矿井工作面二次平台参数化设计方法与流程

本发明属于工程仿真，涉及矿井工作面二次平台参数化设计方法。

背景技术：

1、数值模拟能够较为准确的反映现场风流场及割煤、移架等工序不同尘源产尘扩散状况，被国内外学者大量应用于矿井工作面尘源粉尘污染扩散规律方面的研究和分析。但现有的模拟研究大多是针对某一具体煤矿某一特定工作面，移植性差，若要全面反映多个工作面的产尘情况，则需要多次建模模拟，延长了研究周期。

2、现有技术中还没有一套可广泛应用于煤矿粉尘防治领域的工程应用、工艺设计研究、粉尘职业危害防治措施鉴定、能真实模拟煤矿井下主要产尘点环境进行粉尘防治条件数值仿真的实验系统。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出粉尘运移规律分析的二次开发平台，基于ansysworkbench开发自动化参数设计平台，对矿井综掘工作面、综采工作面、转载点巷道、锚喷巷道进行参数化建模、计算并模拟，即只需改变环境及设备条件，直接进行仿真、给出仿真结果，而无需重新建模、网格划分，实现快速对采煤工作面、掘进工作面、锚喷作业点、运输及转载点工况的粉尘浓度场、风流速度场、粒径空间分布的流体数值仿真，得到工作面的粉尘随时间的运动规律；整个过程工作量小、时间短、风险低，同时具备很好的通用性。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种矿井工作面二次平台参数化设计方法，包括：

4、基于ansys workbench开发针对矿井工作面的自动化参数设计平台；

5、构建矿井工作面的拓扑空间关系；

6、对矿井综掘工作面、综采工作面、转载点巷道、锚喷巷道进行参数化建模、计算并模拟。

7、进一步，所述针对矿井工作面的自动化参数设计平台的各功能间相互开放并共享数据，采用“起始页(start page)”和“项目页(project page)”结构，定制针对矿井工作面二次开发的工作环境；所述起始页是进入workbench环境的入口，用于对数据的创建和访问进行流程化处理；所述项目页是workbench的项目管理工具，用于对模型、输入输出记录、处理结果、文档、以及其它储存的任何内容进行储存和恢复；利用workbench数据库存储仿真项目的所有信息，并记录与每一个功能相关的文件和共用的项目数据。

8、进一步，所述矿井工作面的拓扑空间关系具体为：

9、矿井工作面的巷道为井下三维空间实体，巷道空间对象之间为三维拓扑空间关系；巷道间拓扑关系属于线状对象之间拓扑空间关系，其三维拓扑空间关系最小集的互斥性与完备性表现为相邻、包含、相交、部分覆盖、相离5种基本拓扑空间关系；

10、设三元组(a，r，b)表示三维巷道内空间对象a和b间存在关系r，定义此三元组为一个事实(fact)，事实可通过布尔运算交(∧)或并(∨)进行组合；

11、若三维空间任意两条空间a和b分别由线段la1，la2，…，lam和lb1，lb2，…，lbn组成，lam和lbn之间的距离定义为lam上的点pa与lbn上的点pb之间距离的最小值，表示为d(lam，lbn)＝min{d(pa，pb)pa∈lam，pb∈lbn}，令dmn＝dab(a，b)，则dab(a，b)＝min{d11，d12，…，dmn}；

12、根据井下实际，取阈值为λ，得到巷道三维拓扑空间关系最小集的形式化定义：

13、相离关系<a，disjoint，b>：dab(a，b)>λ；

14、相邻关系<a，touch，b>：0<dab(a，b)<λ；

15、相交关系<a，cross，b>：(dab(a，b)＝0)∧(dim(a∩b)＝0)；

16、部分覆盖关系<a，overlap，b>：(dab(a，b)＝0)∧(dim(a∩b)＝1)∧(a∩b≠a)∧(a∩b≠b)；

17、包含关系<a，in，b>：(dab(a，b)＝0)∧(dim(a∩b)＝1)∧((a∩b＝a)∨(a∩b＝b))；

18、其中λ为实际存在的两条空间的最小距离或小于最小距离，对于不同空间，其取值不同；

19、对相离关系，a∩b＝υ，不拓扑求交；

20、对相邻关系，设a和b在xy面投影为axy和bxy，则a与b在xy投影面的拓扑交点为pxypxy＝axy∩bxy，再计算pxy在a上的z坐标，得到三维点pa，同理可得pb，从而得到三维空间a和b的拓扑交点pp＝(pa+pb)/2；

21、对相交关系，可得a与b三维拓扑交点pp＝a∩b；

22、对部分覆盖关系，则a取a-(a∩b)，b不变，或b取b-(a∩b)，a不变；

23、对包含关系，若a∈b，则a取υ，b不变，反之，则b取υ，a不变。

24、依据原始形成的巷道三维拓扑空间关系最小集表现为：在空间数据表示上为二维投影平面上两两相交却在三维空间两两相离，表现为悬线和短悬线、重复线、邻近点；在从定量空间计算，其空间度量关系定性表示为邻近，进行空间三维拓扑求交，交点相当于三维空间拓扑网络的顶点；利用这类交点将空间的所有组成角点划分为若干个区间，每个区间相当于拓扑网络的一条边。

25、进一步，所述对矿井综掘工作面进行参数化建模、计算并模拟，具体包括以下步骤：

26、在矿井工作面的自动化参数设计平台的起始页中点击综掘面数值仿真子系统按钮，弹出综掘面设置界面，设置本次仿真分析的工程名称、工作路径及并行核数；自动启动ansys workbench开始如下仿真分析计算：

