晋煤集团下保护层开采虚拟仿真技术研发

全日制硕士专业学位论文申请人姓名：郑威指导教师：袁东升、高保彬学位类别：工程硕士专业名称：安全工程研究方向：瓦斯灾害防治理论与技术河南理工大学安全科学与工程学院二○一三年六月晋煤集团下保护层开采的虚拟仿真技术研发河南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。学位论文作者签名:年月日河南理工大学学位论文使用授权声明本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权。学位论文作者签名：导师签名：年月日年月日中图分类号：TD712密级：公开UDC：622单位代码：10460晋煤集团下保护层开采的虚拟仿真技术研发Shanxicoalgroupminingundercovervirtualsimulationtechnologyresearchanddevelopment申请人姓名郑威学位类别硕士专业名称安全工程研究方向瓦斯灾害防治理论与技术导师袁东升职称教授高保彬副教授提交日期2013年4月答辩日期2013年6月5日河南理工大学致谢斗转星移，时光飞逝，岁月如梭、如歌。转眼间，两年的研究生生活即将划上一个句号；怀揣着对未来的梦想与期盼，满载着两年的磨砺与硕果，我即将踏上新的人生征程。在此离别之际，我谨以最诚挚的心情向我最敬爱的的导师袁东升教授和高保彬博士致以最崇高的敬意！在两年的研究生学习和生活期间，两位导师都给予了我悉心的指导和无私的关爱，使我的科研能力、理论水平，研究方法有了很大的提高；袁东升导师为我提供了一个很好的平台，让我有机会接触研究煤矿安全这样一个领域，平易近人的良好品质，让我在思想上能放得开；高保彬导师给予了我很多很多实践的机会，让我有机会去思考和正视自己，而且在论文成稿过程中的监督与指导，让我受益匪浅，永远都不会忘记；两位导师，你们辛苦了！感谢熊祖强老师给了我大量有益的指导和帮助，在论文的开题过程中，为我的研究方向做了有益的启示，也为我提供了良好的学习环境，学到了很多专业知识，在此，我向其表示衷心的感谢。感谢河南明德矿山技术开发有限公司的同学们，在我学习3D专业知识的过程中，是你们为我答疑解惑，耐心的帮助和指导我，让我有信心坚持到底。感谢实验室的各位同学们，每两周一次的例会，让我了解到没有接触过的知识，开阔的视野；业余的打闹，给了我太多的欢乐，让我的研究生生活不会那么枯燥。感谢我的父母，我是一个农村出来的孩子，能走到这一步，父母有太多的操劳，还有姐姐们在生活上的照顾和心理上的安慰，谢谢你们！祝所有人身体健康，万事如意！I摘要当今，社会信息化、网络化的快速发展，煤炭企业传统的采煤工艺急需向煤炭企业信息化转变。而具有多感知性、浸没感、交互性、构想性的特点的虚拟现实技术在军事、航天、医疗、游戏等领域中的应用日趋成熟，也为这些行业带来了革命性的变化；但是国内虚拟现实技术在煤炭行业的应用才刚刚起步；在这样的双重背景下，将虚拟现实技术引入到煤炭行业中应用显得尤为必要。随着浅部煤炭资源的日益枯竭，全国部分矿井逐渐进入深部开采，开采深度的增加，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井逐渐增多；煤与瓦斯突出已成为威胁煤矿安全生产的主要矿井灾害,如何采取有效措施实现安全高效开采成为摆在采矿工作者面前的重要任务。在各项研究成果中表明，对煤层群开采而言，保护层开采是预防煤与瓦斯突出最有效经济的区域性预防突出技术措施。但保护层采出后，围岩原始应力平衡状态打破，会出现采出煤层的顶底板岩体向采空区方向移动，发生破碎、垮落、下沉、底鼓等现象，而这些现象，对于保护层开采的效果考察及分析，都有着至关重要的作用。然而，由于煤矿作业环境的特殊性，导致保护层开采的研究工业一直都不甚理想。针对以上情况，本文将虚拟现实技术应用到保护层开采上来。在保护层开采前、保护层开采中以及保护层开采后的整个过程中涉及到的大量的三维立体空间关系和数据信息，如果利用虚拟现实技术将保护层开采的整个过程模拟出来，让它真三维可视化的呈现在用户面前，可以让研究过程及结果逼真的展现；不仅便于观察和理解，而且通过集成相关数据信息进行综合分析判断，可发现矿山生产过程中的安全隐患。本文以晋煤集团下保护层开采的项目为依托，通过对保护层开采前后的巷道变形量的观测,建立巷道变形数据库；采用3DSMax的场景建模方法以及OpenSceneGraph和VisualC++混合编程的驱动引擎手段来构建保护层开采虚拟仿真系统，实时的通过三维立体的方式直观地将保护层开采的整个过程表现出来；并在这个过程中，详细的介绍了整个巷道系统的3DSMax建模方法和步骤，在此基础上进行拓展，研究更加有效巷道场景构建过程。最后结合工程应用，整合出下保护层开采的虚拟仿真系统。关键词：虚拟现实；保护层开采；3DSMax；OpenSceneGraphIIIAbstractNowadays,thesocialinformationandnetworkdevelopsofast,thecoalenterprisetraditionalcoalminingprocessneedtoexchangetocoalenterpriseinformation.AndthetechnologyofVirtualWorld,featuresofsentience,immersionfeeling,interactivityandimagination,isbecomingmorematureinmilitary,aerospace,medical,game,andsoon.Italsotookrevolutionarychangesforthesefields;butthedomesticvirtualrealitytechnologyincoalenterpriseapplicationhasjuststarted;Insuchadualbackground,itisverynecessarytointroducethevirtualrealitytechnologyintominingindustry.Astheshallowcoalresourcesincreasinglydepleted,thenationalpartoftheminegraduallyintothedeepminingofmine,theincreaseofminingdepth,thighgasandcoalandgasoutburstminegraduallyincreased.Coalandgasoutbursthasbecomethemajordisasterthatthreatenthesafetyproductionofcoalmine,thenhowtotakeeffectivemeasuresandachievesafeandefficientminingturnintovitaltaskforminingworkers.Theresearchresultsshowthat,forcoalseamgroupmining,protectivelayerminingiscost-effectiveregionalpreventiontechnicalmeasurestopreventcoalandgasoutburst.Butafterthecoverhasbeenmined,stateofequilibriumoflayerofrockstresshasbeenbroken,coalseamroofandfloorrockmasswillmovetogob,withcrushing,caving,sinkingandpucking.Yetthesephenomena,hasavitalrolefortheeffectofprotectivelayermininginvestigationandanalysis.Duetotheparticularityofcoalmineworkingenvironment,theresearchofprotectivelayerminingindustryhasbeenverynotideal.Accordingtotheabovesituation,thispaperappliesvirtualrealitytechnologytominingprotectivelayer.Before,inprotectivelayerminingandafterprotectivelayermining,thewholeprocessinvolveslotsof3Dspatialrelationshipanddatainformation.Ifweusevirtualrealitytechnologytosimulatethewholeprocessofprotectivelayermining,andmakeitreallyappearsinfrontofusersof3dvisualization,theresearchprocessandresultswillvividdisplay.Notonlyconvenientforobservationandunderstanding,Andcomprehensiveanalysisandjudgment,byintegratingrelateddatainformation,wecanfoundpotentialsafetyhazardofMineproductionprocess.Inthispaper,withtheprotectivelayerminingundertheconditionsofthejincoalgroupbasedonproject,bymeansofprotectivelayerminingroadwaydeformationbeforeandafterIVtheobservation,roadwaydeformationdatabases;Using3dsMaxscenemodelingmethodandtheOpenSceneGraphandVisualc++mixedprogrammingmeansofenginedriventobuildavirtualmineproductionsystem,inrealtimebymeansofthreedimensionalintuitivetoshowthewholeprocessofprotectivelayermining;Andintheprocess,detailedlyintroducedtheroadwaysystemofthewholeproductionsoftwares3DsMaxmodelingmethodsandsteps,expandonthisfoundation,studymoreeffectiveroadwayscenebuildprocess.Finallycombinedwiththeengineeringapplication,integrationofprotectivelayerminingunderthevirtualsimulationsystem.Keywords：virtualreality；Covermining；3DSMax；OpenSceneGraph；V目录摘要...............