转化的过程如图3所示。
vertices域 (顶点) 是通过将直巷道的特征点按顺序遍历完成顶点域的构建, faces域 (模型的面) 是根据特征点的几何关系构建相应的三角面片, 由于上一步出的巷道段的线框模拟是没有材质等信息的, 所以根据JSON格式的规则[5], 一个三角面片表示为:
faces[0, V1, V2, V3, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
根据JSON格式的规则, 第一个0是二进制00 00 00 00的十进制数, 表示模型的面是由三角面构成, 三角面没有材质、法向量以及顶点的颜色, V1, V2, V3表示三角面对应顶点的索引, 后面的6个零表示贴图的索引和顶点法线的索引。按照这种方式, 构建出所有的三角面片, 得到JSON格式的直巷道段。
弯曲巷道的模拟是采用Bezier插值算法实现的, 巷道模拟的精度, 由Bezier插值点生成线框模型的折线的线段数决定的, 折线的段数越多时, 巷道模拟的精度越高。生成的折线模拟方法也就是直巷道的模拟, 所以弯曲巷道JSON格式的转换是通过JSON格式的直巷道段一段一段拼接而成。
交叉巷道JSON格式转化是通过将交叉巷道分为巷道支干和巷道交叉处顶面和底面分别进行转化实现的, 巷道支干的转换也就是直巷道的转化, 巷道交叉处三角面片的构建是根据交叉巷道建模算法得出的相邻分支巷道相交处拱形断特征点的几何关系完成的。
3 巷道三维模型的可视化
本文采用的可视化技术是Web GL的Three.JS框架, 其渲染结构主要包括:Renderer、Scene和Camera。三维模型的渲染是通过首先给三维模型设置场景, 然后将相机和设置好的场景加入到渲染器中完成的。通过THREE.JSONLoader () 可将巷道模型加载到场景中。三维模型的动态交互是通过鼠标事件和动画循环实现的, 通过renderer.render () 方法的设置便可实现动画循环效果, 巷道模型的平移、旋转和缩放等基本交互操作是通过javascript的各类鼠标事件控制相机的位置和视角实现的。在Three.JS中提供了load Texture () , Shader Material () 等方法用于对三维模型进行贴图处理。在完成巷道的数据提取、三维建模、格式转换以及可视化显示, 就已经完成了本次论文的全部内容。以某煤矿某号煤层采掘工程平面图为例, 实验结果巷道内部效果如图4所示。
部分三维巷道显示如图5所示。
4 结语
综上所述, 随着国民经济的不断发展, 物质生活水平的不断提高, 使用一张煤矿的平面图纸和移动设备就可以看到煤矿巷道的三维显示, 这对普通用户进和专业人士都提供了巨大的便利, 加速了煤矿数字化的发展进程。
参考文献
[1]于慧影, 黄士红.基于Open GL的矿井巷道的可视化研究[J].测绘科学, 2013 (5) :178-179.
[2]王珩玮, 胡振中.面向Web的BIM三维浏览与信息管理[J].土木建筑工程, 2013 (3) :9-13.
[3]刘星, 刘辉.基于O3D矿图巷道三维转换Web化的设计与实现[D].沈阳:东北大学, 2010.
巷道式通风三维数值仿真研究 篇4
(一) 对巷道式通风进行数值模拟的目的和意义
针对复杂轴线的地下水工建筑物的工程实际, 对通道内的流体进行合理简化, 确定通道内的CO和NO为主要影响因素, 运用有限元分析软件, 对复杂轴线的地下水工建筑物的一种主要施工通风方式进行多维数值模拟, 研究主通道贯通后的施工通风问题, 分析在对洞室群施工通风过程中主通道内风流场的结构和特性以及有毒气体浓度随通风时间的变化情况, 总结影响射 (吸) 程的因素, 为施工通风方案的拟制提供科学依据。
(二) 数值模拟方法
1. 基本假定
流体是连续不可压缩的定常流, 流体遵循能量守恒定律;假定主通道壁面绝热, 忽略主通道内空气比热随温度的变化, 视为常数;假定主通道内流场具有高湍流Re数, 流体的湍流粘性具有各向同性, 湍流粘性系数视为标量。
2. 适合于本课题研究的数值模型
本文采用的模型是RNG k—ε双方程湍流模型和对流扩撒模型 (The Convection and Diffusion Application Mode) , 通过数值模拟软件实现两个模型方程的耦合求解。其中, RNG k—ε双方程湍流模型用于分析主通道通风过程中主通道内风流场的结构和特性, 对流扩撒模型用于分析主通道内两种主要有毒气 (NO、CO) 的浓度变化情况。
