地下工程安全的智能控制及三維仿真模擬系統(tǒng)研究

城市地下工程建設中的土工公害日益突出。在維護工程自身安全的同時必需兼顧周近環(huán)境的安全，加強機構與土體變形、穩(wěn)定的預測和控制，已成為當前關注的熱點。本項研究旨在采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡作智能控制，將預測結果用科學計算可視化技術研制三維仿真模擬系統(tǒng)專用軟件。經(jīng)與監(jiān)測值比照并反饋修正后，研究成果將應用于指導深大復雜基坑施工的全過程. 2100433B

某礦地表工業(yè)廣場鳥瞰圖：

全礦三維通風系統(tǒng)模型（含地表模型）

井下人員和設備布置：

火災煙霧擴散路徑分析

全礦井風阻分布：

壓能圖：

主要能耗損失及占總通風成本比例：

系統(tǒng)主要功能：

系統(tǒng)標準功能

★ 包含真三維可視化圖形平臺，可進行真三維通風立體圖制作，完全兼容AutoCAD基礎圖形數(shù)據(jù)；

★ 新建礦山通風網(wǎng)絡系統(tǒng)設計、解算和礦井風流動態(tài)模擬；

★ 生產(chǎn)礦山通風網(wǎng)絡解算，通風現(xiàn)狀分析，通風系統(tǒng)調(diào)整方案設計、分析，通風系統(tǒng)風流動態(tài)模擬；

★ 任意風路固定風量、固定風壓、礦井風量按需分配解算及動態(tài)模擬；

★ 動態(tài)解算和模擬巷道貫通、新掘或廢棄巷道分支后通風系統(tǒng)的風流分配；

★ 自動根據(jù)風量要求反算調(diào)節(jié)風阻和調(diào)節(jié)風窗面積，動態(tài)模擬風門、風窗、密閉等通風構筑物設置和風量調(diào)節(jié)效果;

★ 計算并動態(tài)模擬井巷斷面或長度變化后通風系統(tǒng)的變化；

★ 輔助進行短期和長期通風系統(tǒng)規(guī)劃；

★ 自帶主流風機數(shù)據(jù)庫，可在風網(wǎng)優(yōu)化設計的基礎上自動進行風機選型，并進行風機運行工況點分析；

★ 支持對主輔扇、局扇建模和多級機站聯(lián)合運轉分析；

★ 可進行風機調(diào)速、反風計算和動態(tài)模擬；

★ 主要巷道經(jīng)濟斷面選型、風網(wǎng)通風經(jīng)濟性評價；

★ 動態(tài)模擬井下煙霧、粉塵、有害氣體擴散路徑和濃度，輔助進行災害預案制定和緊急情況處理；

系統(tǒng)高級功能

★ 可進行礦井自然風壓分析；

★ 支持礦井空氣可壓縮分析，在礦井空氣可壓縮性分析的基礎上基于風流質(zhì)量流量進行通風網(wǎng)絡解算，在考慮空氣密度變化的基礎上，系統(tǒng)可自動調(diào)整風機特性曲線；

★ 可對通風系統(tǒng)進行全局優(yōu)化，推薦優(yōu)化模式下的關鍵巷道斷面尺寸，支持對高損耗風路設計多種斷面尺寸并對相應的通風成本和通風能力進行曲線分析；

★ 井下風溫、巖溫、空氣濕度計算，可對井下熱源、冷源和濕源進行建模，可在三維可視化環(huán)境中實現(xiàn)對礦井加熱/降溫效果進行定量分析；

★ 礦井通風網(wǎng)絡串聯(lián)通風和污風循環(huán)自動檢測；

★ 基于“非穩(wěn)態(tài)算法”對井下火災及火災對通風系統(tǒng)產(chǎn)生的影響進行定量分析，可對爆破除煙和瓦斯突出進行動態(tài)擴散模擬分析；

★ 系統(tǒng)可進行定制開發(fā)，平臺具備與安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)實時參數(shù)（如：CH4、CO、煙霧、風壓等）進行整合的數(shù)據(jù)接口；

