矿井突水仿真构模及系统实现

矿井突水仿真构模及系统实现
黄东旭;李仲学;李翠平;赵怡晴;张聪
【摘要】针对矿井突水仿真问题,分为井巷工程静态模型构建和水体漫延动态仿真2部分进行研究.运用点线化思想规范并构建井巷工程模型,引入当量长度概念统一时间度量参数.结合矿井突水特点,运用增加约束条件的图论及智能搜索算法,研究突水发展过程中水流下向漫延及水位上向升涨2个过程,采用时间步长法构建模拟时钟,预测及再现突水发生前后巷道、水体动态,完成矿井突水的仿真构模算法及系统原型实现.以国内某金属矿山数据为例,检验系统的可行性和有效性,所建模型及系统原型能够为突水预防、救援及研究工作提供技术支撑.%In view of mine water inrush simulation,the modeling research was divided into two parts:the static modeling of laneways and the dynamic simulation of water inrush spreading process. Based on the point-line concept,the laneways were modeled with equivalent length to unify the parameters of time and length. Combining the characteristics of mine water inrush, graph theory and intelligent search algorithm,the downward and upward water spreading processes during the water inrush de-velopment were researched. With the fixed time-step method,the simulation clock system was established to realize the forecast and reappearance of laneways and water,before and after the water inrush. The simulation modeling algorithm of mine water
in-rush was completed and the system prototype was implemented. A typical metal mine in China was exemplified to verify the fea-sibility and effectiveness of the simulation system. The model and the system
prototype provided the technical means for preven-tion,rescue and research work of mine water inrush.
【期刊名称】《金属矿山》
【年(卷),期】2016(000)008
【总页数】6页(P155-160)
【关键词】矿井突水;仿真构模;智能搜索算法;突水救援
【作者】黄东旭;李仲学;李翠平;赵怡晴;张聪
【作者单位】金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100083;金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100083;金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100083;金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100083;金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】TD745
矿井突水是地下矿开采的主要事故隐患之一，一旦发生水害事故会给矿山企业发展及员工安全造成巨大损失。

据不完全统计，2003—2013年，我国金属非金属地下矿山发生透水事故64起，死亡246人。

2000年至2015年7月，我国共发生煤矿突水事故555次，造成3 058人死亡。

目前，国内外学者在矿井突水领域开展了大量研究。

地下矿水害突水机理及预测领域集中在矿井突水预测［1-4］、水源判别［5-7］及涌水量预测［8］等方面，关键层［9］等突水理论、突水系数及人工神经网络［10］等公式及模型预测方法百家争鸣。

结合以岩石工程、流体力学为基础的数值模拟方法［11-12］及三维可视
化技术［13-14］实现突水灾害仿真为突水事故防治提供了新思路和技术支持。

本研究旨在提供一种矿井突水仿真构建模型方案，运用计算机三维可视化技术实现井巷工程模型的静态表达和水体漫延的动态仿真，为矿井突水预测及救援工作提供依据。

矿井突水的仿真过程主要分为井巷工程的静态表达和水体漫延的动态仿真2部分。

在分析矿井突水主要影响因素基础上，运用点线化思想规范并构建井巷工程模型，引入当量长度概念统一时间度量参数。

结合矿井突水的特点，运用增加约束条件的图论、网络优化技术、智能搜索算法，尤其是深度优先算法和广度优先算法，研究突水发展过程中水流下向漫延及水位上向升涨2个过程，采用时间步长法构建模
拟时钟，完成矿井突水的三维可视化仿真算法及系统原型实现。

基于以上分析，构建矿井突水仿真系统架构如图1所示。

2.1 井巷数据处理
井巷工程模型构建的基础是矿山实际数据，为解决数据信息量大、差异大给统一构建模型造成的困扰，首先经过模型化、规范化对原始实际数据进行提取与处理，并用相邻、相交和相离3种关系确立矿井空间的拓扑关系。

将井巷通过求中心线、
弧形弯道分段拟合、巷道拐点点集化等方式进行仿真，把井巷转化为点线的集合，实现模型的数字化构建，如图2所示。

2.2 井巷网络构建
为对水灾漫延与淹没路线进行解算，借鉴矿山复合场理论［15-16］，引入当量长度概念，建立矿山井巷网络。

本研究采用图论方法，通过点线化的方式对井巷进行模拟建模，将突水模拟的任务转化为点线图赋权求解路径问题。

用图论表述节点与巷道的关系，顶点代表巷道交接的节点，连接2个顶点的线表示巷道本身，通过
点与线把巷道的空间位置关系表示出来，再运用图论遍历的方式求解出水体的流动情况。