3. 模型耦合求解分析
本模拟使用模拟软件中的k-ε湍流模型, 并通过多物理场耦合功能将k-ε湍流模型的计算结果与对流和扩散模型实现耦合求解, 从而得到有害气体的浓度场。由于计算机性能的限制, 我们必须对模型和一些边界条件进行合理简化, 以减少计算量。求解该多物理场问题有两组不同的偏微分模型方程, 独立变量u、v、p、logk、logε和c分别具有不同的量纲, 因此, 我们可以对该模型使用多物理场耦合求解。
4. 模拟工况与模拟目的
(1) 模拟工况
基本情况:主通道轴线总长度1200m, 有三个出入口且三个出入口均已相互贯通, 主通道内有两个洞室钻爆刚结束正在进行有毒气体的排放, 主通道道内不同区域 (见模型) 已有大量有毒气体聚集。
(2) 几何模型的建立
(3) 初始条件与边界条件的确定
(1) 图示位置两个洞室排风口 (尺寸0.3×0.2m2) 的风速为4m/s, 有毒气体的初始浓度CO为0.01mo l/m3, NO为0.008mo l/m3;通道红色区域有毒气体的初始浓度CO为0.008mo l/m3, NO为0.006mo l/m3;通道蓝色区域有毒气体的初始浓度CO为0.002mo l/m3, NO为0.001mo l/m3;有毒气体的扩散浓度均为0.002mo l/m3;
(2) 空气密度1.20kg/m3;动粘滞系数取1.52e-5Pa·S;
(3) 有毒气体扩散系数D取1.91×10-5m2/s;
(4) k-ε湍流模型中, 射流风机出风口尺寸 (0.1×0.1) , 射流风机1和2风速为vA (25m/s) 和vB (15m/s) ;在对流和扩散模型中, 射流风机1和2入口浓度为0;
(5) k-ε湍流模型中, 通道出风口压力为p=1atm;在对流和扩散模型中, 通道出风口边界条件设为对流通量;
(6) k-ε湍流模型中, 通道和洞室壁面按照壁面函数处理, 壁面偏移设为网格尺寸的一半;在对流和扩散模型中, 壁面为对称绝缘。
(三) 模拟结果分析
1. 主通道射流通风速度场分析
(a) 速度切片图 (x=5.y=5, z=1处) ; (b) 流入口中法线纵向速度剖面图; (c) 速度场分布图及局部放大图
(1) 从图2 (a) 、 (b) 可以看出, 通道内风流整体流向稳定。
(2) 从图2 (c) 中可以看出, 在通道的AD和BF段, 风机1和风机2刚喷出的高速射流速度是均匀的, 此后沿着射程方向, 射流不断卷吸周围流体, 使得射流边界扩张, 随着射流的发展, 剖面上的轴向速度沿径向开始逐渐趋于均衡, 射流与通道内气体充分混合, 射流核心区周围的射流边界层速度小于出口速度;在射流起始段, 沿射流方向, 射流速度逐渐减小, 最终趋向一个稳定值, 这与流体力学中的汇流原理是一致的;当进入到通道的弯曲段 (DE段、FG段) 以后, 速度剖面呈现典型的管内流动特点;在通道的竖直段 (EG段) , 由于左右两侧喷出的射流作用, 速度场产生轻微扰动, 但风速明显提高, 由于受到通道壁面的限制, 使其具有有限空间射流的特性。
(3) 从图2 (c) 局部图中可以看出, 两个方向的流体汇合后, 流速增加明显, 在交汇处出现峰值。
(a) (b) , (c) 分别为通道AD段和BF段沿风机射程方向的速度曲线图
(4) 从图3 (a) 、 (b) 可以看出, 在风机出口附近区域湍流发展充分, 速度起伏较大, 但总体呈递减趋势。风机出口两侧的射流边界层速度小于出口速度, 由于射流不断发展继而带动两侧流体剧烈运动, 使射流边界不断扩大, 在射流初始段速度明显增加, 出现一个峰值。
(5) 从图3 (b) 可以看出, 曲线基本走势与图 (a) 相似, 但由于风机2的射流速度低于风机1的射流速度, 湍流发展与图 (a) 比较与略显平缓。
(6) 从图3 (c) 可以看出, 曲线呈振荡上升的态势。由于两个洞室1和2的压入式排风作用, 曲线出现了两个上升拐点, 流速在达到峰值之后又略有滑落, 这是因为在洞室出口附近两个方向的风流相遇产生的能量损失所致。曲线的第三个上升段的产生则是因为与通道BF段的风流叠加的结果, 最后风速趋向于稳定。
2. 主通道射流通风压力场分析
(1) 图4为通道整体压力分布图, 图5通道局部压力分布放大图。
(2) 从图4可以看出, 由于射流的卷吸作用, 在风机的出风口周围出现一个低压区。在通道的平直段 (AD段和BF段) , 压力的递减趋势不明显, 这表明通道壁面的轻微摩擦对风压造成的损失不大。
