地下工程安全的智能控制及三维仿真模拟系统研究中文摘要

城市地下工程建设中的土工公害日益突出。在维护工程自身安全的同时必需兼顾周近环境的安全，加强机构与土体变形、稳定的预测和控制，已成为当前关注的热点。本项研究旨在采用模糊神经网络作智能控制，将预测结果用科学计算可视化技术研制三维仿真模拟系统专用软件。经与监测值比照并反馈修正后，研究成果将应用于指导深大复杂基坑施工的全过程. 2100433B

某矿地表工业广场鸟瞰图：

全矿三维通风系统模型（含地表模型）

井下人员和设备布置：

火灾烟雾扩散路径分析

全矿井风阻分布：

压能图：

主要能耗损失及占总通风成本比例：

系统主要功能：

系统标准功能

★ 包含真三维可视化图形平台，可进行真三维通风立体图制作，完全兼容AutoCAD基础图形数据；

★ 新建矿山通风网络系统设计、解算和矿井风流动态模拟；

★ 生产矿山通风网络解算，通风现状分析，通风系统调整方案设计、分析，通风系统风流动态模拟；

★ 任意风路固定风量、固定风压、矿井风量按需分配解算及动态模拟；

★ 动态解算和模拟巷道贯通、新掘或废弃巷道分支后通风系统的风流分配；

★ 自动根据风量要求反算调节风阻和调节风窗面积，动态模拟风门、风窗、密闭等通风构筑物设置和风量调节效果;

★ 计算并动态模拟井巷断面或长度变化后通风系统的变化；

★ 辅助进行短期和长期通风系统规划；

★ 自带主流风机数据库，可在风网优化设计的基础上自动进行风机选型，并进行风机运行工况点分析；

★ 支持对主辅扇、局扇建模和多级机站联合运转分析；

★ 可进行风机调速、反风计算和动态模拟；

★ 主要巷道经济断面选型、风网通风经济性评价；

★ 动态模拟井下烟雾、粉尘、有害气体扩散路径和浓度，辅助进行灾害预案制定和紧急情况处理；

系统高级功能

★ 可进行矿井自然风压分析；

★ 支持矿井空气可压缩分析，在矿井空气可压缩性分析的基础上基于风流质量流量进行通风网络解算，在考虑空气密度变化的基础上，系统可自动调整风机特性曲线；

★ 可对通风系统进行全局优化，推荐优化模式下的关键巷道断面尺寸，支持对高损耗风路设计多种断面尺寸并对相应的通风成本和通风能力进行曲线分析；

★ 井下风温、岩温、空气湿度计算，可对井下热源、冷源和湿源进行建模，可在三维可视化环境中实现对矿井加热/降温效果进行定量分析；

★ 矿井通风网络串联通风和污风循环自动检测；

★ 基于“非稳态算法”对井下火灾及火灾对通风系统产生的影响进行定量分析，可对爆破除烟和瓦斯突出进行动态扩散模拟分析；

★ 系统可进行定制开发，平台具备与安全监测监控系统实时参数（如：CH4、CO、烟雾、风压等）进行整合的数据接口；

★ 系统可根据矿山测风数据，非常方便的对通风网络系统进行更新和调整。

全矿三维通风系统模型（含地表模型）井下人员和设备布置：火灾烟雾扩散路径分析全矿井风阻分布：压能图：主要能耗损失及占总通风成本比例：

从当前我国的煤矿安全事故统计发现，但凡能造成重特大事故发生的，一般都与通风系统有关，或者是通风系统不合理，或者是通风系统本身就没有完整地形成，导致包括瓦斯爆炸、煤尘爆炸等重特大事故。另外，由于矿井建设和生产在不断的变化如巷道在不断地开拓延伸，工作面生产在不断地推进,某一时间段的合理的通风系统，但过了一段时间就有可能不合理，如：有些巷道或工作区域的风速过大，有些巷道风量很小，造成瓦斯等有害气体积聚，给矿井安全留下严重的隐患，因此，整个矿井的通风系统也是一个动态的变化过程。

构建合理的矿井通风系统，就是利用通风动力，以最经济的方式，向井下各用风地点提供足量的新鲜空气，提供适宜的温度、湿度，保持良好的气候条件，以保证井下作业人员的生命安全和改善劳动环境的需要，采取符合实际的矿井通风方式、矿井通风方法和矿井通风网络；并且要求在发生灾害时，能及时而有效地控制风向及风量，并配合其它措施，将事故控制在一定范围内，防止灾害的进一步扩大。因此，一套合理的通风系统对于保证煤矿安全生产极为重要。

