煤礦井下避災路徑規劃研究綜述

于 丹，顏 偉,2

(1.山東科技大學能源與礦業工程學院，山東省青島市，266590；2.山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東省青島市，266590)

煤炭是我國的基礎能源和主體能源，“雙碳”目標下的煤炭開采已進入深部開采階段，開采深度的增加將使得開采難度增大，開采環境也將變得復雜多變，極易發生煤礦災害事故，不僅會給煤礦企業造成巨大經濟損失，還會造成重大人員傷亡[1]。通過分析相關典型事故發生的原因，可以發現造成這種情況的主要原因是井下人員未能在第一時間從危險地帶撤離到安全區域所致。因此，如何讓井下人員在發生災害之后，選擇最優避災路線，此類研究歷經多年仍保持一定的熱度。

根據查閱的文獻，在煤礦常見的災害事故中，眾多學者對礦井瓦斯爆炸、火災、水災3種突發事故發生后的最優避災路徑規劃問題進行了較多研究，主要從不同因素對巷道通行能力的影響、最優避災路徑規劃模型構建以及求解避災路徑的算法3個方面進行研究。筆者通過梳理煤礦井下避災路徑規劃問題的研究進展，分析現有研究可完善的內容，并探討未來研究的趨勢，為解決煤礦事故避災路徑規劃問題提供相關參考。

1 瓦斯爆炸事故避災路徑規劃

1.1 瓦斯爆炸事故特性

瓦斯爆炸是威脅我國煤礦安全的極為嚴重的災害之一，具有較強的突發性、破壞性，在造成群死群傷的同時，還會破壞通風系統、引起火災，或是引發多次連續性瓦斯爆炸，造成事故擴大，給避災路徑規劃增加了困難[2]。

1.2 研究進展

以“瓦斯爆炸避災路徑/路線規劃”或“瓦斯爆炸逃生路徑/路線規劃”為主題在中國知網進行檢索，共檢索到1998-2018年的24篇文獻，具體統計如圖1所示。

當前關于瓦斯的研究主要針對瓦斯突出預測及防治、瓦斯爆炸機理及風險評估等方面的研究，而在瓦斯爆炸避災路徑研究方面相對較少，目前學者們所取得的成果有：石永奎等[3]構建以安全逃生時間最短的數學模型，并用Lingo編程求最短路徑；徐志奇[4]和楊林等[5]運用Dijkstra算法對巷道當量長度進行計算確定井下人員的最佳避災路線；賈齊林等[6]針對瓦斯爆炸設計了煤礦緊急避險系統；黃運爽等[7]綜合考慮影響工作人員正常通行的因素，將巷道固有影響因素轉化為對巷道當量長度的影響，將災害因素轉化為對通行時間影響，以安全逃生時間最短為目標構建避災模型；郭昕曜[8]通過分析瓦斯爆炸產生的災害因素，以所選路徑權值最短構建人群避災模型，最后基于Flody算法求解最優避災路徑；蘆飛平[9]基于多智能體仿真技術，應用Repast仿真平臺構建煤礦事故安全避災仿真模型，分別在位置選擇、方向選擇、鄰接矩陣和廣度優先算法生成不同避災路線等。筆者主要從影響巷道通行能力因素、避災路徑規劃原則、研究方法3個方面總結瓦斯爆炸避災路徑研究代表性文獻，見表1。

圖1 “瓦斯爆炸避災路徑/路線規劃”或“瓦斯爆炸逃生路徑/路線規劃”主題文獻發表統計

表1 瓦斯爆炸避災路徑研究代表性文獻

2 礦井火災事故避災路徑規劃

2.1 礦井火災事故特性

礦井火災是一種不受控制的燃燒，分為內因火災和外因火災兩種，可能發生在礦井井下或地面井口附近，礦井火災的發生不僅會對礦井安全生產造成巨大威脅，還會因火災產生的高溫、煙塵及毒害氣體嚴重威脅未能及時疏散的井下工作人員的生命安全。

2.2 研究進展

以“礦井火災避災路徑/路線規劃”或“煤礦火災逃生路徑/路線規劃”為主題在中國知網進行檢索，共檢索到1994-2020年68篇文獻，具體統計如圖2所示。

在研究礦井火災避災路徑規劃方面，王金華等[10]根據井下傳感器實時檢測有害氣體、溫度、煙霧和風向等數據進行動態的井下避災路徑規劃；趙海軍[11]通過設計混合變異策略和參數自適應機制來改進差分進化算法，提高路徑搜索效率；姜媛媛等[12]構建基于多元信息評估的礦井火災路徑優化模型，并運用Dijkstra算法得到最優路徑；WANG Kai等[13]通過改進元胞自動機模型來優化避災路徑規劃模型；劉怡[14]綜合考慮井下火災的靜態和動態影響因素，引入信息熵模型來改進巷道當量長度計算公式，最后利用Dijkstra算法進行最優逃生路徑規劃；沈云鴿[15]根據火災期間人員逃生的緊急性和環境危險性指標建立了井下人員逃生路徑規劃模型，并基于Dijkstra算法將動態環境因素引入逃生路徑規劃中。筆者主要從影響巷道通行能力因素、避災路徑規劃原則、研究方法3個方面總結礦井火災避災路徑研究代表性文獻，見表2。

