摘要：随着虚拟仿真技术的发展，虚拟仿真技术开始出现在有关煤矿施工建设工程中。文章主要论述了虚拟仿真在煤矿立井施工中的作用和优势；接着以煤矿立井施工技术虚拟仿真资源在煤矿上的应用为例，诠释了虚拟仿真在矿建工程中应用的必要性。
关键词：虚拟仿真; 矿建工程; 立井;
Application of Virtual Simulation in Mine Shaft Construction
JI Wen-xuan
School of Architecture & Civil Engineering,Xi'an University of Science and Technology
Abstract：With the development of virtual simulation technology, virtual simulation technology began to appear in related coal mine construction projects. The article mainly discusses the role and advantages of virtual simulation in coal mine shaft construction. Then, taking the application of virtual simulation resources of coal mine shaft construction technology in coal mine as an example, it explains the necessity of virtual simulation in mining construction engineering.
0 引言
煤炭工业作为我国国民经济重要的基础工业,也是重要的工业部门原料和能源的来源。在接下来很长的的一段时间内,煤炭依然会作为我国能源结构中最为核心的一部分,煤炭产量的增长率决定国民经济能否更好地的发展。而煤炭生产工业的发展,又取决于煤炭基础工业建设以及开拓延深工作是否能够及时地并持续不断地提供煤炭生产的场地。为了将煤安全地从地下采出,要从地表开始,开凿一系列的井筒、硐室及巷道到达煤层。
立井是地下矿山、山岭隧道、水利水电、城市地下工程以及军事国防工程等的常见工程。随着我国矿产资源的开发、交通、水利事业的快速发展,立井的开凿也将日益增多。立井在煤矿建设中被广泛应用,其特点是深度大、断面面积大、水文地质条件复杂、施工难度大、工期长,投资高。因此,为加快凿井速度、缩短凿井工期,必须采用先进的施工技术,提高施工机械化水平。
虚拟仿真技术是通过计算机技术、人机交互技术、传感技术、人工智能等技术,用虚拟的系统模仿现实的技术[1]。它是由计算机的硬件、软件以及各类传感器构成的含有三维信息的人工环境———虚拟环境,从而模拟现实世界出现的事物和环境。虚拟仿真技术最早被应用于地质、建筑、航空、制造以及游戏等领域[2,3,4],随着计算机技术的不断发展,虚拟仿真技术已经实际应用与我国的煤炭行业中,主要包括:综采工作面虚拟仿真研究;矿山生产系统的展示设计;矿井火灾及瓦斯爆炸的仿真模拟研究;矿山爆破工艺上的应用等[5,6]。与此同时,虚拟仿真技术也开始应用于高校实验教学[7],并逐渐推广开来。
1 虚拟仿真技术在立井施工中的作用
伴随着多媒体、网络通信以及虚拟现实技术等信息科技迅速发展,一种更高级的,结合虚拟现实与仿真的技术———虚拟仿真技术应运而生。虚拟仿真技术是构建统一完整的虚拟环境的典型技术,它通过虚拟环境集成和控制了大量的实体。实体可以是模拟器或其他仿真系统,同时可以用简单的数学模型来表示。实体与虚拟环境相互作用,用以表达客观真实世界的特征。这种集成、虚拟化以及网络化的特点较好的满足了现代虚拟仿真技术的发展方向。
将三维动态虚拟仿真技术、人机交互技术运用到实验教学,可以更加全面的体现理论知识,使工作人员在计算机上即可完成施工现场所涉及到的有关操作要求以及环境、安全等问题的学习,有效的节约了培训成本。
充分发挥网络、虚拟现实等信息技术手段在施工中的作用,通过施工模拟使人员全面系统的理解和掌握立井设备的选型、安装工艺流程,立井表土段、基岩段施工过程、工艺流程及关键施工工序,了解各施工设备、工序之间的相互关系,在进一步理解施工相关工艺流程关的同时,培养分析解决和创新思维的能力。
2 煤矿立井施工技术虚拟仿真资源的应用
