姬文軒

摘要：隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)開始出現(xiàn)在有關(guān)煤礦施工建設(shè)工程中。文章主要論述了虛擬仿真在煤礦立井施工中的作用和優(yōu)勢(shì);接著以煤礦立井施工技術(shù)虛擬仿真資源在煤礦上的應(yīng)用為例，詮釋了虛擬仿真在礦建工程中應(yīng)用的必要性。

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.

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;礦建工程;立井

Key words： virtual simulation;mining construction;vertical shaft

中圖分類號(hào)：TD679 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）30-0193-02

0 ?引言

煤炭工業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)工業(yè)，也是重要的工業(yè)部門原料和能源的來源。在接下來很長(zhǎng)的的一段時(shí)間內(nèi)，煤炭依然會(huì)作為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中最為核心的一部分，煤炭產(chǎn)量的增長(zhǎng)率決定國(guó)民經(jīng)濟(jì)能否更好地的發(fā)展。而煤炭生產(chǎn)工業(yè)的發(fā)展，又取決于煤炭基礎(chǔ)工業(yè)建設(shè)以及開拓延深工作是否能夠及時(shí)地并持續(xù)不斷地提供煤炭生產(chǎn)的場(chǎng)地。為了將煤安全地從地下采出，要從地表開始，開鑿一系列的井筒、硐室及巷道到達(dá)煤層。

立井是地下礦山、山嶺隧道、水利水電、城市地下工程以及軍事國(guó)防工程等的常見工程。隨著我國(guó)礦產(chǎn)資源的開發(fā)、交通、水利事業(yè)的快速發(fā)展，立井的開鑿也將日益增多。立井在煤礦建設(shè)中被廣泛應(yīng)用，其特點(diǎn)是深度大、斷面面積大、水文地質(zhì)條件復(fù)雜、施工難度大、工期長(zhǎng)，投資高。因此，為加快鑿井速度、縮短鑿井工期，必須采用先進(jìn)的施工技術(shù)，提高施工機(jī)械化水平。

虛擬仿真技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等技術(shù)，用虛擬的系統(tǒng)模仿現(xiàn)實(shí)的技術(shù)[1]。它是由計(jì)算機(jī)的硬件、軟件以及各類傳感器構(gòu)成的含有三維信息的人工環(huán)境——虛擬環(huán)境，從而模擬現(xiàn)實(shí)世界出現(xiàn)的事物和環(huán)境。虛擬仿真技術(shù)最早被應(yīng)用于地質(zhì)、建筑、航空、制造以及游戲等領(lǐng)域[2-4]，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用與我國(guó)的煤炭行業(yè)中，主要包括：綜采工作面虛擬仿真研究;礦山生產(chǎn)系統(tǒng)的展示設(shè)計(jì);礦井火災(zāi)及瓦斯爆炸的仿真模擬研究;礦山爆破工藝上的應(yīng)用等[5-6]。與此同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)也開始應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)[7]，并逐漸推廣開來。

1 ?虛擬仿真技術(shù)在立井施工中的作用

伴隨著多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等信息科技迅速發(fā)展，一種更高級(jí)的，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真的技術(shù)——虛擬仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。虛擬仿真技術(shù)是構(gòu)建統(tǒng)一完整的虛擬環(huán)境的典型技術(shù)，它通過虛擬環(huán)境集成和控制了大量的實(shí)體。實(shí)體可以是模擬器或其他仿真系統(tǒng)，同時(shí)可以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型來表示。實(shí)體與虛擬環(huán)境相互作用，用以表達(dá)客觀真實(shí)世界的特征。這種集成、虛擬化以及網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)較好的滿足了現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展方向。

將三維動(dòng)態(tài)虛擬仿真技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以更加全面的體現(xiàn)理論知識(shí)，使工作人員在計(jì)算機(jī)上即可完成施工現(xiàn)場(chǎng)所涉及到的有關(guān)操作要求以及環(huán)境、安全等問題的學(xué)習(xí)，有效的節(jié)約了培訓(xùn)成本。

充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)等信息技術(shù)手段在施工中的作用，通過施工模擬使人員全面系統(tǒng)的理解和掌握立井設(shè)備的選型、安裝工藝流程，立井表土段、基巖段施工過程、工藝流程及關(guān)鍵施工工序，了解各施工設(shè)備、工序之間的相互關(guān)系，在進(jìn)一步理解施工相關(guān)工藝流程關(guān)的同時(shí)，培養(yǎng)分析解決和創(chuàng)新思維的能力。

2 ?煤礦立井施工技術(shù)虛擬仿真資源的應(yīng)用

在完成相關(guān)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)之后，可申請(qǐng)進(jìn)入項(xiàng)目資源的“學(xué)習(xí)模式”進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，然后通過“考核模式”完成實(shí)驗(yàn)操作并回答相關(guān)問題。實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)可自動(dòng)將每個(gè)人的操作成績(jī)與答題提交至管理賬戶，經(jīng)過系統(tǒng)評(píng)定并生成報(bào)告。

2.1 立井表土段施工技術(shù)實(shí)驗(yàn)