在1和2两个洞室排风口向通道EG段喷出射流, 因而压力在排风口附近略有回升, 且速度较大的一侧升压率也较大, 但由于射流速度和射流剖面均较小, 并没有对压力带来明显的增加。通道BF段射流进口处的压力分布情况与AD段相似, 但经过弯曲段以后, 风机的诱导效应开始衰减, 压力沿气流方向逐渐减小, 从而使气流可以从通道GC段顺畅流动。
(3) 从图5 (a) 可以看出, 通道DE段内侧区域的压力明显小于其外侧的压力, 即压力沿弯道径向由外到内呈递减趋势, 这是由于在弯道内侧气流所受到的局部阻力较小, 而外侧受到的局部阻力较大所致。通道FG段的压力分布与图 (a) 类似, 这里不再分析。
(4) 从图5 (b) 可以看出, 由于两股气流的碰撞, 洞室排风口的出流风速大于通道内的主风流风速, 在排风口下方出现一个明显的负压区, 会使有毒气体在这一区域产生回流, 这对有效的通风排烟不利, 因此, 应合理调节二者的风速关系或调整洞室的通风方式。在三通区, 局部压力损失使压力沿风流方向逐渐减小, 通道GC段的压力急剧下降, 由于通道内外存在的压强差, 可以加速气流运动, 从而利于通风。
3. 主通道射流通风条件下有害气体浓度场分析
(1) 从图6 (a) 、 (b) 和7 (c) 、 (d) 可以看出:在同样的风速条件下, 两种有害气体的浓度变化趋势相同, 但浓度降低到国家规定的卫生标准的时间不一样, 而且浓度变化的梯度不同, 这是由于两种有毒气体在通道的不同区域的初始浓度不同引起的。
(2) 从图6 (a) 与7 (b) 比较可以看出, vA=25m/s, vB=15m/s时, CO和NO的浓度达到峰值的时间要早于vA=20m/s, vB=10m/s, 这说明射流风机的出口风速对浓度变化的影响很大。
(四) 结论
(1) 在射流风流的诱导作用下, 通道内的风速均匀, 流向稳定。
(2) 在风机出口区域, 压力变化大, 风机增压作用明显;在通道转弯处和三通区域风压损失比较大, 在实际通风过程中, 可根据风流的变化考虑在此处增加风机的数量。
(3) 在巷道式通风条件下, 有毒气体浓度降低的比较快, 通风效率比较高, 适合于复杂轴线地下水工建筑物的快速施工通风。
(4) 实践证明:运用数值模拟的手段对主要施工通风方式进行分析研究具有一定的可靠性, 与现场实测、试验研究相比, 具有投入少, 风险小、得到规律性成果的时间短等优点。因此, 用数值模拟方法可作为现场实测和试验研究的补充, 用这种方法得到的成果可为施工通风方案的拟制提供科学依据。
摘要：文章对巷道式通风进行了数值模拟, 分析了通道内速度场、压力场的分布规律以及不同风速条件下有毒气体浓度的变化情况, 认为巷道式通风是一种效率较高的通风方式。
关键词：巷道式通风,射流风机,数值仿真
参考文献
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[4]许云峰, 高孟理.隧道射流通风流场数值的计算方法[J].兰州交通大学学报, 2003, (4) .
煤矿井下三维巷道建模技术研究 篇5
关键词：巷道,ArcGISEngine,三维巷道,断面,Multipatch
煤矿地理信息系统主要面对两类空间对象, 即掘进巷道和地质体[1]。巷道作为煤矿生产中煤炭运输、通风、工人输送的唯一通道, 是煤矿安全生产工作的核心[2]。因此, 巷道系统是煤矿地理信息系统的重要组成部分, 如何立体、直观、准确地表现并反映煤矿井下巷道及其空间关系, 是煤矿科技工作者的重要研究课题, 也是煤矿安全、高效、合理开发的重要保障[3,4]。
目前, 三维可视化实现的技术很多, 鉴于煤矿井下巷道自身的特点, 不同学者也提出了不同的巷道建模方法。按照建模技术划分, 包括矢量图形结合虚拟现实技术、自主开发三维建模系统 (如OpenGL、Direct3D等) 和基于GIS平台二次开发 (Arcgis Engine、Super Map i Objects等) 。其中矢量图形结合虚拟现实技术, 建立的三维场景效果逼真, 但缺乏地质和空间分析能力;Open GL等全自主开发, 建立的三维场景效果逼真, 但缺乏地质和空间分析能力, 而且开发工作量大、难度高, 不支持管理和决策功能;基于GIS平台二次开发, 只需应用GIS平台组件库中的函数即可实现复杂的三维可视化及空间分析功能, 其中Arcgis Engine最为典型, 它的3D分析模块提供了丰富的三维可视化和分析功能。