考虑水体在井巷内流动时受到重力及阻力的影响，在下向、上向及倾斜巷道
等情况下的流动过程存在明显不同，引入当量长度的概念。

巷道的当量长度，是在巷道实际物理长度的基础上，根据水体运动的速度差异进行的调整，例如下向时垂直方向当量长度缩短（受重力作用，水流下向速度较快），障碍物增加时巷道当量长度延长。

设巷道实际物理长度为L（m），水流通过平巷速度为v1（m/s），通过某x类巷道（下向漫延通过竖井、上向升涨通过竖井、斜坡道等）速度为vx（m/s），则
所用时长t（s）为：
流过平巷时长
流过x类巷道时长
以平巷中水流速度为基准，定义当量长度和长度转换系数，则
式中，Lx为巷道当量长度，m；λx为该种类巷道的长度转换系数。

最终计算漫延时长时，可直接由当量长度求解：
式中，tx为水流流过巷道使用时长，s；v为基准巷道水流速度，m/s。

通过当量形式，把井巷的众多影响因素在数据处理阶段简化到当量长度这一参数中，统一时间度量参数。

3.1 突水模型分析
（1）突水初始条件设定。

初始突水条件的给定是矿井突水灾害仿真的起点。

本研究运用基于物联网技术的实时监测预警系统作为信息获取源，结合对突水水源、导水通道信息的预先设定，通过监测设备坐标、转速及淹没时差等信息实现突水点位置、突水强度及突水量等初始信息的实时监测。

（2）突水漫延与淹没路线分析。

由于井巷本身的复杂性，水体在井巷中流动时，其走向、速度也与井巷坡度、井巷壁粗糙度、巷道断面形状尺寸、巷道内障碍物等诸多因素有关。

考虑到重力及填充状态等因素，水体在井巷内的填充过程可分为水流下向漫延和水位上向升涨2类［17］。

下向漫延时，水流不需要填满井巷空间，
而是受重力作用向下不断流动，该阶段主要影响因素有水流大小、井巷坡度、井巷壁粗糙度及有无障碍物等。

水流上向升涨时，受到重力的反向作用，水流必须将本阶段的相通井巷空间完全填满才可以升涨到下一个阶段巷道，因此该阶段的主要影响因素为井巷长度及断面尺寸，即井巷容纳水体的能力大小。

3.2 突水漫延与淹没路径解算
现有条件下，可以获取巷道节点的坐标，巷道的当量长度，巷道起始、重要节点，并由此结合基准巷道水流速度得出时间参数。

本研究预期达到的目标是实时显示井巷突水发展状态，由此必须求出各点水流开始漫延的时间、各巷道的开始和结束节点的漫延时间，由此实现时间驱动仿真。

建立Points为巷道所有节点集合；Roads为巷道集合；Waitpoints为已被淹没
且仍存在未被淹没邻接点的节点集合；Aroundpoints为已被淹没节点的邻接点集合，表示所有未被淹没但与已被淹没节点直接连通的节点；Lines为节点按时序写入的点集，每节点被标记为已淹没时都会执行写入Lines操作，用于输出最终结果。

3.2.1 水流下向漫延过程算法
水流下向漫延过程的总体特点为重力主控，重力势能推进水体优先向地势更低处流动。

由突水点开始，水体在平巷中若遇到分支，将不分主次，同时流入各个分支；但当分支中包含地势低于现有水平高度的巷道时，水体优先流向地势低处，其余同水平或更高水平的分支被暂缓。

直至水体漫延到巷道整体最低处，水体无法继续下降，下向漫延过程结束，上向升涨开始。

下向漫延具体算法表述如下：
（1）由突水点P0开始，记其长度为0，标记P0已被淹没，将P0存入Waitpoints集合、Lines集合中。

检查P0的邻接点，将标高小于 P0的邻接点存入Aroundpoints中，并记录各点长度为P0到它们的当量长度。

（2）检验Aroundpoints是否为空集，若为空集循环结束。

依次检查
Waitpoints中各点Wx，如果点的邻接点中存在标高低于该点标高的点Ay，将该Ay标记已被淹没，从Aroundpoints中删除、存入Waitpoints中作为新加入的Wx并记其当量长度为其自身的当量长度与对应的原Wx当量长度之和，将对应的Wx点从Waitpoints中删除，寻找该Ay标高小于自身的邻接点，并将这些点存入Aroundpoints；如果Wx点的邻近点中不存在标高大于Wx点的点，对标高与Wx点相同的点执行如上操作；如果Wx点的邻近点标高均大于Wx点，说明水体已流动到巷道底部，循环结束，进入上向升涨循环。

