煤炭开采是一个的复杂时变系统,井下作业环境恶劣,地质条件复杂多变,人、机、环境多种因素相互交错,致使许多传统技术的应用受到严重限制。特别是在综采工作面和采空区,传统的研究方法不仅实验环境难以保证,而且耗资巨大,又相当危险,研究结果也难以得到验证。因此,在这个信息化时代,将虚拟现实技术与煤炭行业相结合,研究科学认知煤矿开采环境的新方法,成为当前解决煤矿安全生产的崭新课题。本文将巷道的各种数据信息分为测量数据、断面数据和属性数据三类,按照弧段节点的数据结构将巷道分为巷道体、巷道弧和巷道节点三种元素,建立了巷道弧、节点、导线点、断面和属性五个数据表,并分析了巷道体—巷道弧、巷道弧—节点、巷道体—节点间的拓扑关系。提出基于巷道中线断面建模法,即通过导线点数据计算出巷道中线点坐标,在中线处绘制一系列巷道断面线框模型,并将它们用线段连接起来构成巷道的表面模型,用上、下、左、右四个弧段来描述巷道的断面形态,最后经过纹理影射处理,生成整体巷道的三维模型。本文分析了虚拟场景的建模特点和建模方法,选用OpenGL作为建模工具,通过几何建模、形象建模和行为建模三个步骤建立采场设备模型。运用运动学、动力学分析综采设备的运动力学特性,提出使用约束型反向关联运动的方法对液压支架进行行为建模,运用子父体层次模型对采煤机进行行为建模。应用OpenGL提供的选择机制,利用鼠标控制设备上的虚拟控制器,实现液压支架和采煤机的交互操纵。设置系统计时器,利用时钟控制各个综采设备的运行状态,应用三维动画双缓存技术实现生产工艺过程的动态模拟。本文总结了我国采场覆岩移动规律的研究成果,对上覆岩层进行了层次划分和结构分类,将顶板分为五类:易垮落松软顶板、中等垮落性顶板1、中等垮落性顶板2、难垮落的坚硬顶板、假塑性弯曲顶板。采用基于面模型的线框模型建模方法,建立了采场覆岩的动态模型。系统能够根据上覆岩层的数据自动判别顶板结构类型,计算并确定出直接顶数目、直接顶厚度、关键层的数目和位置,关键层的破断顺序,基本顶的初次垮落步距和周期垮落步距等参数。系统能够动态模拟采场任意时空位置的覆岩运动,实现了不同结构类型顶板垮落过程的虚拟表示,为研究矿山压力和岩层移动提供了新的思路,可以验证经典的矿山压力假说关于覆岩移动的模型。井下场景复杂,逼真的再现导致计算机运行缓慢,本文运用模型简化、实例、单元分割、雾化等技术,提高了画面渲染速度,满足了虚拟现实实时性的要求。设计出场景漫游、视点控制、位置查询、碰撞检测等交互手段,利用Visual C++和OpenGL开发出基于PC机的煤矿井下虚拟现实系统,逼真地再现了综采工作面场景和覆岩垮落过程。