在已制作的二维巷道网络数据基础之上, 利用C#、Arcgis Engine实现了煤矿三维巷道建模。
1 数据结构
采用何种数据结构来描述煤矿井下巷道, 应本着描述结构简单、具有拓扑关系、满足一定精度空间、便于处理与分析的原则[5]。多面体 (Multipatch) 结构是Arc GIS三维核心数据结构, 是与点、线、面平行的一种数据结构, 定义为描述三维表面块的元素集合, 包括三角带 (Trangle Strip) 、三角扇 (TrangleFan) 和环 (Ring) , 通过这3种类型几乎可以模拟自然界中所有规则和不规则的三维实体[6]。对于建筑物、道路这种相对规则的模型, 通常直接通过三维点符号的形式;对于巷道、地质体等结构不规则的模型, 需要节点级刻画的三维模型, 而Multipatch多面体数据结构即可进行节点级生成、管理、编辑和分析, 为构建复杂的三维巷道提供了途径。
2 三维巷道建模数据源
建立煤矿井下三维巷道模型需要的数据包括巷道网络和断面数据。巷道网络不仅用于描述煤矿井下巷道的空间位置, 而且可描述不同巷道之间的几何关系和拓扑关系;而断面数据则是三维巷道建模中确定巷道形状的决定因素。
2.1 巷道网络
本文在建立三维巷道模型时主要用到巷道中心线和导线点组成的巷道网络, 其中将巷道中心线抽象成GIS理论中的弧段, 将导线点抽象成弧段的结点 (图1) 。
(1) 巷道结点。巷道的起始点和结束点。煤矿井下每条巷道都布置有导线点, 导线点具有三维坐标[2], 本文中结点三维坐标通过逼近算法从导线点提取, 且全部结点存储于一个点集TUNNELPOINT中, 点集具有pointid属性, 用于记录结点的唯一ID值。巷道点集TUNNELPOINT设计的数据结构部分如下。
(2) 巷道弧段。巷道的起始点和结束点之间的连接弧段。在本文中巷道弧段即是巷道中心线, 用于表示1条完整的巷道, 在二维巷道中心线在采集时, 每段巷道中心线仅由开始点和结束点组成, 不包含其他中间节点。全部巷道弧段存储于一个线集TUNNELLINE中, 线集具有lineid、startid、endid和dmbh属性。巷道弧段集TUNNELLINE设计的数据结构部分如下。
2.2 巷道断面
实际上煤矿井下巷道不是一条简单的抽象线, 而是一个复杂的多面体, 不同用途的巷道, 其断面形状、高度、宽度也不一样, 所以巷道断面数据也是三维巷道建模的一个重要数据源。为了在三维建模时存储获取到的断面属性信息, 本文定义了一个巷道断面数据类型TUNNELPROFILE, 其部分属性定义如下。
煤矿常见的巷道类型包括梯形和拱形, 本文直接从巷道平面设计图 (CAD) 中提取了3种不同用途巷道的断面生成了1个shapefile文件, 其中定义了1个dmbh (断面编号) 字段作为主键。图2为巷道平面设计图中断面设计, 从巷道平面设计图中可以看出不同用途的巷道由于布设的设备不同, 从而巷道的高度、宽度各不相同, 甚至断面形状也不相同。
3 三维巷道建模
实现巷道三维建模是利用Multipatch分别对巷道弧段和巷道接头进行建模, 再对这2部分的三维模型进行纹理贴图处理, 然后叠加显示。
3.1 三维巷道断面获取
在前人的研究成果中, 通常在是利用离散化以及线段逼近的方法来表达巷道断面不规则的部分, 例如拱形断面, 就将拱顶部分离散化, 然后根据精度的需求将拱顶均分为不同个数的线段来逼近。
本文中巷道断面类型是通过巷道弧段的dmbh属性值, 在断面类型shapefile文件中查询相应断面编号的断面类型要素, 然后生成1个Tunnel Profile结构供三维建模使用, 而其中Ring属性是三维建模的关键参数。
3.2 三维巷道弧段建模
首先获取该巷道弧段的断面类型, 将巷道断面的环 (Ring) 移至巷道弧段起始点和终止点, 旋转环使其与巷道弧段中心线垂直, 通过断面类型的“GD-BGDZ” (轨顶标高相对地面偏移量) 字段值确定巷道弧段路径在断面中的位置, 然后拉伸巷道弧段起始点和终止点的环形成多面体即可。此方法是利用巷道弧段的路径和断面创建三维几何体, 体现了IMulti Patch环功能在三维建模时的优势。三维巷道弧段建模的实现效果如图3所示。
3.3 三维巷道接头建模
由于煤矿井下巷道用途不同, 其断面形态、宽度、高度等属性也不相同, 那么在巷道网络形成的过程中, 不同用途的巷道连接, 必然要面对接头拼接问题。如果接头处理不好, 就容易导致接头建出来的模型不平滑或者有缺口或者被堵住, 这样不仅严重影响建模效果, 而且也会导致后续功能不能实现。因此, 巷道接头建模是整个三维巷道建模流程中最重要的一个环节, 也是最具有难度的技术点。