27、a1：对综掘面粉尘扩散空间进行简化，具体包括：

28、将作业空间视为一定长度的标准光滑梯形巷道，忽略锚杆等突出物和超挖欠挖造成的表面不平；

29、将掘进机、皮带、风筒及除尘器视为规则的几何形体的组装；

30、忽略作业空间中风管、水管、堆积物料的影响；

31、a2：将掘进巷道的横断面模拟成净宽×净高的梯长方体，巷道长为50m；巷道右帮悬挂压风筒，风筒的直径为0.6m，风筒轴线到巷道底板高2.5m，出风口距迎头5m；

32、a3：综掘面参数化网格划分程序自动进行网格划分，计算网格质量数为130万，网格质量为0.2；

33、a4：在workbench软件平台中使用update project功能，自动执行包括几何模型生成、网格划分、求解模型设置、执行计算完整计算流程，并自动提取仿真结果，包括：粉尘浓度分布、风流线分布、风速分布、压强分布。

34、进一步，所述对矿井综采工作面进行参数化建模、计算并模拟，具体包括：

35、在矿井工作面的自动化参数设计平台的起始页中点击综采面数值仿真子系统按钮，弹出综采面设置界面，设置本次仿真分析的工程名称、工作路径及并行核数；自动启动ansys workbench开始如下仿真分析计算：

36、b1：对综采面粉尘扩散空间进行简化，具体包括：

37、将作业空间视为一定长度的标准光滑梯形巷道，忽略锚杆等突出物和超挖欠挖造成的表面不平；

38、将采煤机、支柱视为规则的几何形体的组装；

39、忽略作业空间中风管、水管、堆积物料的影响

40、b2：将掘进巷道的横断面模拟成净宽×净高的梯长方体，巷道长为107m；

41、b3：建立综采面场景及设备模型，包括含煤层的综采工作面、含刮板输送机的采煤机、液压支架、破碎机、皮带输送机、喷雾管道及喷嘴；

42、b4：综采面参数化网格划分程序自动进行高质量网格划分，计算网格质量数为220万，网格质量0.18；

43、b5：在workbench软件平台中使用update project功能，自动执行包括几何模型生成、网格划分、求解模型设置、执行计算完整计算流程，并自动提取仿真结果，包括：粉尘浓度分布，风流线分布、风速分布、压强分布。

44、进一步，所述对矿井转载点巷道进行参数化建模、计算并模拟，具体包括：

45、在矿井工作面的自动化参数设计平台的起始页中点击转载点巷道数值仿真子系统按钮，弹出转载点巷道设置界面，设置本次仿真分析的工程名称、工作路径及并行核数；自动启动ansys workbench开始如下仿真分析计算：

46、c1：将转载点巷道的横断面模拟成净宽×净高的长方体，巷道长为40m；巷道右帮悬挂压风筒，风筒的直径为0.6m，风筒轴线到巷道底板高3.2m，出风口距迎头5m；将人简化为圆柱体；

47、c2：建立综采面场景及设备模型，包括含煤层的综采工作面、含刮板输送机的采煤机、液压支架、破碎机、皮带输送机、喷雾管道及喷嘴；

48、c3：转载点参数化网格划分程序自动进行高质量网格划分，计算网格质量数为112万，网格质量0.25；

49、c4：在workbench软件平台中使用update project功能，自动执行包括几何模型生成、网格划分、求解模型设置、执行计算完整计算流程，并自动提取仿真结果，包括：粉尘浓度分布，风流线分布、风速分布、压强分布。

50、进一步，所述对矿井锚喷巷道进行参数化建模、计算并模拟，具体包括：

51、在矿井工作面的自动化参数设计平台的起始页中点击锚喷巷道数值仿真子系统按钮，弹出锚喷巷道设置界面，设置本次仿真分析的工程名称、工作路径及并行核数；自动启动ansys workbench开始如下仿真分析计算：

52、d1：将锚喷巷道的横断面模拟成净宽×净高的长方体，巷道长为40m；巷道右帮悬挂压风筒，风筒的直径为0.6m，风筒轴线到巷道底板高3.2m，出风口距迎头5m；将人简化为圆柱体；

53、d2：建立综采面场景及设备模型，包括综采工作面(含煤层)、采煤机(含刮板输送机)、液压支架、破碎机、皮带输送机、喷雾管道及喷嘴；

54、d3：锚喷面参数化网格划分程序自动进行高质量网格划分，计算网格质量数为342万，网格质量0.12；

55、d4：在workbench软件平台中使用update project功能，自动执行包括几何模型生成、网格划分、求解模型设置、执行计算完整计算流程，并自动提取仿真结果，包括：粉尘浓度分布，风流线分布、风速分布、压强分布。

56、本发明的有益效果在于：本发明只需直接输入不同的结构尺寸(如巷道尺寸、除尘器位置等)及边界条件(如压风量、抽风量、初始浓度等)，即可直接进行仿真、给出仿真结果，而无需重新建模、网格划分，实现快速对采煤工作面、掘进工作面、锚喷作业点、运输及转载点工况的粉尘浓度场、风流速度场、粒径空间分布的流体数值仿真，所有结果趋势与实际的规律一致，对工作面防尘措施模拟误差达到了30％以内，将矿井工作面防尘设计、防尘效率评价等最优化时间从月旬缩减到几天，大大提高了研究者的工作效率，降低了研发机构的成本。

57、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。