一种煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法技术

本发明专利技术属于煤矿安全生产及采矿工程技术领域，具体涉及一种煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法。根据煤矿采场空间的地质力学模型，高性能计算机可实时地计算出每个回采步距的全场应力及冒落状态，再通过虚拟现实仪的人机交互，可在三维沉浸式环境中靠近虚拟环境中的岩层，任意放大拉伸岩层结构，可以近距离观察岩层及缝隙，并可以进入岩层内部，从不同角度了解整个采场围岩的应力集中、顶板损伤破裂的位置、状态。根据在虚拟现实仪中的交互观察情况，与预警阈值(位移、顶板破坏冒落高度、应力集中程度、地表沉降影响范围)对比，进而对回采工作面的采掘进度及采场设计做出实时调整决策。

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法
本专利技术属于煤矿安全生产及采矿工程
，具体涉及一种煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法。
技术介绍
在煤层开回采期间，顶板岩层的应力分布及其损伤破坏是动态、实时演化的，而煤层、岩层又具有不可透视性，所有的应力及裂隙演化是在回采卸荷诱发条件下“隐藏”的进行的，不可能直视其演化过程，而且这个演化过程是在三维、采场全场空间内进行的。而常规的监测手段，往往局限于对某一点的监测，且难以对应力及裂隙演化做出预测。高性能计算技术可以实现对任何地质力学模型的大规模、快速有效分析，虚拟现实技术可以实现对地质力学模型内部信息的沉浸接触式感知，充分利用高性能计算技术及虚拟现实技术可望能够对煤矿顶板应力场及冒落带裂隙演化做出全场快速的实时反馈识别。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种经济、有效的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法。本专利技术的技术方案是：一种煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，包括以下步骤：S1：对回采工作面现场数据进行整合分析；S2：在普通PC机或图形工作站上建立含回采工作面、顶底板岩层、煤层的地质力学模型；S3：将地质力学模型数据传输至并行计算机系统；S4：在计算机上进行回采过程中顶底板应力场及顶板冒落带的计算分析；S5：将计算机计算得到的数据结果进行转换，转换成虚拟现实仪可识别的数据格式；S6：在虚拟现实仪上进行回采工作面回采过程及顶底板破坏过程虚拟显现；S7：根据计算结果以及虚拟现实场景跟踪分析结果，指导回采作业工作。所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，在S1步骤中，对回采工作面现场数据进行整合分析，包括空间几何尺寸、岩层物理力学参数、岩层发育参数、回采工作面起始坐标、回采步距、地应力参数。所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，岩层为煤层、顶板或底板，物理力学参数为模量、泊松比、粘聚力、抗拉强度或密度，岩层发育参数为厚度、倾角或走向，地应力参数为最大水平地应力、最小水平地应力或垂直地应力。所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，在S2步骤中，根据现场数据整合分析单元提供的数据，建立有限元模型，包括剖分的网格数目、模型的外边界、模型的内边界。所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，在S3步骤中，将PC机建模单元的数据，包括有限元节点坐标、有限元节点初始节点力、单元物理力学参数，压缩打包，使用PC机Windows系统的telnet功能，与计算机进行登录链接，利用FTP传输技术，将打包文件传输至计算机计算单元。所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，单元物理力学参数为模量、泊松比、粘聚力、抗拉强度或密度。所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，在S4步骤中，给出对模型计算的分块数，分块数小于等于计算机CPU数目，之后启动计算进程，开始计算；计算得到模型节点位移、节点应力以及单元破坏情况，单元破坏情况为弹性未损伤、局部损伤或完全断裂3种状态。所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，在S5步骤中，利用3DMAX、玛雅、Virtools或OpenGL图形图像处理软件及技术，将计算机计算单元计算得到的模型的节点坐标、节点位移、节点应力以及单元破坏情况转换成虚拟现实仪需要的文件格式。所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，在S6步骤中，工程师通过鼠标及虚拟现实仪的交互设备控制深部岩体岩层裂缝发生及运动的演示过程，在三维沉浸式环境中靠近虚拟环境中的岩层，任意放大、拉伸岩层结构，近距离观察岩层及缝隙，并进入岩层内部，从不同角度，了解整个采场围岩的应力集中、产生损伤及失稳破裂的情况。所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，在S7步骤中，根据在虚拟现实仪中的交互、观察情况，与预警阈值对比，对回采工作面的采掘进度实时做出调整决策；其中，预警阈值为位移、顶板破坏冒落高度、地表沉陷影响范围或应力集中程度。本专利技术的优点及有益效果是：1、本专利技术煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，充分结合和发挥高性能计算和虚拟现实技术的特点，可从不同角度了解整个采场围岩的应力集中、顶板损伤破裂的位置、状态。与预警阈值(位移、顶板破坏冒落高度、应力集中程度、地表沉降影响范围)相结合，可对回采工作面的采掘进度及采场设计做出实时调整决策。2、本专利技术方法对于优化煤矿回采设计，减少煤矿资金投入，保障矿山安全生产具有较高的经济价值和社会意义。附图说明图1是本专利技术的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法流程图；图2是高性能计算机的硬件组成和结构图；图3是工作面推进至一定距离时的顶板局部冒落及离层计算结果图；图4是工作面进一步推进时的顶板大面积冒落范围计算结果图；图5是顶板局部冒落及离层诱发的应力场分布计算结果图；图6是顶板大面积冒落时的应力场分布计算结果图；图7是在虚拟现实仪中虚拟感知的巷道环境图；图8是在虚拟现实仪中判断的顶板及巷道危险块体图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本专利技术实施例做进一步详细说明。在此，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。如图1所示，本专利技术煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，包括以下步骤：S1：对回采工作面现场数据进行整合分析，包括空间几何尺寸、岩层(煤层、顶板、底板)物理力学参数(包括模量、泊松比、粘聚力、抗拉强度、密度)、岩层发育参数(厚度、倾角、走向)、回采工作面起始坐标、回采步距、地应力参数(最大水平地应力、最小水平地应力、垂直地应力)。S2：在普通PC机或图形工作站上建立含回采工作面、顶底板岩层、煤层的地质力学模型：根据现场数据整合分析单元10提供的数据，建立有限元模型，包括剖分的网格数目、模型的外边界、模型的内边界。S3：将地质力学模型数据通过数据传输模块30传输至高性能并行计算机：将PC机建模单元20的数据，包括有限元节点坐标、有限元节点初始节点力、单元物理力学参数(包括模量、泊松比、粘聚力、抗拉强度、密度)，压缩打包，使用PC机Windows系统的telnet功能，与高性能计算机进行登录链接，利用FTP传输技术，将打包文件传输至高性能计算机计算单元40，如图2所示。S4：在高性能计算机(高性能计算机是指：含有多个计算结点，每个计算结点含多个CPU，计算规模与计算容量明显高于普通PC机、并且可以处理并行计算程序的大型计算机)上进行回采过程应力场及顶板冒落带的计算分析：给出对模型计算的分块数(分块数小于等于高性能计算机CPU数目)，之后启动计算进程，开始计算。计算可以得到模型节点位移、节点应力以及单元破坏情况(包括弹性未损伤、局部损伤、完全断裂3种状态)，如图3、图4、图5和图6所示。S5：将高性能计算机(高性能计算机是指：含有多个计算结点，每个计算结点含多个CPU，计算规模与计算容量明显高于普通PC机、并且可以处理并行计算程序的大型计算机)计算得到的数据结果通过数据转换模块50进行转换，转换成虚拟现实仪可识别的数据格式：利用3DMAX、玛雅、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：对回采工作面现场数据进行整合分析；S2：在普通PC机或图形工作站上建立含回采工作面、顶底板岩层、煤层的地质力学模型；S3：将地质力学模型数据传输至并行计算机系统；S4：在计算机上进行回采过程中顶底板应力场及顶板冒落带的计算分析；S5：将计算机计算得到的数据结果进行转换，转换成虚拟现实仪可识别的数据格式；S6：在虚拟现实仪上进行回采工作面回采过程及顶底板破坏过程虚拟显现；S7：根据计算结果以及虚拟现实场景跟踪分析结果，指导回采作业工作。