①根據(jù)給定的井筒直徑、深度等參數(shù)完成立井鑿井等設(shè)備的選型，掌握立井鑿井井架、天云平臺(tái)、挖掘機(jī)械、裝矸機(jī)械及吊盤等主要施工設(shè)備的選型方法;②依照設(shè)備安裝工藝流程，通過三維虛擬仿真動(dòng)態(tài)模擬，完成井架、天輪平臺(tái)、吊盤等施工設(shè)備的安裝，掌握各設(shè)備的布置方式及對(duì)應(yīng)關(guān)系;③以表土段短段掘砌段高2m為例，通過三維虛擬仿真動(dòng)態(tài)模擬立井表土段施工工藝過程，熟識(shí)立井表土段掘砌機(jī)械設(shè)備的配套特點(diǎn)和施工工藝流程，掌握井筒開挖→井筒臨時(shí)支護(hù)→外層井壁鋼筋混凝土施工等主要施工工序技術(shù)特點(diǎn);④表土段施工至一定深度后，安裝吊盤;⑤表土段外層井壁施工結(jié)束后，一次性完成內(nèi)層井壁澆筑施工。

2.2 立井基巖段施工技術(shù)實(shí)驗(yàn)

①熟識(shí)立井基巖段掘砌機(jī)械設(shè)備的配套特點(diǎn)，掌握傘形鉆架、回轉(zhuǎn)式抓巖機(jī)的選型、工作狀態(tài)和原理。②以基巖段短段掘砌段高4m為例，通過虛擬仿真動(dòng)態(tài)模擬施工工藝流程的分部操作，重點(diǎn)掌握基巖爆破施工藝流程及施工工藝技術(shù)要點(diǎn)，包括打眼→裝藥→連線→起爆及應(yīng)注意的安全防護(hù)措施。③掌握基巖段短段掘砌施工打眼爆破→排矸→打灰→清底四大循環(huán)工序之間的關(guān)系，分析影響掘砌施工速度的因素和應(yīng)采取的措施，提出縮短施工工期的改進(jìn)建議。④外層井壁澆筑鋼筋混凝土施工。⑤內(nèi)層井壁澆筑鋼筋混凝土施工。

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核

在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的考核時(shí)，分兩部分成績(jī)：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作（60%），回答相關(guān)問題（40%）。平臺(tái)綜合兩部分成績(jī)，自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，然后按比例給出實(shí)驗(yàn)成績(jī)。（見圖1和圖2）

3 ?成效

3.1 加工作人員的實(shí)際操作能力

煤礦立井建設(shè)是煤礦建設(shè)的主體工程之一，其投資動(dòng)輒幾千萬甚至上億元資金，施工周期長(zhǎng)（2～3年），且具有施工高度復(fù)雜和極端高危的施工環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)于年輕的施工人員而言，直接深入到一線工作難度可想而知。長(zhǎng)期以來依靠靜態(tài)仿真模型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐很難達(dá)到滿意的效果。采用虛擬仿真手段，能使工作人員在較短的時(shí)間內(nèi)，全面系統(tǒng)的了解立井施工全過程工藝流程及關(guān)鍵施工工序，進(jìn)一步加深對(duì)于理論知識(shí)的理解和掌握，實(shí)踐證明其效果良好。

3.2 創(chuàng)建了一人一機(jī)、方式多樣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)依托于數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通訊、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互等技術(shù)，創(chuàng)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的情況。

大型CAVE系統(tǒng)具備沉浸感強(qiáng)，效果逼真、操作方便的特點(diǎn)，有利于對(duì)于相關(guān)問題的理解。一人一機(jī)的高性能計(jì)算機(jī)，可使施工人員獨(dú)立完成人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)操作。在學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)后，開展上機(jī)實(shí)踐操作，完成立井施工工作面虛擬仿真模塊學(xué)習(xí)。

通過三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與模型仿真實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了立井施工技術(shù)實(shí)驗(yàn)“動(dòng)與靜、點(diǎn)與面、虛與實(shí)”的全面展示，可大幅度提升對(duì)于理論知識(shí)的進(jìn)一步理解，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)于立井施工整體的認(rèn)識(shí)，節(jié)約了經(jīng)費(fèi)，解決了無法有效針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員對(duì)于立井全過程施工技術(shù)全面認(rèn)識(shí)的難題。

3.3 建立了操作和回答問題相結(jié)合的評(píng)價(jià)體系

通過實(shí)驗(yàn)操作和回答問題兩部分考核方式，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員是否掌握煤礦立井表土段及基巖段的施工工藝流程、關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備之間的關(guān)系給予全面真實(shí)的評(píng)價(jià)，項(xiàng)目給予的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)和提示，督促他們對(duì)自己掌握的知識(shí)查漏補(bǔ)缺，進(jìn)一步熟練掌握煤礦立井表土段及基巖段的施工技術(shù)要點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。

3.4 形成了不斷優(yōu)化施工模擬項(xiàng)目，創(chuàng)新開放共享機(jī)制

虛擬仿真施工模擬平臺(tái)不僅能加強(qiáng)人們對(duì)理論知識(shí)的理解，還能進(jìn)一步推動(dòng)項(xiàng)目資源、師資隊(duì)伍和管理制度等方面的充實(shí)和完善。通過共享機(jī)制，各方單位可共享實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不斷優(yōu)化施工模擬項(xiàng)目，聯(lián)合軟件開發(fā)公司開發(fā)更多的相關(guān)項(xiàng)目，形成良性循環(huán)，形成優(yōu)質(zhì)施工模擬項(xiàng)目開放共享的有效機(jī)制。

4 ?結(jié)語(yǔ)

面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)于施工工藝流程了解欠缺所出現(xiàn)的問題，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用能夠很好地起到橋梁的連接作用。充分體現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合”、“相互結(jié)合”、“能實(shí)不虛”的指導(dǎo)思想。促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的學(xué)習(xí)，使他們能夠有更加完備的知識(shí)儲(chǔ)備，及施工經(jīng)驗(yàn)。

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