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机电与自动化
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矿山环境非常复杂，矿山数据来源广、形式多样。如何将大量数据转换为信息是采矿工程特别是智能采矿时代需要解决的重要问题。微震监测已经被广泛应用于冲击地压(岩爆)矿山，微震事件信息量大、模式复杂，并且与矿井开采活动密切相关，将矿山地质信息、采掘工程活动和微震数据进行三维可视化综合集成，为矿山深部微震活动及其与开采响应研究提供有效的手段，并成为采矿安全管理的一个有机组成部分，是矿山微震监测分析方面的关键问题和发展方向。
虚拟现实技术(VR)已被证明有利于开发三维矿山地质模型和矿山开采模型。早期采矿研究人员主要应用VR开发矿山安全培训系统[1-4]。该类系统以模拟矿山生产环境和工艺为主，不涉及矿山生产的数据分析和决策。加拿大劳伦森大学采矿创新/地质力学研究中心(MIRARCO)率先提出了应用VR解决矿山开采中的复杂工程问题，开发了沉浸式VR系统以增强微震监测数据展示和分析过程，从而评估微震数据并制定安全高效的采掘计划[5-7]。Vasak等[8]使用VR开发了采矿微震危险区划系统，在微震数据分析的基础上进行岩爆危险性评估。Mostafa等[9]通过应用代理交互和空间输入设备来简化操作者在虚拟现实系统中的导航方式，解决了矿山3D空间导航和定向问题。TIBBETT等[10]开发了崩落采矿法可视化模块，该模块将微震监测数据等集成于采矿工艺系统中，用以分析和指导采矿工作。SEYMOUR等[11]提出了利用VR分析微震监测数据从而改进矿压控制工作的方案。ONSEL等[12]展望了VR在岩石力学与工程方面的研究和应用范畴，其中包括了微震监测分析。谢嘉成等[13]对国内外虚拟现实技术在煤矿虚拟场景仿真、虚拟现实监测监控、虚拟规划方法和“VR+AR”技术融合设计等应用领域进行了回顾，剖析了其在应用中存在的困难和问题，明确提出了虚拟现实技术应整合多技术手段进行融合设计，并实施“四步走”战略。上述研究表明,VR正在迅速转变为数据分析的重要技术手段，以解决高度复杂的工程问题，特别是用于理解复杂的深部采矿动力学问题。我国在微震监测平台研发方面开展了大量研究和工程实践[14-19]，主要集中于如何根据微震监测数据进行冲击地压危险性的预测和预警，以传统的图形显示技术对结果进行展示，未涉及到VR技术，无法为用户展现更为真实的采矿环境背景信息，也影响了数据分析和决策支持的效果。
为了改进目前采矿工程特别是煤矿开采领域微震监测分析系统的不足，笔者介绍了基于Unity3D虚拟现实引擎的微震监测分析虚拟现实系统。Unity3D是目前最热门的VR虚拟现实引擎，利用Unity3D引擎，结合三维模型自动生成算法和数据库技术，开发将煤矿地质、采掘数据与微震监测数据以三维可视化的形式展现出来，工作人员可以更加直观清晰地看到微震的空间分布、能量特征，并与相关的地质信息和采矿信息相对应进行分析，从而增强微震信息对矿井采掘和冲击地压防治工作的支撑，为煤矿安全生产进行有效的指导。
Unity3D软件是Unity Technologies开发的多平台集成式虚拟现实开发引擎。Unity3D是目前最热门的VR虚拟现实引擎。它整合了多种DCC文件格式，渲染底层支持DirectX和OpenGL，支持NVIDIAPhysX物理引擎，可模拟包含刚体&柔体、关节物理、车辆物理等。引擎脚本编辑支持Java、C#、Boo 三种脚本语言，可创造功能强大的交互内容。可视化脚本编辑语言u具有高度的友好界面、整合性高、功能强大、修改容易等特点，具有逼真的粒子系统和智能界面设计，可在iOS、Android、Wii、Xbox360、PS3多平台发布。Unity3D为VR虚拟现实效果的实现提供了强大支持。
