裴晓东 王 亮 孙 勇 田富超 刘敏轩 贺万星

(1.中国矿业大学安全工程学院,江苏 徐州 221116;2.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁 沈抚示范区 113122;3.教育部安全工程专业虚拟教研室,江苏 徐州 221116)

现今虚拟仿真技术迅速发展,并深入融合实训信息化,是实训现代化建设的重要举措,虚拟仿真实训资源的建设将直接影响各级培训机构或工程实践中心的实训实践水平与质量。近年来,在相关部委大力支持下,虚拟仿真实训项目在各行各业蓬勃发展,建设具有良好交互性、开放性和安全性的虚拟仿真实训平台是推动提升实训水平和相关工程技术人员技能培养质量的有效途径之一[1-6]。

煤矿、金属非金属地下矿山通风参数测定是井巷通风技术管理核心内容之一[7-8],通过测定可以准确获取各井巷风速(风量)、风阻等通风参数,从而知悉风流阻力及其分布,为进一步开展通风优化改造、节能降耗和调风控火排瓦斯等提供依据[9-10]。该实训内容是矿山通风技术人员和安全科学与工程类专业学生的核心基础技能,但由于实践性强、日常真实井巷实验实训难以开展等原因,以往该内容的实训实验开展存在诸多难处,基本无法开展真实实验和操作实训,仅仅通过实验模型或影像资料,缺少与理论相结合的实验实训系统,无法达到交互式学习实训的目的,也起不到很好的实践锻炼效果[11-15]。因此,本研究提出将矿山通风参数测定实训与虚拟仿真技术相结合,设计开发了矿山通风参数测定虚拟仿真实训系统。

该虚拟实训系统设计坚持问题导向,依据工程实践核心内容,以虚拟仿真技术和三维动画演示,通过具体和生动的交互式动手操作,仿真实现了可重复,安全、环保、成本低廉地开展通风参数测定实验实训,满足煤矿、金属非金属地下矿山等井巷空间通风系统参数检测的实训需要。同时,中国矿业大学安全科学与工程学科作为A+和双一流学科,紧密围绕学校学科专业优势,紧跟实训信息化的新时代要求,为通风类专业实训信息化提供了模板,适用于技术人员培训、考核以及学生实操训练等。

1 虚拟实训系统组成

系统依据《MT/T 440-2008 矿井通风阻力测定方法》和《AQ 2013.3-2008 金属非金属地下矿山通风技术规范:通风系统检测》,将井巷通风参数测定核心内容分为六大模块,各模块通过文字、图片、动画、虚拟现实等方式将基础理论与现场实践相结合,以虚拟仿真技术和三维动画演示,将矿井通风参数的实测场景完美地转移至虚拟平台中,达到了展示学习和虚拟实训的双重效果,使得实训人员能够通过该系统更好地理解和掌握矿井通风参数测定的基本原理、方法和各实践步骤及注意事项,进一步加深对通风理论的理解和提高自身的工程实践能力。该虚拟实训系统共包括通风参数测定介绍、测定仪器、准备工作、参数测定、数据处理和网络解算六大模块,其系统组成如图1所示。

图1 系统组成Fig.1 System composition

2 虚拟实训设计与开发

2.1 通风参数测定介绍

以理论公式、文字、图片等要素,对矿井通风参数测定的目的、方法和主要内容进行简要介绍,引导实训者入门,做到对实验实训内容初步认识和掌握。

2.2 测定仪器

通过构建的三维仿真仪器模型对测定所需仪器及测定项目进行仿真训练,使实训者清楚地认识矿井通风参数测定所用各项仪器及其用途。三维虚拟仿真仪器包括精密气压计或皮托管、胶管;干湿球温度计;高速、中速和低速翼式风表;测距激光仪或皮尺;记录用笔、纸等。满足实训者通过操纵鼠标移动和查看等,如图2(a)所示。

图2 测定仪器及准备工作实训界面Fig.2 Training interfaces of the measuring instruments and preparation

