露天开采工艺及其风险状况的模拟.pdf

第15卷第10期 2006年10月 中 国 矿 业 CHINA MININGMAGAZINE Vol. 15 , No. 10 October 2006 矿山 技术 露天开采工艺及其风险状况的模拟 3 张瑞新1 李新旺1 姚新港2 刘 煜1 1 1 中国矿业大学北京资源与安全工程学院 北京100083 ; 21 中国矿业大学 机电工程学院 徐州221008 摘 要露天开采电铲卡车工艺、大型轮斗工艺和拉铲工艺都具有大型设备众多、组织管理复杂、 安全隐患大等特点,并且后两者还是国内较新的工艺,这就使得高效直观的生产工艺展示以及安全培训 技术手段和作业风险性研究,成为上述工艺能否成功应用的制约因素。本文研究了基于虚拟现实技术, 应用Pro2E和3 D MAX软件,对露天开采工艺及其风险状况进行模拟的技术途径,建立了大型露天矿 人2机2矿山虚拟环境,直观形象的模拟了轮斗、单斗卡车和拉铲三种工艺流程,同时可以进行重点风险 部位的动态识别。系统为职工生产与安全培训提供了一个良好的平台。 关键词露天矿 虚拟现实 开采工艺 风险识别 中图分类号 TD85614 文献标识码 A 文章编号 1004 - 4051 2006 10 - 0057 - 03 SIMULATION OF SURFACE MINING TECHNOLOGY 2 School of Mechanical 同时,设备大型化、开采工艺连续化与生 产环节合并化已成为当前露天开采工艺发展的方 向。先进技术工艺大大提高了矿山经济效益,同时 也带来一系列新问题。面对全新的设备与技术工 艺,生产组织、环节配合、设备操作,尤其是安全 管理等问题,都迫切需要利用现代化技术手段辅助 解决,以尽快适应新形势。 虚拟现实Virtual Reality ,简称 VR 技术是 一门人与信息科学相结合的高新技术。它由计算机 生成虚拟三维空间环境,对现实的运动进行模拟和 声像演示,也可以实现人与计算机虚拟环境的交互 中 国 矿 业第15卷 和认知,其特点使VR技术为露天矿开采工艺展 示、风险识别和矿工技术培训等,提供了一个有效 的手段。 2 系统功能简介 露天矿开采工艺的模拟。露天煤矿由于剥离物 料性质的不同,一般采用不同的开采工艺,具有代 表性的是地表黄土采用轮斗铲带式输送机排土 机工艺;煤层上覆岩石采用单斗铲卡车工艺或拉 铲倒堆工艺。系统建立了轮斗铲、排土机、单斗 铲、卡车、拉铲等设备以及露天矿地表、台阶和坑 道等实际环境,实现了对以上各开采工艺环节配合 与作业流程等的模拟。 采矿设备与人员作业风险识别。系统提供了强 有力的识别风险和观察环境的工具,采矿设备与人 员的风险值通过不同的颜色来标度,绿色表征低风 险、黄色为中等风险、红色则为高风险,且随着设 备和人员的移动而动态变化,如人员进入单斗铲作 业半径或拉铲卸载半径等。识别所用的基础风险数 据根据安全操作规程提前建立。通过系统模拟,可 以对现场有更多的了解,及时发现问题,采取措施 进行改进,如完善操作规程、设置警示牌,改进设 计等等。 进行安全技术培训。国内采用轮斗铲工艺还很 少,第一台拉铲目前也只是在组装阶段,生产实践 几乎为空白,操作熟练程度较低,发生事故几率很 大,安全形势不容乐观。系统提供多视角的虚拟环 境,形象直观的展现了作业现场、设备布置、操作 程序及安全注意事项,让素质并不太高的煤矿从业 人员能快速高效掌握。 3 技术实现 采用虚拟现实技术为露天矿开采工艺模拟提供 了有效的手段,也为“预防为主”的煤矿安全管理 与安全培训提供了强有力的技术支持。其技术路线 如图1所示。实现过程如下 图1 技术路线图 311 对象建模 对象建模是虚拟现实技术的核心和基础,通过 建立模型,在计算机上实现对人2机2矿山及其相互 关系这一采矿复杂大系统的抽象与描述。经过分析 并根据自身特点将建模对象分为两类,一是形状规 则,参数固定,可批量制作和重复使用的,如各类 采矿设备;二是形状不规则,变化较大的,如矿山 环境;人员尽管形状不规则,但可以重复利用,也 归于此类。针对二者各自特点选用不同软件。 1采矿设备 露天矿设备种类与数量众多,结构复杂,主要 有电铲、轮斗铲、拉铲、转载机、带式输送机、卡 车和排土机等,设备建模是系统建模的重点。首先 进行现场调研,获取不同种类不同型号设备的技术 规格与参数,比如拉铲斗容、臂长等等;其次,了 解各设备零部件的连接,相互运动关系与自由度、 设备相互关系与动作时间顺序。选用Pro/ Engi2 neering 简称Pro2 E 软件。Pro2E是3 D CAD/ CAM的标准软件,以特征建模为主要特点,实现 了零部件建模,产品装配等复杂功能,同时与其它 3 D系统轻松实现数据格式转换,是露天矿大型设 备建模的首选。将Pro2E建立的零部件组装并导入 到3 D MAX ,对运动的机构进行符合实际功能的 定义,建立各部件的自由度并形成逻辑关系和运动 链。 