3.3.1 接头类型
由于巷道的空间位置复杂、断面形态多样, 巷道接头的拼接类型主要包括同轴同面、同轴异面、异轴同面和异轴异面。其中同轴同面不存在巷道接头的拼接处理问题。
(1) 同轴异面。2条巷道弧段的中心线在同一水平线且相交, 实质只是由于断面不同而导致的巷道变径问题。
(2) 异轴同面。2条或多条巷道弧段的中心线在同一水平面且相交, 这是煤矿井下最基本的接头类型。包括2条巷道相接的拐角、3条巷道相接的丁字口和4条巷道相接的十字口等, 其中拐角难度最小, 丁字口和十字口需要对顶板、底板部分单独建模以保障建模效果。
(3) 异轴异面。2条或多条巷道弧段的中心线不在同一水平面且相交, 在巷道实际掘进中很少碰到, 但同样存在拐角、丁字口和十字口等多种情况。
3.3.2 建模算法
巷道接头的拼接处理实质是对巷道的圆滑处理、巷道变径以及相交。其中巷道的圆滑处理、巷道变径可描述成单个曲面的伸缩处理, 相交则是不同曲面的拟合拼接问题[7]。所以巷道接头的拼接处理可以用曲线拼接算法来加以描述和实现。在本文所用的三维巷道接头建模算法中, 不同拼接类型所用的建模算法基本一致。因此, 下面关于三维巷道接头建模算法的论述, 以拐角、丁字口和十字口等常见拼接情况进行。
(1) 拐角。拐角是三维巷道建模中最常见的一种情况, 即在同一水平面或不同水平面2条巷道弧段中心线相交。没有处理的巷道拐角不够平滑, 模型会有重叠或缺口, 与现实差距很大。利用2条巷道弧段的交点、夹角, 通过三角函数、向量等方法, 求解2条巷道弧段之间的内切圆弧;依据精度要求用一定个数的线段逼近圆弧, 返回逼近后圆弧的路径;最后按照巷道弧段建模中的方法进行拉升即可形成三维多面体。异轴同面拐角建模效果如图4所示, 异轴异面拐角建模效果如图5所示。
(2) 丁字口。丁字口接头也是较常见的一种巷道接头类型。按照巷道拐角的建模思路, 对于丁字口接头建模, 本文也是按照路径和断面的方法建立三维多面体。丁字口三维建模的具体流程是:按照与第一个巷道弧段的夹角大小排列巷道弧段集合;依次两两巷道弧段组合, 在求得两巷道弧段的内切圆路径后, 起点和终点采用各个巷道截面的半边, 拉升为半边巷道多面体;组合生成的3个半边巷道多面体后 (图6) , 利用中心线对应的顶板和底板线段, 利用三角带构建面, 盖住封闭3个半边巷道多面体即可。异轴同面丁字口建模效果如图7所示, 异轴异面丁字口建模效果如图8所示。
(3) 十字口。十字口接头建模方法和丁字口接头建模完全一致, 也是先构建两两巷道弧段之间的半边巷道多面体 (图9) , 然后构建三维面封闭顶板和底板即可。异轴同面十字口建模效果如图10所示, 异轴异面十字口建模效果如图11所示。
3.4 三维巷道纹理
本文中三维巷道纹理贴图实现的方法, 是在生成完成每一个三维接头模型或三维巷道弧段后就利用Arc GIS Engine中的相关纹理映射接口和方法对其进行纹理化。在Arc GIS Engine中, 提供了IGeneral Multi Patch Info、IGeometry Material List、IGeometry Material、IGeneral Multi Patch Creator等接口用于对三维模型进行纹理映射。如图12所示为创建纹理后的三维巷道内部效果。
在完成三维巷道接头、弧段建模以及纹理贴图后, 就已经完成了三维巷道建模的整个过程。以重庆盐井一矿井下巷道数据为例, 建立的部分三维巷道系统模型如图13所示。
4 结语
利用Arc GIS Multipatch多面体模型、巷道中心线网络数据和断面数据, 通过编写算法实现了煤矿井下三维巷道自动建模, 基本解决了不同断面类型巷道接头拼接的难题, 建立的三维巷道模型基本满足煤矿井下建模的要求。在建立三维巷道模型时, 利用了大量的拓扑关系数据结构, 为后续的飞行漫游、避灾路线计算、应急救援等三维应用和专业应用提供了数据基础、技术支持。
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三维巷道模型 篇6