在完成相关理论知识的学习之后,可申请进入项目资源的“学习模式”进行自主学习,然后通过“考核模式”完成实验操作并回答相关问题。实验管理平台可自动将每个人的操作成绩与答题提交至管理账户,经过系统评定并生成报告。
2.1 立井表土段施工技术实验
(1)根据给定的井筒直径、深度等参数完成立井凿井等设备的选型,掌握立井凿井井架、天云平台、挖掘机械、装矸机械及吊盘等主要施工设备的选型方法;(2)依照设备安装工艺流程,通过三维虚拟仿真动态模拟,完成井架、天轮平台、吊盘等施工设备的安装,掌握各设备的布置方式及对应关系;(3)以表土段短段掘砌段高2m为例,通过三维虚拟仿真动态模拟立井表土段施工工艺过程,熟识立井表土段掘砌机械设备的配套特点和施工工艺流程,掌握井筒开挖→井筒临时支护→外层井壁钢筋混凝土施工等主要施工工序技术特点;(4)表土段施工至一定深度后,安装吊盘;(5)表土段外层井壁施工结束后,一次性完成内层井壁浇筑施工。
2.2 立井基岩段施工技术实验
(1)熟识立井基岩段掘砌机械设备的配套特点,掌握伞形钻架、回转式抓岩机的选型、工作状态和原理。(2)以基岩段短段掘砌段高4m为例,通过虚拟仿真动态模拟施工工艺流程的分部操作,重点掌握基岩爆破施工艺流程及施工工艺技术要点,包括打眼→装药→连线→起爆及应注意的安全防护措施。(3)掌握基岩段短段掘砌施工打眼爆破→排矸→打灰→清底四大循环工序之间的关系,分析影响掘砌施工速度的因素和应采取的措施,提出缩短施工工期的改进建议。(4)外层井壁浇筑钢筋混凝土施工。(5)内层井壁浇筑钢筋混凝土施工。
2.3 虚拟仿真实验考核
在进行虚拟仿真实验的考核时,分两部分成绩:虚拟仿真实验操作(60%),回答相关问题(40%)。平台综合两部分成绩,自动生成实验报告,然后按比例给出实验成绩。(见图1和图2)
图1 表土段施工实验报告
图2 基岩段施工实验报告
3 成效
3.1 加工作人员的实际操作能力
煤矿立井建设是煤矿建设的主体工程之一,其投资动辄几千万甚至上亿元资金,施工周期长(2～3年),且具有施工高度复杂和极端高危的施工环境特点,对于年轻的施工人员而言,直接深入到一线工作难度可想而知。长期以来依靠静态仿真模型和现场实践很难达到满意的效果。采用虚拟仿真手段,能使工作人员在较短的时间内,全面系统的了解立井施工全过程工艺流程及关键施工工序,进一步加深对于理论知识的理解和掌握,实践证明其效果良好。
3.2 创建了一人一机、方式多样的实验环境
虚拟仿真实验平台依托于数据库、网络通讯、虚拟现实、人机交互等技术,创建高度仿真的虚拟实验环境及实验对象,学生在虚拟环境中进行实验,实现真实实验不具备或难以完成的情况。
大型CAVE系统具备沉浸感强,效果逼真、操作方便的特点,有利于对于相关问题的理解。一人一机的高性能计算机,可使施工人员独立完成人机交互实验操作。在学习相关理论知识后,开展上机实践操作,完成立井施工工作面虚拟仿真模块学习。
通过三维虚拟仿真实验与模型仿真实验的有机结合,实现了立井施工技术实验“动与静、点与面、虚与实”的全面展示,可大幅度提升对于理论知识的进一步理解,大大提高了现场人员对于立井施工整体的认识,节约了经费,解决了无法有效针对现场施工人员对于立井全过程施工技术全面认识的难题。
3.3 建立了操作和回答问题相结合的评价体系
通过实验操作和回答问题两部分考核方式,对现场人员是否掌握煤矿立井表土段及基岩段的施工工艺流程、关键技术及设备之间的关系给予全面真实的评价,项目给予的关键知识点学习和提示,督促他们对自己掌握的知识查漏补缺,进一步熟练掌握煤矿立井表土段及基岩段的施工技术要点和关键技术。
3.4 形成了不断优化施工模拟项目,创新开放共享机制
虚拟仿真施工模拟平台不仅能加强人们对理论知识的理解,还能进一步推动项目资源、师资队伍和管理制度等方面的充实和完善。通过共享机制,各方单位可共享实验项目,不断优化施工模拟项目,联合软件开发公司开发更多的相关项目,形成良性循环,形成优质施工模拟项目开放共享的有效机制。
4 结语
面对现场人员对于施工工艺流程了解欠缺所出现的问题,虚拟仿真技术的应用能够很好地起到桥梁的连接作用。充分体现“虚实结合”、“相互结合”、“能实不虚”的指导思想。促进现场工作人员对于虚拟仿真实验软件的学习,使他们能够有更加完备的知识储备,及施工经验。
参考文献
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