★ 系統(tǒng)可根據(jù)礦山測風數(shù)據(jù)，非常方便的對通風網(wǎng)絡系統(tǒng)進行更新和調(diào)整。

全礦三維通風系統(tǒng)模型（含地表模型）井下人員和設備布置：火災煙霧擴散路徑分析全礦井風阻分布：壓能圖：主要能耗損失及占總通風成本比例：

從當前我國的煤礦安全事故統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，但凡能造成重特大事故發(fā)生的，一般都與通風系統(tǒng)有關，或者是通風系統(tǒng)不合理，或者是通風系統(tǒng)本身就沒有完整地形成，導致包括瓦斯爆炸、煤塵爆炸等重特大事故。另外，由于礦井建設和生產(chǎn)在不斷的變化如巷道在不斷地開拓延伸，工作面生產(chǎn)在不斷地推進,某一時間段的合理的通風系統(tǒng)，但過了一段時間就有可能不合理，如：有些巷道或工作區(qū)域的風速過大，有些巷道風量很小，造成瓦斯等有害氣體積聚，給礦井安全留下嚴重的隱患，因此，整個礦井的通風系統(tǒng)也是一個動態(tài)的變化過程。

構建合理的礦井通風系統(tǒng)，就是利用通風動力，以最經(jīng)濟的方式，向井下各用風地點提供足量的新鮮空氣，提供適宜的溫度、濕度，保持良好的氣候條件，以保證井下作業(yè)人員的生命安全和改善勞動環(huán)境的需要，采取符合實際的礦井通風方式、礦井通風方法和礦井通風網(wǎng)絡；并且要求在發(fā)生災害時，能及時而有效地控制風向及風量，并配合其它措施，將事故控制在一定范圍內(nèi)，防止災害的進一步擴大。因此，一套合理的通風系統(tǒng)對于保證煤礦安全生產(chǎn)極為重要。

為實現(xiàn)以上目的，必須借助于現(xiàn)代化的信息管理技術，以計算機作為輔助手段，來對礦井通風系統(tǒng)進行管理。使用計算機圖形技術建立礦井真三維通風網(wǎng)絡模型，對巷道的斷面、風阻以及通風構筑物等參數(shù)進行賦值，實現(xiàn)通風系統(tǒng)的數(shù)字化和三維可視化，然后通過成熟的算法對通風網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行處理、解算，對通風過程進行動態(tài)模擬，從而為礦山管理人員和技術人員提供必要的數(shù)據(jù)支持，以輔助通風和生產(chǎn)決策。

礦井三維通風動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)是當前通風領域世界領先的軟件系統(tǒng)。通過三維建模，系統(tǒng)將復雜的通風參數(shù)和通風過程以三維動態(tài)圖形的方式簡單、直觀的展現(xiàn)出來，通風技術人員可從任意角度觀察和調(diào)整通風系統(tǒng)，實現(xiàn)巷道風量分配的實時解算和分析，幫助提高礦井通風決策人員的科學決策水平。該系統(tǒng)建成后可作為礦山通風輔助決策分析平臺，可廣泛應用于：礦井通風系統(tǒng)管理與優(yōu)化，通風系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)三維可視化展現(xiàn)與預警(如：風速過大、微風、污風循環(huán)),通風系統(tǒng)調(diào)整方案制定及預先仿真模擬（如：預測巷道貫通、延伸、密閉、工作面搬遷或者風機葉片角調(diào)整后通風系統(tǒng)通風能力和穩(wěn)定性），應急預案制定及避災線路動態(tài)分析，風機工況點分析，自然風壓分析，井下巖溫、風溫及火災條件下非穩(wěn)態(tài)通風系統(tǒng)模擬分析，反風演習模擬與分析、通風系統(tǒng)經(jīng)濟性分析以及以三維通風仿真為基礎的通風管理決策支持等領域，幫助煤礦實現(xiàn)實時、動態(tài)、合理和科學的通風管理，為實現(xiàn)礦井通風系統(tǒng)實時聯(lián)網(wǎng)管理打下基礎。