Active X Automation服务器应用程序是通过自身对象的属性、方法和事件实现其功能。对象是服务器应用程序简单而抽象的代表。用VB对Auto CAD的二次开发就是通过调用Auto CAD的对象体系结构来进行的。Auto CAD Active X Automation技术将Auto CAD的各种功能封装在Auto CAD Active X对象中, 供编程使用。正是通过Visual Basic指令调用Auto CAD Active X对象来实现Auto CAD的三维巷道的绘制[1]。
1 巷道数据
根据井下巷道的实际情况, 可以得到巷道建模的几类有效数据, 即巷道基本信息、巷道轴线信息、巷道断面数据信息等, 将其放入数据库中待建模时调用。模型参数数据可以通过以下两种方式获得: (1) 通过交互界面, 提供直接手工输入轴线坐标和截面参数或利用Auto CAD动态捕捉选取功能; (2) 建立巷道轴线和截面参数的数据库, 实现既有数据的读取和新加入数据的写入。利用SQLServer建库;在程序编制中采用ADO通用接口连接, 方便数据的更新和共享。ADO数据对象实际是一种提供访问各种数据类型的链接机制。ADO设计为一种简单的格式, 通过ODBC的方法同数据库连接, 可以使用任何一种ODBC数据源, 应用广泛。
2 巷道轴线及截面的绘制
巷道模型设计主要包括两个方面, 一个是巷道截面设计, 另一个是巷道轴线设计。
巷道截面信息主要用来描述巷道的剖面, 煤矿隧道中常用的截面形式有直墙半圆拱形, 直墙圆弧拱形, 矩形和圆形等[4]。由于需要快速建模, 只考虑直墙半圆拱形截面形式。对于巷道截面只要秒速宽和高两个外形参数, 圆弧半径R=W/2, 直墙壁高h=H-W/2。就可以确定出截面。
巷道轴线信息是记录巷道形状和位置的关键信息, 直接决定了巷道空间分布情况。巷道的轴线主要有直线和圆弧两种形式。根据轴线类型的不同, 若为直线则根据起始点和终止点确定一条空间直线, 若为圆弧则根据起点坐标、终点坐标、圆心坐标和圆心角确定一条空间圆弧。每条巷道可能包含多条巷道段, 因此必须记录下每条巷道轴线信息, 包括编号, 起点坐标, 轴线类型, 圆心坐标等参数。储存类型如下:
遍历数据库, 读出巷道轴线的信息, 用以下方法, 构建出整个巷道的轴线[3]。
Set pline Obj=acadapp.Active Document.Model Space.Add Polyline (points) 'points是从数据库读出的节点。
3 三维模型的建立
巷道自身结构比较规则, 建模方法也比较成熟, 一般用构造实体几何方法来构造三维模型。所谓构造实体几何方法即体素构造表示法, 简称 (CSG) 。体素是指一些简单的基本几何体在计算机内的表示, 如方体、圆柱、圆锥等。CSG是一个复杂的物体, 可由这些简单的基本几何体经过布尔运算而得到。这些基本物体及相应的布尔运算可描述为一棵二叉树。树的终端节点为基本几何体, 中间节点为正则集合运算节点。所谓正则集合运算指两物体经过交、并、差运算后的结果为一新的物体, 而不会出现孤立点、悬线或悬面[4]。
巷道建模步骤如下:首先根据轴线类型是直线还是圆弧, 获得轴线起点、终点三维坐标, 从而建立三维轴线段, 确定起始向量和终止向量[5]。其次通过截面参数数据描述巷道剖面, 得到剖面图形。然后旋转截面图形, 使其法线向量于轴线垂直。最后, 沿轴线拉伸截面图形, 获得三维实体模型, 再进行布尔减法操作即可得到一个有厚度的三维管道模型, 如图1。
在Auto CAD中的, 拉伸实体用的是以下方法[7]:
Set objsolid=acadapp.Active Document.Model Space.Add Extruded Solid Along Path (objregion, line Obj) 'objregion是截面面域, line Obj是轴线路径
4 巷道优化分析
在矿井下, 实际的巷道往往错中复杂, 空间结构十分繁琐。创建出来的三维巷道往往都有瑕疵, 例如, 连接处不光滑或实体交叉干涉, 使得视觉效果很不理想。为了使巷道连接处无缝隙, 拐角处光滑, 提高其可视性, 则必须对巷道进行优化[5]。
优化思想是, 使用放样方法来建立巷道实体。优化步骤:
(1) 假设巷道截面底部向量为a, 轴线向量为b, a、b都为空间向量, 则需要在XY平面内建立巷道截面轮廓线模型, 根据节点类型, 若为起始节点, 旋转向量a, 使其与向量b正交;若为中间节点则需要计算上一轴线向量与下一轴线向量的角平分线向量, 并旋转与之正交。