为实现以上目的，必须借助于现代化的信息管理技术，以计算机作为辅助手段，来对矿井通风系统进行管理。使用计算机图形技术建立矿井真三维通风网络模型，对巷道的断面、风阻以及通风构筑物等参数进行赋值，实现通风系统的数字化和三维可视化，然后通过成熟的算法对通风网络数据进行处理、解算，对通风过程进行动态模拟，从而为矿山管理人员和技术人员提供必要的数据支持，以辅助通风和生产决策。

矿井三维通风动态仿真模拟系统是当前通风领域世界领先的软件系统。通过三维建模，系统将复杂的通风参数和通风过程以三维动态图形的方式简单、直观的展现出来，通风技术人员可从任意角度观察和调整通风系统，实现巷道风量分配的实时解算和分析，帮助提高矿井通风决策人员的科学决策水平。该系统建成后可作为矿山通风辅助决策分析平台，可广泛应用于：矿井通风系统管理与优化，通风系统薄弱环节三维可视化展现与预警(如：风速过大、微风、污风循环),通风系统调整方案制定及预先仿真模拟（如：预测巷道贯通、延伸、密闭、工作面搬迁或者风机叶片角调整后通风系统通风能力和稳定性），应急预案制定及避灾线路动态分析，风机工况点分析，自然风压分析，井下岩温、风温及火灾条件下非稳态通风系统模拟分析，反风演习模拟与分析、通风系统经济性分析以及以三维通风仿真为基础的通风管理决策支持等领域，帮助煤矿实现实时、动态、合理和科学的通风管理，为实现矿井通风系统实时联网管理打下基础。

系统主要功能：

系统标准功能

★包含真三维可视化图形平台，可进行真三维通风立体图制作，完全兼容AutoCAD基础图形数据；

★新建矿山通风网络系统设计、解算和矿井风流动态模拟；

★生产矿山通风网络解算，通风现状分析，通风系统调整方案设计、分析，通风系统风流动态模拟；

★任意风路固定风量、固定风压、矿井风量按需分配解算及动态模拟；

★动态解算和模拟巷道贯通、新掘或废弃巷道分支后通风系统的风流分配；

★自动根据风量要求反算调节风阻和调节风窗面积，动态模拟风门、风窗、密闭等通风构筑物设置和风量调节效果;

★计算并动态模拟井巷断面或长度变化后通风系统的变化；

★辅助进行短期和长期通风系统规划；

★自带主流风机数据库，可在风网优化设计的基础上自动进行风机选型，并进行风机运行工况点分析；

★支持对主辅扇、局扇建模和多级机站联合运转分析；

★可进行风机调速、反风计算和动态模拟；

★主要巷道经济断面选型、风网通风经济性评价；

★动态模拟井下烟雾、粉尘、有害气体扩散路径和浓度，辅助进行灾害预案制定和紧急情况处理；

系统高级功能

★可进行矿井自然风压分析；

★支持矿井空气可压缩分析，在矿井空气可压缩性分析的基础上基于风流质量流量进行通风网络解算，在考虑空气密度变化的基础上，系统可自动调整风机特性曲线；

★可对通风系统进行全局优化，推荐优化模式下的关键巷道断面尺寸，支持对高损耗风路设计多种断面尺寸并对相应的通风成本和通风能力进行曲线分析；

★井下风温、岩温、空气湿度计算，可对井下热源、冷源和湿源进行建模，可在三维可视化环境中实现对矿井加热/降温效果进行定量分析；

★矿井通风网络串联通风和污风循环自动检测；

★基于“非稳态算法”对井下火灾及火灾对通风系统产生的影响进行定量分析，可对爆破除烟和瓦斯突出进行动态扩散模拟分析；

★系统可进行定制开发，平台具备与安全监测监控系统实时参数（如：CH4、CO、烟雾、风压等）进行整合的数据接口；

★系统可根据矿山测风数据，非常方便的对通风网络系统进行更新和调整。

本书提出一套针对地下工程基础设施的精细数字化表达方法，并且设计出适用于具有连接关系的地下建筑组群的拓扑数据结构，可以实现建筑内外的无缝连接。本书以三维激光点云数据作为数据源，在逆向重建中可以解决直接采用点云进行构网情况下模型不完整及速度较慢的问题，并且在拓扑结构上突破传统地下建筑群中单一的管孔与管线的点线连接关系以及管线之间的线线连接关系，添加管孔与墙壁的点面关系以及管线与墙壁的线面关系，在模型描述上更为准确。