系統(tǒng)主要功能：

系統(tǒng)標準功能

★包含真三維可視化圖形平臺，可進行真三維通風立體圖制作，完全兼容AutoCAD基礎圖形數(shù)據(jù)；

★新建礦山通風網(wǎng)絡系統(tǒng)設計、解算和礦井風流動態(tài)模擬；

★生產(chǎn)礦山通風網(wǎng)絡解算，通風現(xiàn)狀分析，通風系統(tǒng)調(diào)整方案設計、分析，通風系統(tǒng)風流動態(tài)模擬；

★任意風路固定風量、固定風壓、礦井風量按需分配解算及動態(tài)模擬；

★動態(tài)解算和模擬巷道貫通、新掘或廢棄巷道分支后通風系統(tǒng)的風流分配；

★自動根據(jù)風量要求反算調(diào)節(jié)風阻和調(diào)節(jié)風窗面積，動態(tài)模擬風門、風窗、密閉等通風構筑物設置和風量調(diào)節(jié)效果;

★計算并動態(tài)模擬井巷斷面或長度變化后通風系統(tǒng)的變化；

★輔助進行短期和長期通風系統(tǒng)規(guī)劃；

★自帶主流風機數(shù)據(jù)庫，可在風網(wǎng)優(yōu)化設計的基礎上自動進行風機選型，并進行風機運行工況點分析；

★支持對主輔扇、局扇建模和多級機站聯(lián)合運轉分析；

★可進行風機調(diào)速、反風計算和動態(tài)模擬；

★主要巷道經(jīng)濟斷面選型、風網(wǎng)通風經(jīng)濟性評價；

★動態(tài)模擬井下煙霧、粉塵、有害氣體擴散路徑和濃度，輔助進行災害預案制定和緊急情況處理；

系統(tǒng)高級功能

★可進行礦井自然風壓分析；

★支持礦井空氣可壓縮分析，在礦井空氣可壓縮性分析的基礎上基于風流質(zhì)量流量進行通風網(wǎng)絡解算，在考慮空氣密度變化的基礎上，系統(tǒng)可自動調(diào)整風機特性曲線；

★可對通風系統(tǒng)進行全局優(yōu)化，推薦優(yōu)化模式下的關鍵巷道斷面尺寸，支持對高損耗風路設計多種斷面尺寸并對相應的通風成本和通風能力進行曲線分析；

★井下風溫、巖溫、空氣濕度計算，可對井下熱源、冷源和濕源進行建模，可在三維可視化環(huán)境中實現(xiàn)對礦井加熱/降溫效果進行定量分析；

★礦井通風網(wǎng)絡串聯(lián)通風和污風循環(huán)自動檢測；

★基于“非穩(wěn)態(tài)算法”對井下火災及火災對通風系統(tǒng)產(chǎn)生的影響進行定量分析，可對爆破除煙和瓦斯突出進行動態(tài)擴散模擬分析；

★系統(tǒng)可進行定制開發(fā)，平臺具備與安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)實時參數(shù)（如：CH4、CO、煙霧、風壓等）進行整合的數(shù)據(jù)接口；

★系統(tǒng)可根據(jù)礦山測風數(shù)據(jù)，非常方便的對通風網(wǎng)絡系統(tǒng)進行更新和調(diào)整。

本書提出一套針對地下工程基礎設施的精細數(shù)字化表達方法，并且設計出適用于具有連接關系的地下建筑組群的拓撲數(shù)據(jù)結構，可以實現(xiàn)建筑內(nèi)外的無縫連接。本書以三維激光點云數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，在逆向重建中可以解決直接采用點云進行構網(wǎng)情況下模型不完整及速度較慢的問題，并且在拓撲結構上突破傳統(tǒng)地下建筑群中單一的管孔與管線的點線連接關系以及管線之間的線線連接關系，添加管孔與墻壁的點面關系以及管線與墻壁的線面關系，在模型描述上更為準確。