煤炭是国民经济和社会发展的基础。我国煤矿主要是井下开采，生产环境条件复杂，煤炭开采活动中，存在着大量不安全因素，要保证人的安全，离不开对开采环境的真实了解——安全管理人员需要了解管理区域内存在的事故隐患；而煤炭开采矿工则需要有一定的安全知识和防范意识。这些都需要人们接受安全教育、救生训练等，但由于受到各种环境因素的限制，人类不可能采用实际模拟的方式，使每个人均能置身于真实的环境中，有时真实感受安全的状况也是不安全的，甚至是根本无法提供这种现实的环境(如建筑物仅仅在设计中)，因而需要有一个能够模拟真实环境的系统来辅助人员感受这种环境。因而，随着仿真技术向可视化方向的发展，将VR技术与仿真理论相结合，据此进行虚拟现实技术在煤炭安全管理中的应用的研究，不失为一个行之有效的方法，本文对其展开讨论，以期有所裨益。虚拟现实技术是指利用人工智能、计算机图形学、人机接口、多媒体、计算机网络及电子、机械、视听等高新技术，模拟人在特定环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术。其技术特征主要表现在四个方面：①多感知性(multi-sensory)；②存在感、临境感(immersion)；③交互感(interaction)；④自主性(autonomy)。简言之，虚拟现实是由多种媒体构成的三维信息空间，其基本特征包括交互性和临场感。以地质体三维可视化建模技术为基础，以虚拟现实仿真技术为手段的煤矿安全虚拟现实仿真是地学和煤矿安全研究的前沿领域，也是3D-GIS技术的一个重要组成部分，对它的研究可以补充和完善煤矿安全的技术手段及理论，拓宽其应用领域，同时又促进地学模拟技术的发展。煤矿安全虚拟现实仿真系统是地质体三维可视化模拟技术和虚拟现实技术的高级体现与实际应用，为煤矿生产管理、日常安全管理和事故应急救援与决策提供技术支持，为实现数字矿山提供核心解决方案。因此，该项研究既具有理论意义，又具有较强的实践应用价值。通过对国内外先进的矿山三维虚拟现实系统的发展和现状的探索以及对科学可视化技术、地质层面和地学三维空间构模技术的深入分析总结，提出了一个煤矿安全虚拟现实仿真系统的综合解决方案，并针对地质界面可视化、地学空间构建、虚拟场景建立与组织以及安全仿真模型构建等关键技术进行了探讨。该系统基于OpenGL，集成了虚拟现实和系统仿真建模技术、约束/非约束二维三角剖分技术及其在三维剖分中的扩展、基于广义三棱柱的三维地学空间构模技术、基于参数化的煤矿井巷及场景构模技术以及空间数据库及数据仓库挖掘技术与现代系统仿真技术。本项研究进行的开创性和探索性工作主要如下：(1)设计了一个较为完善的煤矿安全虚拟现实仿真系统。该系统主要由基于OpenGL可视化应用程序框架、空间三维地质数据库、地质层面及地学三维空间构模解决方案、煤矿井巷和虚拟场景组织解决方案以及煤矿安全仿真模型解决方案组成。(2)在分析研究当前三维空间建模技术的基础上，建立了一个适用于地质体的三维可视化建模方案。该模型利用钻孔、物探等地学信息，设计了基于广义三棱柱体体元的逻辑数据模型、模型组成元素和对象的数据结构；提出了根据真实钻孔数据构建广义三棱柱体模型的算法，对地层广义三棱柱体建模过程中出现的特殊问题提出了合理的处理方案。在此基础上，给出了广义三棱柱体建模思路及技术路线，并就其实现三维空间构模的关键技术进行了深入的研究。(3)针对煤矿井巷和井下场景的复杂性，提出了一个煤矿井巷和井下场景建模及场景组织的综合解决方案。基于井巷导线和规则曲面建模的技术，在分析了井巷的特征参数的基础上，为其建立了统一的数学参数化模型，对井巷进行仿真建模。系统利用3ds Max建立设备模型库并进行管理，建立井下场景模型组织的BSP树，通过井巷的中心线完成井巷漫游。(4)利用系统分析和仿真分析技术，对煤矿安全典型模型进行了分析，并建立了仿真模型。基于图论和网络解算理论，建立了通风系统的仿真模型及系统构建，为通风安全提供有力的决策支持；基于人工神经网络，建立了煤与瓦斯突出的预测模型及构建，为煤与瓦斯突出的灾害预测提供支持。本文所设计的系统吸收了国内外现有同类系统的优点并加以改进，系统结构合理，功能比较齐全，为正开发的煤矿安全虚拟现实仿真系统确定了设计开发大纲。文中所研究和总结的关键技术部分已在软件设计和开发中得到了应用，实践证明是比较有效的。