[發(fā)明專利]全時空采掘過程的礦山應(yīng)力場孿生建模同化系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210312223.6
• 申請日: 2022-03-28
• 公開（公告）號: CN114708393B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊威;魏則寧;馮英特;張文曉;王文元
• 申請（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06T17/05
• 分類號: G06T17/05;G06Q50/02;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 李悅聲

本發(fā)明涉及一種全時空采掘過程的礦山應(yīng)力場孿生建模同化系統(tǒng)及方法，屬于數(shù)字孿生同化反演技術(shù)領(lǐng)域。包括數(shù)字模型單元、物理模型單元及人機交互單元。數(shù)字模型單元有等比例三維地質(zhì)模型、礦山歷史同化模型、可信數(shù)字孿生模型，物理模型單元涵蓋地層、礦井各采面巷道系統(tǒng)，人機交互單元有信息數(shù)據(jù)庫、軟件模擬監(jiān)控界面。本發(fā)明通過軟件建立模型、同化技術(shù)優(yōu)化模型運行、數(shù)字孿生技術(shù)互聯(lián)物理實體與虛擬模型，能夠建立與實際更貼合的面向全時空采掘過程的礦山地應(yīng)力場孿生模型，同時根據(jù)真實物理場景監(jiān)測數(shù)據(jù)，在虛擬空間模型中進(jìn)行仿真預(yù)采，旨在掌握礦井采掘過程中應(yīng)力場的時空演化規(guī)律，為礦井安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種全時空采掘過程的礦山應(yīng)力場孿生建模同化系統(tǒng)及方法，屬于數(shù)字孿生與同化反演技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著礦井淺部煤炭資源的日漸枯竭，為保障能源供應(yīng)，我國礦井開采深度持續(xù)增加，例如中東部區(qū)域以10～25m/a的速度向深部推進(jìn)，深度達(dá)到800～1000m，并有多座千米深井。隨著開采深度的增加，地應(yīng)力也持續(xù)增加。研究表明地應(yīng)力是煤礦開采等地下工程圍巖變形與破壞的根本驅(qū)動力，是導(dǎo)致煤與瓦斯突出、沖擊地壓等災(zāi)害的最主要影響因素之一，地應(yīng)力越高、變化越劇烈，突出危險性就越大。我國突出煤層中地應(yīng)力主導(dǎo)型的突出事故日趨增多，不利于礦井安全高效生產(chǎn)建設(shè)。

煤炭資源開采過程中，不可避免地產(chǎn)生采動響應(yīng)，而實際生產(chǎn)過程中礦井采掘接替順序?qū)?dǎo)致初始地應(yīng)力場發(fā)生改變，圍巖中應(yīng)力集中分布情況的變化，易誘發(fā)沖擊地壓、巷道圍巖大變形等動力災(zāi)害事故。

雖然地應(yīng)力是導(dǎo)致動力災(zāi)害的最主要因素之一，但是傳統(tǒng)的地應(yīng)力測試方法(如應(yīng)力恢復(fù)法、鉆孔套芯應(yīng)力解除法、水壓致裂法等)操作繁瑣、技術(shù)難度較大、測試精度較低，因此，長期以來地應(yīng)力未能成為開采擾動下突出事故預(yù)警與防治的有效參數(shù)。

當(dāng)前計算機模擬技術(shù)與大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展為突出礦井動力災(zāi)害防治提供了新思路與新方法：一方面，通過全面調(diào)研與綜合分析礦區(qū)的勘探、建設(shè)、開采、維護(hù)等相關(guān)歷史資料，并結(jié)合計算機的超高模擬運算能力建立大尺度全時空礦區(qū)數(shù)值模型，反演礦區(qū)的采掘工作，實現(xiàn)礦井全開采周期的大尺度數(shù)值仿真，分析采掘應(yīng)力場的分布和演化規(guī)律；同時結(jié)合礦區(qū)的動力災(zāi)害歷史資料及當(dāng)前工作面的實測數(shù)據(jù)對比模型運算結(jié)果，提高同化分析數(shù)值計算的準(zhǔn)確性與可信度，為采掘應(yīng)力場的演變分析提供技術(shù)支持；另一方面，將先進(jìn)的數(shù)字孿生技術(shù)與當(dāng)代煤礦開采結(jié)合，推動煤礦的廣泛智能分析與仿真控制優(yōu)化成為研究熱點，

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種全時空采掘過程的礦山應(yīng)力場孿生建模同化系統(tǒng)及方法，通過將同化反演技術(shù)優(yōu)和數(shù)字孿生技術(shù)先進(jìn)理念相結(jié)合，能夠建立與實際更貼合的三維全礦井地層模型，并通過同化技術(shù)充分挖掘歷史實測數(shù)據(jù)價值，進(jìn)一步優(yōu)化模型運算結(jié)果，進(jìn)而提高應(yīng)力反演的準(zhǔn)確度、精細(xì)度，同時根據(jù)真實物理場景監(jiān)測數(shù)據(jù)，在虛擬空間模型中進(jìn)行仿真預(yù)采，旨在掌握礦井采掘全生命周期中應(yīng)力場的時空演化規(guī)律，為礦井安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種面向全時空采掘過程的礦山應(yīng)力場孿生建模同化系統(tǒng)，包括數(shù)字模型單元、物理模型單元及人機交互單元，人機交互單元實現(xiàn)數(shù)字模型單元與物理模型單元之間的數(shù)據(jù)交互共享，搭建起雙向信息流動通道，保證孿生系統(tǒng)物理實體和虛擬模型的一致性，提供虛實同步、反饋監(jiān)控的功能；

數(shù)字模型單元：首先運用軟件建模技術(shù)根據(jù)礦企建井資料搭建等比例三維地質(zhì)模型，然后運用同化反演技術(shù)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練地質(zhì)模型得到礦山歷史同化模型、最后運用數(shù)字孿生技術(shù)通過實測的礦山物理實體狀態(tài)參數(shù)映射到歷史同化模型中得到可信數(shù)字孿生模型；

物理模型單元：用以記載礦井區(qū)域的地層、礦井各采面巷道系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；

人機交互單元：包括信息數(shù)據(jù)庫、命令流編輯器、模擬監(jiān)控界面；將礦企建井資料、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)以及孿生數(shù)據(jù)，包括物理實體屬性值、現(xiàn)場實測值、傳感器數(shù)據(jù)均輸入至信息數(shù)據(jù)庫，然后通過編寫命令流實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的加工處理更新，最終反饋到模擬監(jiān)控界面以供查詢管控。