(2) 在空间, 向量的关系存在各种情况, 轴线向量可能是向量b (x1, y1, z1) , 也可能是向量c (x2, y2, z2) , z1>0, z2<0。要使巷道截面旋转至与轴线向量垂直, 就必须考虑各种情况两个向量之间的夹角。设向量a (x0, y0, z0) , 则向量a与向量b的夹角α的余弦等于向量的数量积除以向量的模积, 即:
然后根据z是否大于0, 判断是顺时针旋转还是逆时针旋转, 若z>0, 则旋转角度
β=π/2-α, 即把向量a顺时针旋转β度与向量b正交;若z<0, 则旋转角度
β=α-π/2, 即把向量a逆时针旋转β度与向量c正交。
(3) 将截面旋转平移至计算出的正确位置后通过放样函数loftedsolid (region, lines, path, option) 来完成整个巷道的建模过程, 实现巷道交叉的融合。
5 工程应用
采取上述办法, 将工程应用到淮南市谢桥矿, 起到了良好的效果。工作人员通过对三维巷道的观察与研究, 提高了工作效率。图2是建模过后的谢桥矿井下巷道全图。
结束语:本研究以Auto CAD为图形处理平台, 采用VB开发程序的方法使巷道的二维和三维设计在CAD系统里得到充分的结合。三维巷道的创建极大的提高了数据可视化程度, 对加强煤矿安全生产, 提高工作效率有着重要的意义。本研究成果不仅对巷道设计具有普遍意义, 而且还是对Auto CAD二次开发技术作了有益的补充。
摘要：autocad是世界上最流行的绘图软件, 但是不能满足具有专业要求的图形, 结合AutoCAD的ActiveX Automation技术, 应用Visual Basic对AutoCAD进行二次开发, 阐述了怎样设计、创建井下三维巷道, 使煤矿设计新巷道的效率得以提高。
关键词：autocad,二次开发,三维巷道
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三维巷道模型 篇7
淮南顾北矿七二石门担负着矿井东部的材料、人员的运输任务,是矿井的主要运输大巷,巷道宽5m,高3.4m,平均埋深690m,煤层倾角3°～8°,煤层平均厚度10.3m,围岩的单轴抗压强度普遍在10～25MPa,属于典型的软岩巷道。该巷道原设计支护形式为砌碹,后经过加槽钢拱架并喷浆加固整修,但整修效果不明显,受周围工作面采动压力影响,巷道变形收缩更加严重,巷道收缩率达25%～31%,巷道两帮移近量达1.3m,拱底移近量达1.7m,巷道多处底鼓、炸皮、片帮甚至冒顶,严重影响了该段巷道的正常使用,并且存在重大的安全隐患。因而,必须设计出一套合理的支护方案对软岩失稳巷道进行综合治理,使之具有一定的安全系数,才能从根本上解决软岩巷道支护这一难题。
2 三维钢筋网架对软岩巷道的支护机理
深井高地压软岩巷道支护完成后,其变形大体上可以分为3个阶段:微小变形阶段、均匀变形阶段和快速变形阶段。为了解决软岩巷道支护这一难题,就必须充分了解3个阶段的变形特性和机理,对不同的变形阶段进行不同的支护设计。微小变形阶段,巷道刚开挖围岩表面来压巨大,需要使用控制卸压技术释放一部分塑性变性能;均匀变形阶段,随着开挖时间的延长,裂隙逐渐向深部围岩拓展,为了提高围岩的自承载能力,需要对围岩进行注浆或打入锚杆进行加固;进入快速变形阶段后,围岩基本上完成了应力重分布,大部分应力转移到深部岩石中,而表面岩石已相当破碎,完全丧失承载能力,这时支护结构不仅要支撑表层的松散围岩,同时还要提供足够的支护强度,不再允许围岩有大的变形。而网壳喷锚支护技术对这3个变形阶段有非常好的适应性。
网壳锚喷结构是由普通锚杆、钢筋网架和喷层混凝土等组成,如图1所示。通过锚杆、锚索、钢筋网架与喷成混凝土共同构成初期支护系统,锚杆、锚索起到加固深部围岩的作用,喷层混凝土则起到填补围岩裂隙、覆盖围岩表面、抵抗围岩压力、均匀分配围岩压力的作用。初期支护系统具有柔性支护的特点,不仅能承受一定的围岩压力防止围岩过大变形,同时能释放软岩巷道内部巨大的变性能,同围岩一同变形而不破裂,完全满足微小变形阶段和均匀变形阶段的支护要求。初期支护施工完成后对围岩变形进行连续检测,待围岩变形趋于稳定,围岩压力释放到一定程度,适时进行复喷混凝土,加强支护结构的整体刚度,不允许围岩再有大的变形,复喷混凝土对软岩巷道快速变性阶段的治理非常有效。由于三维网架内部是由直杆焊接而成的空间桁架结构,喷射混凝土覆盖以后,改善了钢筋和混凝土的受力状况,充分发挥了钢筋的抗拉性能和混凝土的抗压性能,为支护结构提供足够的支承力和稳定性。
3 软岩巷道治理技术