Unity3D是目前顶级的虚拟现实引擎之一，与其表现力相当的引擎有UnrealEngine 4、CryEngine 3，这2款引擎使用复杂，需要较高的C++基础，对使用者要求较高，因而使用Unity3D开虚拟仿真系统是表现力好且最为有效开发方式。
微震监测虚拟现实系统主要包括能够显示信息结果的软件部分和能够输入数据、存储数据、调用数据的数据库部分。开发流程包括建立模型、编写脚本添加功能、建立和连接数据库，如图1所示。
图1 系统开发技术路线
Fig.1 Technical route of system development
1)模型建立。该项工作是整个系统开发的基础，主要根据地质测量数据和采掘工程数据，在Unity3D引擎中，通过插值算法，定距离取样，生产规则GRID点阵列，进而生成规则MESH模型(图2)，最后逐单元为MESH增设高度，生成标准单元化地质模型(图3)。标准单元化地质模型比常规的Delaunay法建立的三角面模型更加容易控制，可为每个单元制作隐藏开关，方便模拟开采过程。本研究中三维地质模型，主要利用研究区域的地质平剖面图、钻孔柱状图、地质编录等数据真实还原研究区域的地层、构造、采场形态。模型建立之后，通过编写对应的shader来对三维模型添加材质，使三维模型可以高度还原研究区域的信息。
图2 规则MESH模型
Fig.2 Regular mesh model
图3 标准单元化煤层模型
Fig.3 Standard unit coal seam model
2)编写脚本。信息集成与查询。对外部数据如结构面摄影测量、钻孔摄像和孔内雷达等多元勘探数据的三维重构。对重构后的三维模型，集成到虚拟现实系统之中。建立搜集数据的数据库，通过虚拟现实平台模型与数据库ADO接口，将模型与数据库进行连接。
3)数据库的建立与连接。使用SQL Server建立采掘工程数据、微震监测数据库的管理。SQL Server具有非常良好的图形化用户界面和丰富的编程接口工具。利用SQL Server软件建立数据库存储数据，编写调用数据的脚本，使系统可以在数据库中自由调取所需要的采掘数据、微震监测数据，将数据库整合到系统当中，完善整个系统。
4)交互控制系统。通过虚拟现实系统自带脚本语言，利用鼠标键盘、体感交互设备、智能手机触摸板等方式实现数据馈送与交互控制，如模型的显示与隐藏、动画播放、虚拟漫游和属性查询。
义马煤田位于河南省西部义马市、渑池县境内，目前分布有千秋、常村、跃进、杨村、耿村5对生产矿井，深受冲击地压灾害威胁。目前各矿井都建设有微震监测系统。前人对大型地质体控制下多工作面开采微震进行了大量研究，但是多集中在同一矿井内的采区(盘区)尺度[20]，基于国家重点研发计划《煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究》中的课题“大型地质体控制型矿井群冲击地压协同防控方法与技术”，从矿井群的角度开展工作，研究区域位于义马煤田东部的跃进和常村煤矿(图4)，其中跃进井田面积约22.3 km2，常村井田面积13.1 km2。
图4 矿井位置
Fig.4 Location of mines
研究区域内含煤地层主要位于中侏罗统义马组，主要分为2-1煤层和2-3煤层，在跃进井田南部和常村井田西南部有局部合并。上部发育有中侏罗统马凹组和上侏罗统地层，主要是巨厚的砾岩，在义马煤田普遍发育。上侏罗统地层之上发育是白垩系砾岩，主要发育于义马向斜核部区域，在研究区内主要见于跃进井田南部、常村井田西南部。F16断层是煤田内的主要构造，为一压扭型逆冲断层，北接千秋煤矿，向东延入跃进煤矿。