2.3 准备工作

设计开发了进行矿井通风参数测定前的各项准备工作的实训内容,包括测点布置、记录表格和人员组成三个部分,实训者可进行该内容的实践实操。

2.3.1 测点布置

通风参数测点的合理布置是准确测定获取矿井通风状况的关键,实训者在显示的采掘(通风)工程平面图中进行测点布置位置和顺序的设置、选取训练,其界面如图2(b)所示。测点的布置应满足《MT/T 440-2008 矿井通风阻力测定方法》等相关规定的要求:①测点应在分风点或汇风点处选定;② 测点前(后)3 m内井巷应支护良好,且内无堆积物等。如测点布置不合理或错误,实训系统会有弹出框提示。

2.3.2 记录表格

数据记录表格界面如图2(c)所示,主要包含:基点气压测试记录表、测点大气物理参数测试记录表、巷道断面与风量测试记录表、通风参数测定数据汇总表,可使实训者明确参数测定过程所需要的各项表格及表格的记录内容等。

2.3.3 人员组成

测定人员的组成和分工是高效开展通风参数测定工作的重要内容,实训者可以进行人员数量及分组情况的训练,如图2(d)所示,以虚拟仿真的人物和动画形式直观地呈现和展示通风参数测定时的虚拟测定人员及各小组人员分配情况等。

2.4 参数测定实训

参数测定实训模块中,实训者将进行基点校准、井底测定、巷道测定和矿井负压4个核心测定内容的操作实训(以气压计基点测定法为例)。

2.4.1 基点校准

基点校准实训内容,如图3(a)所示。通过虚拟仿真的人物及动画展示基点校准的实际操作,并在界面下方文字说明校准流程,使实训者明确基点设置和校准的全部操作流程。实践实训操作为:在进行参数测定时先对2台精密气压计(Ⅰ、Ⅱ)进行井上基点校准,确保井口基点气压计Ⅰ和井下沿路线测量使用气压计Ⅱ同步,并记录初始读数。

图3 参数测定实训界面Fig.3 Training interfaces of the parameters

2.4.2 井底测定

井底测定实训环节包括井底测量的全部实测场景训练,主要包括4部分内容:压力测量、风速测量、温度测量和巷道尺寸测量,实训者可分别点击4个子选项进入仿真实训。

(1)在压力测量中,将精密气压计放置在测点位置的平坦巷道处,待气压计显示数值稳定后,在相应表格中记录时间和压力数据,如图3(b)所示。

(2)在风速测量中,针对同一测点的相关巷道,垂直巷道断面,按“几”字型行走路径匀速测量1min,风表开始移动时开启秒表计时,待时间到达1min时停止风表计数并读取风表风速数值。同时,系统提供的注意事项和操作步骤能够帮助实训者更为全面地掌握风速测量原理和方法,如图3(c)所示。

(3)在温度测量实训中,在同一测量点,垂直巷道断面,悬挂通风干湿表并用蒸馏水润湿湿球温度计头部纱套,自然通风或强制通风下读取干球、湿球温度计读数。实训者可通过鼠标滚轮放大界面或通过鼠标左键拖动界面来自己进行温度计的读数训练,如图3(d)所示。

(4)在巷道尺寸测量中,在同一测量点,根据不同巷道断面形状,实训测量对应巷道尺寸,并计算巷道周长和面积,如图3(e)所示。

2.4.3 巷道测定

该仿真实训环节是沿着测定路线开展各个巷道的测定工作,包括其他布置点位的压力、风速、温度、巷道尺寸数据等,其实训测量方法和井底测定一致,均为压力测量、风速测量、温度测量和巷道尺寸测量。

2.4.4 矿井负压

矿井负压数值是全矿井通风阻力大小的直观体现,设计开发了矿井负压测定场所及测定内容、方法,实训实践过程是在风井风机房通过U型压差计或压力读取装置读取矿井负压水柱。U型压差计读取方法和原理是其液面高的那一端为低压端,与矿井风洞静压口连接,另一端通大气,读出来的压差值就是矿井的负压值。实训者可进行测量接口连接和读取U型压差计数值实践操作,如图3(f)所示。