【技术特征摘要】
1.一种煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：对回采工作面现场数据进行整合分析；S2：在普通PC机或图形工作站上建立含回采工作面、顶底板岩层、煤层的地质力学模型；S3：将地质力学模型数据传输至并行计算机系统；S4：在计算机上进行回采过程中顶底板应力场及顶板冒落带的计算分析；S5：将计算机计算得到的数据结果进行转换，转换成虚拟现实仪可识别的数据格式；S6：在虚拟现实仪上进行回采工作面回采过程及顶底板破坏过程虚拟显现；S7：根据计算结果以及虚拟现实场景跟踪分析结果，指导回采作业工作。2.按照权利要求1所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，其特征在于，在S1步骤中，对回采工作面现场数据进行整合分析，包括空间几何尺寸、岩层物理力学参数、岩层发育参数、回采工作面起始坐标、回采步距、地应力参数。3.按照权利要求2所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，其特征在于，岩层为煤层、顶板或底板，物理力学参数为模量、泊松比、粘聚力、抗拉强度或密度，岩层发育参数为厚度、倾角或走向，地应力参数为最大水平地应力、最小水平地应力或垂直地应力。4.按照权利要求1所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，其特征在于，在S2步骤中，根据现场数据整合分析单元提供的数据，建立有限元模型，包括剖分的网格数目、模型的外边界、模型的内边界。5.按照权利要求1所述的煤矿顶板应力场及冒落带的全场快速实时反馈识别方法，其特征在于，在S3步骤中，将PC机建模单元的数据，包括有限元节点坐标、有限元节点初始节点力、单元物理力学参数，压缩打包，使用PC机Windows...

【专利技术属性】
技术研发人员：李连崇，余国锋，陈本良，任波，薛俊华，杨天鸿，朱万成，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21