文档介绍：太原理工大学博士研究生学位论文
综采工作面场景及覆岩垮落的动态虚拟
摘要
煤炭开采是一个的复杂时变系统,井下作业环境恶劣,地质条件
复杂多变,人、机、环境多种因素相互交错,致使许多传统技术的应
用受到严重限制。特别是在综采工作面和采空区,传统的研究方法不
仅实验环境难以保证,而且耗资巨大,又相当危险,研究结果也难以
得到验证。因此,在这个信息化时代,将虚拟现实技术与煤炭行业相
结合,研究科学认知煤矿开采环境的新方法,成为当前解决煤矿安全
生产的崭新课题。
本文将巷道的各种数据信息分为测量数据、断面数据和属性数据
三类,按照弧段节点的数据结构将巷道分为巷道体、巷道弧和巷道节
点三种元素,建立了巷道弧、节点、导线点、断面和属性五个数据表,
并分析了巷道体—巷道弧、巷道弧—节点、巷道体—节点间的拓扑关
系。提出基于巷道中线断面建模法,即通过导线点数据计算出巷道中
线点坐标,在中线处绘制一系列巷道断面线框模型,并将它们用线段
连接起来构成巷道的表面模型,用上、下、左、右四个弧段来描述巷
道的断面形态,最后经过纹理影射处理,生成整体巷道的三维模型。
本文分析了虚拟场景的建模特点和建模方法,选用 OpenGL 作为建
模工具,通过几何建模、形象建模和行为建模三个步骤建立采场设备
模型。运用运动学、动力学分析综采设备的运动力学特性,提出使用
约束型反向关联运动的方法对液压支架进行行为建模,运用子父体层
I
太原理工大学博士研究生学位论文
次模型对采煤机进行行为建模。应用 OpenGL 提供的选择机制,利用鼠
标控制设备上的虚拟控制器,实现液压支架和采煤机的交互操纵。设
置系统计时器,利用时钟控制各个综采设备的运行状态,应用三维动
画双缓存技术实现生产工艺过程的动态模拟。
本文总结了我国采场覆岩移动规律的研究成果,对上覆岩层进行
了层次划分和结构分类,将顶板分为五类:易垮落松软顶板、中等垮
落性顶板 1、中等垮落性顶板 2、难垮落的坚硬顶板、假塑性弯曲顶板。
采用基于面模型的线框模型建模方法,建立了采场覆岩的动态模型。
系统能够根据上覆岩层的数据自动判别顶板结构类型,计算并确定出
直接顶数目、直接顶厚度、关键层的数目和位置,关键层的破断顺序,
基本顶的初次垮落步距和周期垮落步距等参数。系统能够动态模拟采
场任意时空位置的覆岩运动,实现了不同结构类型顶板垮落过程的虚
拟表示,为研究矿山压力和岩层移动提供了新的思路,可以验证经典
的矿山压力假说关于覆岩移动的模型。
井下场景复杂,逼真的再现导致计算机运行缓慢,本文运用模型简
化、实例、单元分割、雾化等技术,提高了画面渲染速度,满足了虚拟
现实实时性的要求。设计出场景漫游、视点控制、位置查询、碰撞检测
等交互手段,利用 Visual C++和 OpenGL 开发出基于 PC 机的煤矿井下虚
拟现实系统,逼真地再现了综采工作面场景和覆岩垮落过程。
关键词:综采工作面,上覆岩层,虚拟现实,人机交互,动态模拟
II
太原理工大学博士研究生学位论文
DYNAMIC VIRTUAL STUDY ON THE SCENE OF FULLY
MECHANIZED MINING FACE AND THE COLLAPSE OF
OVERLYING STRATA
Abstract
Coal mining is plex time-varying system, in which various
factors such as man, machine, and environment interact with each other, the
tough underground work environments, complicated geological conditions
and the mixture of different environmental factors give rise to the limitation
of many traditional technology, especially in fully-mechanized face and
roof. Conventional method had not only to guarantee the experimental
environment, but also to demand a large cost while the process is
dangerous and the result is hard to verify. Therefore,