2.5 数据处理

在进行完井下通风参数测定实训后,开展数据处理仿真实训,主要包括:面积计算、风量计算、阻力计算、风阻计算、摩擦阻力系数计算、矿井总阻力计算等,如图4所示。i、j间的平均风量,m3/min。

图4 数据处理实训界面Fig.4 Training interface of the data processing

(5)总阻力计算:

式中,hr为井巷总阻力,Pa;hrij为一条通路上所有测点间的阻力值,Pa。

该仿真实训中,同时提供了各项计算的公式和计算示例,能够帮助实训者在该模块中通过示例很好地掌握通风参数测定后的数据处理方法。

2.6 网络解算

网络解算实训共包括3部分内容:网络解算介绍、解算流程和解算软件实操。该仿真模块将展示网络解算的相关内容,使实训者对在通风理论学习中不熟悉的网络解算部分有进一步的认识和了解。仿真系统中根据三维井巷风网结构、分支风阻、风机特性和自然风压等条件,进行全井巷通风网络模拟解算。

2.6.1 网络解算介绍

以公式、文字等要素对网络解算的原理和主要方法进行简要介绍,使实训者对网络解算有初步的认识,其界面如图5(a)所示。

图5 网络解算实训界面Fig.5 Training interfaces of the network

2.6.2 解算流程

以动画和实操的形式进行整个解算流程的训练,实训者录入相关测定数据和参数,解算得出各巷道及矿井通风阻力结果,锻炼实训者直观、明了地熟知和掌握解算流程,其界面如图5(b)所示。

2.6.3 解算软件

实训系统里搭载有解算软件,可实际进行通风网络的实时解算。

(1)面积计算:按巷道断面形状及实测中宽和中高计算。

(2)风量计算:

式中,Q为井巷风量,m3/min;S为井巷面积,m2;v为井巷风速,m/min。

(3)阻力计算:

式中,k'、k″为气压计Ⅰ、Ⅱ的校正系数;hi″、hj″为气压计Ⅱ在测点i、j的读数,Pa;hi'、hj'为hi″、hj″对应时间点气压计Ⅰ的读数,Pa;zi、zj为测点i、j的标高,m;ρij为测点i、j间空气密度的平均值,kg/m3;hvi、hvj为测点i、j的风压,Pa。

(4)风阻计算:

式中,Rij为测点i、j间的风阻,N·s2/m8;Qij为测点

3 创新与应用

(1)设计开发的矿山通风参数测定虚拟仿真实训系统将矿井通风参数测定场景和流程借助虚拟仿真技术手段逼真地呈现出来,构建了实验实训所需各种设备及其操作,实训者能够实时、交互地完成全部实训学习和实操过程,实现了虚拟学习和虚拟实训2项功能。虚拟实训系统将“学”与“训”相辅相成,可重复、安全、环保、成本低廉地开展通风参数测定实训实践,使相关技术人员不再局限于书本的表面知识,而能将知识与实践相结合,这对于提高工程实践能力和安全生产十分有利。

(2)该虚拟仿真实训系统已入选中国矿业大学虚拟仿真实训资源库,面向全校进行开放教学和实训。已应用于安全工程学院、采矿工程学院和继续教育学院等相关本科生的专业实验实训活动,累计承担实训工作量30 000余人时数,对专业实践培养起到了良好的支撑作用。同时,该虚拟实训资源还对社会开放共享,为矿山企业相关技术人员提供学习实训操作的机会,对通风安全类专业技术人员的实训信息化建设起到了很好的示范引领作用。

4 结 语

通风参数测定虚拟仿真实训系统利用三维仿真动画和虚拟现实技术,将通风参数测定工程实践实训的完整流程与通风基础理论知识学习进行了有机结合,实训人员可以通过动手操作身临其境地体验井巷通风参数测定全流程,使其更加深入地理解和掌握通风参数测定的相关理论知识和实测方法步骤,有效地解决了相关实训机构或工程实践中心无法真实地开展相关实验实训的问题。仿真实训系统的开发也顺应了实训信息化的发展要求,将虚拟现实技术与实训实践项目进行了深度的融合,达到了交互式实训以及通风专业理论学习与实践相结合的目的,有利于提高实训者对通风参数测定工程实践的训练效果和技能培养。