在采矿工程中如何应用可视化技术

摘　要：采矿工程是一个复杂的系统工程,在研究和分析采矿工程技术过程中还存在诸多问题,主要是针对煤矿井下的掘进、提升、排水、动力供应等系统的理解不清,对煤层开采引起的岩层扰动及变形破坏过程没有直观的认识和深层次的理解。随着近年来计算机可视化技术的迅速发展,计算机可视化技术和采矿问题研究的有机结合使采矿工程中的应用也越来越广泛,其应用深度和广度也日益增加。

关键词：采矿工程;可视化技术;数值模拟;

1 工程概况

采矿工程是一个复杂的系统工程,需要借助计算机技术对其进行优化设计及科学管理,随着近年来计算机多媒体技术的迅速发展,计算机在采矿工程中的应用也越来越广泛,其应用深度和广度也日益增加。计算机多媒体技术的发展为采矿工程技术人员实现由过去较为枯燥的研究过程到现代可视化的分析研究过程的改变,提供了基础和保障。

煤矿井下地质条件复杂,巷道系统空间交错,确定起来本身就有一定难度,对于工程实践经验不足的工程技术人员来说更加困难。为了使采矿技术人员能够更好地理解煤矿井下巷道系统的空间布局,可利用计算机辅助设计(CAD)的可视化技术绘制三维矿井模型。

井下巷道及采场的受力状况和围岩的变形破坏过程难以用理论方法计算,并且物理实验的方法也难以再现其过程,可以使用计算机数值模拟的方法描述这些复杂的力学模型的应力分布,真实的再现矿山压力显现的过程,达到可视化的目的。因此,在采矿工程技术人员研究的过程中,应加强计算机可视化技术方面的应用。

2 CAD的可视化技术在研究中的应用

2. 1　采矿专业研究中存在的问题

煤矿井工开采的重要特点是地下作业,生产环节多、工序复杂。井下生产系统包括掘进、提升、通风、排水、动力供应等系统,井下生产系统的巷道空间交错复杂。

工程技术人员在研究采矿问题的过程中都不同程度的存在一些问题,遇到的最主要的困难是对煤矿井下生产系统的巷道空间位置关系不能完全准确的理解。目前使用的资料基本上都是采矿工程平面图或采矿工程剖面图,现有资料上很少有三维立体矿井巷道系统模型供研究过程中参考使用,研究人员只能凭想象来领悟巷道三维位置情况;或者到井下现场参观。到井下现场也只能见到巷道表面现象,而对于三维巷道的空间位置,并不清楚。这些办法都不能有效的解决对三维立体矿井巷道直观、正确的理解。

2. 2　CAD的可视化技术简介

科学计算可视化(Visualization )是20世纪80年代后期提出并发展起来的,它是20世纪90年代计算机新技术的热点。进入20世纪90年代,国外以三维矿床模型为代表的矿用软件发展较快,涉及到地质资料处理、矿床建模、开采辅助设计等各个方面。目前CAD技术已经向三维实体、可视化和集成化发展,但对于矿业而言,还有相当长的路要走。

AutoCAD是美国Autodesk公司研制开发的计算机辅助绘图软件,是目前国内使用最多的CAD软件。可以使用软件的三维建模技术绘制三维立体矿井巷道布置系统模型,达到可视化的目的,可以有效地解决采矿研究过程中遇到的一些问题。

2. 3　使用CAD的可视化技术创建研究模型

采矿工程技术人员在分析现场问题过程中,要经常确定各个巷道之间的关系,从而才能进一步的分析各个巷道之间的矿山压力的影响。多数工程技术人员在分析过程中,面对的是采掘工程平面图,靠想象来确定其之间的空间位置关系。这种方法费时、费力,效率低。在分析研究采矿问题的过程中应要求首先学会三维知识,让研究人员先把研究涉及巷道的三维空间关系绘制出来。这样,工程技术人员在分析研究问题过程中,面对三维图分析,会得到高效分析的效果。应鼓励技术人员应用AutoCAD软件的三维建模技术绘制三维立体矿井系统模型,把其所研究矿井的三维模型绘制出来。

1) 可以在绘制三维模型的过程中,更加深刻地了解矿井的三维空间结构,可能对所研究的问题有创新的想法。

2) 能够使初涉采矿的工程技术人员,建立起三维矿山系统的概念。

3) 当一个采矿项目结题后,要向领导汇报,当汇报人员将平面图转换为三维矿井立体模型,结合这些模型汇报,会达到高效的效果。

3　数值模拟的可视化研究分析方法

3. 1　采矿专业研究中存在的问题

1) 课程可视化的意义。矿山压力与岩层控制问题涉及的一般为动态三维空间问题,工程技术人员很难建立动态三维空间的概念,对达到高效分析和研究目的相差较远。即使工程技术人员到矿井现场实习,看到的仅仅是静态的局部现象, 如巷道的支护物破坏或失效、巷道的明显变形、采场顶板的冒顶、煤壁的片帮等,而对产生矿压显现现象的矿山压力及变形破坏过程没有直观的认识。采场或巷道周围的应力是看不见的,只能从理论推导的公式和教材上的图线去想像,对理解矿压理论及培养解决实际问题的能力形成了障碍。通过观测得到矿山开采过程中围岩内任何一点的力,实际是非常困难的。针对上述问题,数值计算方法拥有得天独厚的优势。因而数值计算方法的发展引起采矿界的重视,并逐步引入作为计算矿山压力的方法,在矿山压力及其控制中发挥越来越重要的作用。

3. 2　数值模拟程序简介

采场上覆岩层运动是一个非常复杂的动态发展过程,要明确上覆岩层运动范围就必须从顶板变形破坏过程着手。RFPA2D是一个能模拟岩石裂纹萌生,扩展直至断裂全过程的数值分析软件,基于连续介质力学和损伤介质力学原理,具有应力分析和破坏分析两方面的功能。RFPA2D系统能对采动影响下岩体破裂与岩层移动过程进行较为系统的数值试验研究。

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