将矿井煤层底板等高线图、勘探线剖面图等导入Unity3D引擎中，生成模型框架，再根据实测钻孔柱状图等资料进行比对校正。模型框架建立完成之后进行贴图。贴图是物体材质表面的纹理，利用贴图可以在不增加模型复杂程度的基础上就表现出模型的细节，比如岩层的岩性、沉积的层理等，增加模型的质感，使模型观感更加真实。编写合适的Shader，形成材质对模型进行渲染，根据需要调节灯光，再根据实际坐标校正出模型的坐标，最终完成了地层模型的建立(图5)。
图5 Unity3D渲染之后的模型
Fig.5 Rendered model in Unity3D
1)基本操作。系统UI包括岩层隐藏/显示、岩层透明度调节、工作面选择、全局视图以及查询栏(图6)。按住鼠标右键，同时移动鼠标可以对模型进行转动；横移鼠标，模型会水平转动；纵移鼠标，模型会垂直旋转。可以根据需要对地层进行显示或者隐藏，也可以利用透明度调节功能来调节透明度，分为10个档位。点击不同的工作面编号，可以切换到对应的工作面视角，点击全局视图，可以再切换回整体的视角。滑动鼠标滚轮可以进行有限度的视角拉近/远离。
图6 系统界面
Fig.6 User interface of the system
2)动画模拟演示功能。系统可以根据需要，利用3D动画的效果演示出指定的一段时间内工作面回采情况和微震事件发生情况。输入一个日期，会演示出当天的各个工作面的回采进度和发生的微震事件；工作面已经被采完的部分会被隐藏，微震事件会以不同颜色的球体具象化地表现出来。本系统按照微震事件发生时所释放的能量大小将微震事件分为6类，分别是小于103、103～104、104～105、105～106、106～107、大于107 J，分别对应的球体颜色为绿色、黄色、橙色、蓝色、红色、黑色(图7)。输入2个日期，会以动画的形式动态地演示出2个日期之间工作面的回采情况和微震事件发生以及随着时间推移而发生的渐变过程。
图7 工作面相关微震点显示
Fig.7 Microseismic mevents in panel
3)数据信息存储、查询、统计、分析功能。将微震事件的坐标和能量数据存储在SQL Server建立的数据库当中，系统是与数据库相连接的，通过数据库调用数据。系统设定每5 s扫描一次数据库，如果有新的数据被添加进入数据库，可以完成数据的实时更新。输入指定的日期，可以查询到当日的回采进度和微震事件发生情况，点击代表微震事件的球体，会显示出微震事件的基本信息：微震事件发生的时间(精确到秒)、空间坐标(x,y,z)以及所释放的能量。如果输入2个日期，就可以查询到这2个日期之间的微震事件日发生总数量、日总能量数的统计结果，并且自动生成指定工作面的统计结果折线图。根据微震事件发生的频次和日总能量数的大小等微震数据自动分析出指定工作面的冲击危险性评价，并用不同颜色的闪烁光表示出该工作面的各段巷道的冲击危险性评价结果：绿色—无冲击危险；黄色—弱冲击危险；浅蓝色—中等冲击危险；鲜红色—强冲击危险。该功能主要是为了直观地展示一段时间内微震的发生、变化活动趋势，并且按照科学的方法对冲击危险性做出评价，指导工作面后续的安全生产。
1)虚拟现实技术的应用克服了以往微震监测数据分析的抽象性，微震监测虚拟现实系统将微震数据具象化，并且直观地展现出来，使调用微震数据、分析微震显现规律及其与地质、采掘的关系更加直观。
2)该系统目前处于初级阶段，主要分析微震监测数据，下一步需将地球物理探测、数值计算、应力监测等数据进行融合，结合相应的判别方法来确定潜在的冲击地压危险区域，从而为矿山冲击地压防治提供具体的指导。
3)构建探测数据三维可视化及重构的数据融合处理方法是煤炭智能开采、精准开采的重要研究内容之一，VR技术的作用是数据集成和可视化平台，它不是要取代建模工具，而是要补充分析能力并促进更高层次的决策。当监测数据与地质模型及采掘工程活动等多个模型相结合时，可以实现其真正的价值。
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