由于七二石门围岩条件较差,为了提高围岩自稳能力,充分发挥围岩的自身承载能力,采用三维钢筋网架衬砌支护结构较为合适,不仅具有让压能力允许围岩出现一定程度的变形,又能及时限制围岩过大变形避免支护失效。
3.1 支护方案选择
根据七二石门的破坏情况和围岩变形特征,设计出在地面上加工和在矿下安装都很方便的三维立体钢筋网架衬砌支护结构。每副三维钢筋网架按巷道断面尺寸和施工技术要求分为7片,由1片顶三维网架和4片侧三维网架及2片底三维网架拼装而成,如图2所示。每片钢筋网架由2根直径25mm的主弧筋、6根直径16mm的次弧筋、若干直径10mm桥架及连接筋在地面胎具上焊接而成,每片钢筋网架的两端各焊接一块钢板,每块钢板在相同的位置钻设4个螺栓孔,在现场安装时在两快钢板之间垫一块50mm左右厚度的木垫块,增加三维钢筋网架整体的柔性性能,最后用螺栓紧固相邻的两片钢筋网架。
3.2 三维网架安装工艺
三维钢筋网架应先在地面上按照设计尺寸加工完成成型,然后在施工现场按如下步骤安装:巷道刷帮至设计断面后,首先将顶三维钢筋网架构件用1～3根锚杆固定于巷道上部裸露的围岩上,紧接着安设两侧的三维钢筋网架,然后用螺栓分别把顶钢筋三维钢筋网架和侧三维钢筋网架对接,并在钢板中插入木垫板,最后安设两片底三维钢筋网架,再用螺栓分别与侧三维钢筋网架对接,直到将所有三维钢筋网架组装、固定完成为止。最后用锚杆把成型的三维钢筋网架同巷道围岩锚固起来,锚杆不仅能稳固三维钢筋网架加固围岩,同时对巷道的底鼓也起到一定的缓解作用。
3.3 喷射混凝土施工工艺
三维钢筋网架的抗压能力很柔,必须同混凝土一起形成钢筋混凝土壳状结构才能形成有效支护。当三维钢筋网架架设一定长度后,即可用喷射混凝土充填三维钢筋网架于围岩之间的空隙并覆盖钢筋网架,形成高强度的的三维钢筋混凝土壳状结构。喷射混凝土强度采用C40,水:水泥:中细沙:碎石的配合比为0.40:1.05:1.18:1.89。其中粗沙和瓜子片不能含有泥沙,一定要在地面提前洗净。碹板拼接要紧凑、密实,以保证碹体壁面光滑平整。混凝土浇筑后强度达到5MPa,方可拆模。拆模后的混凝土要安排专人1h洒水养护一次,连续养护28d以上。
4 现场检测分析
为了检验三维钢筋网架支护结构在该软岩失稳巷道的支护效果,对该矿巷道围岩收敛量和衬砌钢筋应力应变进行了为期两个多月的现场监测。
4.1 顶底板及两帮收敛量测
由量测所得的巷道围岩收敛曲线如图3所示。由收敛曲线图可知,前10d巷道的收敛变形较大,都在10mm左右,这是由于支护支护初期,围岩应力重新分布,来压剧烈;在一个月后,变化量已经趋于平稳,应力分布基本均匀;50d以后巷道的收敛量都在3mm左右,围岩的变形已经趋于稳定。
4.2 三维钢筋网架衬砌应力应变量测
在三维钢筋网架衬砌里面竖向埋设两幅钢筋计,进行跟踪监测,监测到钢筋受地压作用后的应变随时间变化情况如图4所示。从图4可以看出,在支架结构刚安装的前15d左右的时间里变形较为明显,到40d左右的时候变形基本平稳,以后三维钢筋网架衬砌支护结构与围岩相互作用趋于稳定。
综上所述,通过三维钢筋网架衬砌在顾北矿七二石门巷道中的成功应用,巷道修复后无明显变形,衬砌也未出现开裂破坏现象,全部处于完好状态,成功地解决了软岩失稳巷道围岩难以支护的难题,达到了较好的支护效果。
5 结语
用三维钢筋网架代替二维钢筋架作为衬砌的骨架进行软岩巷道的支护具有如下优点。①三维网架力学性能优良,加喷层混凝土后,有效改善了钢筋和混凝土的受力性能,支撑能力大幅度提高,对软岩破碎巷道可实现一次支护成功。②半刚性全封闭复合衬砌变被动支护为主动支护,不仅具有较大的支护阻力,而且具有良好的可缩性,是一种“先柔后刚”的二次支护形式,适合软岩巷道的支护特点。③使用地面专用模具实现了网架结构成批加工制作,井下安装工艺简单,钢筋网壳锚喷支护实现了支架轻型化,支护结构立体、连续化,大大降低了工人劳动强度。④钢筋网壳支架一般矿山可以自制,同时用钢量较少、返修率较低,综合成本仅相当于U型支架费用的70%左右,具有可观的经济效益。
三维钢筋网架支护结构在顾北矿七二石门巷道中成功应用,为软岩巷道支护开辟了一条新路,提供了一种结构新颖、性能优良、高支撑力、低成本的支护形式,为相似条件下失稳巷道的支护开辟了新途径,取得很好的经济效益和社会效益。
摘要：网壳结构是以杆件为基础,按照一定的规律组成的空间杆系结构。该结构刚度大,重量轻,可以跨越较大的跨度。将地面网壳结构的这种优良力学性能引入地下工程中,通过理论分析、支护方案设计、现场应用与监测、整体效果评价,最终得出该技术在软弱破碎巷道支护中技术可行、经济合理。