2矿山环境 露天矿相对矿井有其自身特点,台阶、工作面 和运输坑道相对规整,诸如台阶高度、标高和宽度 等较为统一。为充分体现矿坑实际环境、达到系统 功能要求,又尽可能减少工作量,选用3 D MAX 进行虚拟环境建模。应首先在开采现状图上获得对 象特征点的三维坐标,建立对象物体的几何模型和 空间位置;另外,为增强虚拟环境的真实感,应用 实际颜色、材质和纹理对地表、黄土、岩石和煤层 进行渲染,从而建立逼真的矿坑模型。 场景合成。将矿坑、设备和人员等模型按各自 空间位置定位,合成场景,生成虚拟环境。 漫游与驱动。通过设置模型的参数,并建立不 85 第10期张瑞新等露天开采工艺及其风险状况的模拟 同的视角与观察路线,驱动虚拟环境,实现虚物实 化,并根据设备或人员所在位置,设备间的安全距 离等信息,自动识别风险并以不同颜色显示,从而 达到漫游与风险识别的目的。 4 应用实例 某露天矿设计能力年产煤炭20Mt ,剥离量 89Mm3,阶梯式采掘区宽约2000m ,长约4000m ; 矿内现服役设备2200多台套 , 其中轮斗2台 套,电铲10台,卡车82台;采用综合开采工艺, 分别为地表黄土采用轮斗铲带式输送机排土机 工艺;煤层上覆50m高度岩石采用拉铲倒堆工艺, 其它部分岩石为单斗铲卡车工艺。其中,轮斗是 国内第一家完全引进的国外设备,拉铲工艺为国内 首次采用。可见,开采范围大、工艺先进和设备众 多是本露天矿最大特点。为熟练掌握工艺流程与设 备操作,预先识别安全风险和安全重点防范部位, 尽量减少或避免事故发生,快速度过从未知到认 识,从粗浅到提高的过程,课题组借助虚拟现实技 术,开发了露天开采工艺与风险状况模拟系统。 根据现场实际情况和工艺流程建立的表土剥离 轮斗工艺、岩石剥离电铲2卡车工艺和拉铲倒堆工 艺作业过程的动态模拟,它不仅可直观地模拟采矿 作业过程及空间环境,而且使用户全面察看设备位 置及移动路线、剥离物料流向等信息,作为培训矿 工以及展示开采工艺作业过程的工具,而且成为系 统作业参数模拟、优化,以及作业过程安全风险评 价的重要手段。 拉铲臂长较长使工作人员和其它设备难以判断 自己所处位置是否进入拉铲作业半径,从而易于产 生事故。通过虚拟现实系统建立了拉铲倒堆工艺作 业过程中动态风险识别的系统,在拉铲作业半径之 内的空间区域风险为危险,以红色显示;在拉铲作 业半径和拉铲作业半径加上安全距离如 2m 之 间为临近风险区,以黄色显示。由于拉铲与相关设 备、人员是处于不断运动中的,因此,以拉铲为核 心,其它目标出现在拉铲不同区域时,标征风险大 小的颜色也实时地变化。通过该系统对相关人员反 复演练,就很容易形成直观地有关作业过程的安全 防范意识。此外,系统还可以加入其它的技术约 定,比如,拉铲站立位置必须在作业台阶的安全距 离之内、推土机作业必须遵守安全规程等等。这些 有关安全重点环节,都可以通过风险标志予以实时 标识。 5 结论 随着大型露天矿不断建设并逐步投入生产,大 型轮斗工艺、拉铲工艺、电铲卡车工艺的作业参数 优化、作业过程安全风险性研究,以及直观有效的 安全培训技术手段,日益成为这些露天开采工艺能 否成功应用的制约因素。本文基于此,初步研究开 发了露天矿开采工艺与安全生产模拟系统,建立了 人2机2矿山虚拟环境,不仅实现了设备作业过程的 直观形象展示、作业参数的动态优化,而且还可以 进行系统风险状况的动态识别,从而为职工安全培 训、尽快掌握工艺流程,预防伤亡事故发生,提高 矿山经济效益提供了一个良好的平台。 参考文献 〔1〕 现代露天开采技术国际发展与我国露天采煤前景[J ].露天 采煤技术, 2005 , 3 1 - 3. 〔2〕 张瑞新,任廷祥, D. Schofield等.虚拟现实技术在矿山安 全中的研究进展[J ].煤炭学报, 1999 , 24 1 70 - 73. 〔3〕 李 青,韩可琦,申闫春.矿井工业广场的可控可视化与虚 拟环境开发[J ].中国矿业大学学报, 2002 , 31 1 27 - 29. 〔4〕 张仪哲,阮 艳. VR技术实现冶金系统安全生产方法研究 [J ].工业安全与环保, 2005 , 35 8 40 - 41. 山西省“十一五”期间将投资90亿元开发煤层气 从山西省煤炭工业局获悉,“十一五”期间,山西省将投资90亿元开发煤层气又称煤矿瓦斯 , 变矿井“第一杀手”为宝贵的洁净能源。煤炭大省山西也是煤层气资源大省,全省煤层气已探明储量 超过10万亿m3,约占全国已探明总储量的三分之一。根据规划,山西省将在沁水、河东煤田两个煤 层气富集区进行集中开发。到2010年,沁水煤田南部开发区产气规模将达到每年30亿m3,河东煤 田开发区达到每年3亿m3,寿阳-古交开发区达到每年2亿m3。同时,为保证煤矿安全生产和能源 综合利用,晋城、阳泉、潞安和山西焦煤等四大煤炭集团的井下瓦斯抽采规模要达到每年15亿m3, 抽采率和利用率分别达到60 和100 。山西省将搞好配套管网建设,以沁水煤田南部煤层气重点开 发区为起点,建设阳城2翼城2临汾等省内外多条煤层气输气管道。 95