（3）循环（2）中过程，直至达到下向循环结束，Lines中所得路径即为下向漫延所得路径，可读取各点由突水点开始走过的当量长度，算出淹没时间。

图3为该算法的流程图。

3.2.2 水位上向升涨过程算法
不同于下向漫延过程，上向升涨过程以巷道横断面积及巷道长度为主要影响因素，水体流动是需填满某一标高的所有相通巷道后才能继续往更高标高升涨。

沿承着下向漫延过程，上向升涨过程得以展开。

（1）初始化。

从Lines中选取标高最低的一点作为上向升涨的开始，将该点标高定为水位标高Waterh。

（2）检验Aroundpoints是否为空集，若为空集，则循环结束。

检测Aroundpoints中各点，若存在点的标高小于当前Waterh，优先填充，从Aroundpoints中选择标高最低的点，将其从Aroundpoints中删除并存入Waitpoints、Lines中，赋值当量长度，寻找它的邻接点加入Aroundpoints中，重新开始（2）；若存在标高等于Waterh的点，将这些点从Aroundpoints中删除并存入Waitpoints、Lines中，赋值当量长度，寻找它的邻接点存入Aroundpoints中，重新开始（2）；若只存在标高大于Waterh的点，将标高最低的点从Aroundpoints中删除并存入Waitpoints、Lines中，赋值当量长度，
同时将Waterh的值设定为该点的高度，寻找该点邻接点加入Aroundpoints，重新开始（2）。

图4为该算法的流程图。

3.2.3 突水漫延与淹没整体算法
矿井水流下向漫延和水位上向升涨是2个独立却又紧密连接顺承的部分，二者协同作用，完成矿井突水漫延与淹没路线的求解。

图5为2阶段算法结合构成的突水漫延与淹没整体算法流程图。

3.3 突水可视化表达
对于水灾仿真模型，时间反映着仿真系统的精确程度，即确定各时刻矿井和水流所处状态。

水流的下向漫延和上向升涨过程的仿真计算，只是获得了水流侵袭井巷的顺序及当量长度。

若要达到仿真的效果，结合突水强度及井巷体积，按照获得的水流侵袭路径，完成当量长度向时长的转换，实现水流漫延与淹没的仿真。

矿井突水仿真系统中采用时间驱动仿真，每隔单位时间获取井巷被侵袭的状态变化，通过可视化表达，将仿真结果在计算机上进行展示。

以国内某金属矿山为例，通过井巷数据的点线化处理完成井巷工程模型构建，实现了矿井突水仿真构模及系统原型。

4.1 系统原型开发
在Windows操作系统下，采用Java开发语言，使用MySQL数据库管理软件，基于Eclipse集成开发环境，运用Eclipse的mysql-connector-java-5.1.6插件包，实现了对数据库的连接和调用；运用JOGL插件，实现了在javaAPI中调用OpenGL函数，从而实现了程序的三维可视化。

数据库结构方面，以点线化的巷道数据为基础进行设计，代表性数据表有用于记录点信息的Points数据表和用于记录巷道信息的Roads数据表，见表1、表2。

4.2 系统原型实现
图6为该金属矿山井巷三维模型全局图，图7为该金属矿山井巷三维模型2号矿
体附近局部图。

在本实例中，图8为突水发生后某时刻2号矿体附近突水仿真局部图，图中灰色
表示未被淹没巷道，黑色为已被淹没巷道，图中箭头处浅灰色球体为突水点。

该案例中突水点位于2号矿体-175 m水平靠近南风井处，突水发生后经由-175 m水
平平巷到达南风井处时按照突水漫延与淹没整体算法优先进行下向漫延过程，完成低水平漫延后进行上向升涨过程。

在图8时刻-290 m水平完成下向漫延，开始-210 m水平上向升涨过程。

（1）针对矿井突水仿真构模及系统实现问题，本研究给出的主要解决方案包括：引入当量长度概念，借以综合考虑井巷类别、突水特征及物理规则等因素；将突水过程分为水流下向漫延和水位上向升涨2个阶段进行讨论，结合图论对突水漫延
与淹没路径进行遍历；以当量长度为参数，采用时间步长法，实现了时间驱动的突水过程动态仿真。

（2）利用三维可视化仿真技术，实现井巷工程静态模型构建、水体漫延动态仿真，预测及再现突水发生前后巷道、水体动态，并结合实例进行了检验，展示了本文模型能够为矿井突水预防控制、应急救援和事故再现提供有效的信息技术手段。

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