圖2 “礦井火災避災路徑/路線規劃”或“煤礦火災逃生路徑/路線規劃”主題文獻發表統計

表2 礦井火災避災路徑研究代表性文獻

3 礦井水災事故避災路徑規劃

3.1 礦井水災事故特性

礦井水災是指在煤礦建設和采掘過程中，發生的礦井局部或全部被淹沒的礦井涌水事故。據統計，有48%以上的國有重點煤礦礦井受到過各種水害的威脅。為減少礦井水災帶來的損失，我國相關研究者對礦井水災災后避災進行了較多研究。

3.2 研究進展

以“礦井水災避災路徑/路線規劃”或“煤礦水災逃生路徑/路線規劃”為主題在中國知網進行檢索，共檢索到2007-2021年的34篇文獻，具體統計如圖3所示。

目前在礦井水災避災路徑規劃研究中，在研究影響巷道通行能力因素方面，大部分學者都考慮突水災害因素——水位高度和巷道類型、風速風向、坡度、局部障礙物(帶式輸送機、礦車、風窗、風門等設施)數量等井巷內本身存在的影響避災的因素，這些影響因素使得點與點之間的距離不再是絕對距離而是用當量長度來表示。在最優避災路徑模型構建及規劃研究方面，主要是朝著建立更符合現實情況的動態避災路徑規劃模型以及對傳統算法的改進2個方向進行研究。趙作鵬等[16]為了避免擁擠，提出D-K算法來求解從突水點到其他所有逃生節點的前N條最優路徑的新方法；張雪英等[17]提出一種新的離散螢火蟲算法來求解煤礦井下最短避災路徑；周越等[18]提出阻滯型水中逃生速度曲線數學模型；苑亞南等[19]在此基礎上建立一種基于突水點水力學特性分析模型，并且運用改進的D-K路徑搜索算法進行研究；劉夢杰等[20]提出雙向A*算法，有效減少了路徑搜索范圍；蔡明杰等[21-22]通過對交叉、變異算子進行重構，在適應度函數中加入安全通過概率來改進傳統的遺傳算法，他還通過對松弛點入隊位置調整來優化SPFA算法，從而提高算法搜索突水避險路線的效率；ZHAO Xiangwei等[23]建立三維礦井巷道網絡，結合實時變化的水位及巷道的可通行性，運用Dijkstra算法實現了基于3D網絡模型的最佳避災路徑搜索；王鵬等[24]將螢火蟲算法進行改進，并與A*算法進行比較，結果表明：改進后的螢火蟲算法規劃的路徑更優，具有大范圍搜索優化能力；中國礦業大學的武強團隊[25-26]考慮實時水位高度變化對疏散時間的影響，通過改進Dijkstra算法，提出了并行時變最早到達算法，生成安全迅速的井下人員最優逃生路徑。筆者主要從影響巷道通行能力因素、避災路徑規劃原則、研究方法3個方面總結礦井水災避災路徑研究代表性文獻，見表3。

圖3 “礦井水災避災路徑/路線規劃”或“煤礦水災逃生路徑/路線規劃”主題文獻發表統計

表3 礦井水災避災路徑研究代表性文獻

4 常用算法總結

根據以上分析，可以得出進行礦井/煤礦瓦斯/火災/水災避災/逃生路徑/路線規劃研究常用的算法如圖4所示。由圖4可以直觀地看出，在研究煤礦井下避災路徑規劃中運用Dijkstra算法最多，然后依次是蟻群算法、K則最優路徑算法、A*算法、遺傳算法、粒子群算法、D-K算法、SPFA算法、螢火蟲算法。同時對各種算法進行簡要歸納，列舉相關的改進措施及優勢，結果見表4。

圖4 “礦井/煤礦瓦斯/火災/水災避災/逃生路徑/路線規劃”主題文獻所用算法所占比例

表4 常用路徑規劃算法對比表

5 案例應用

結合以上3種事故類型的研究，筆者以礦井水災為背景，研究五溝煤礦1035工作面避災路徑規劃。由于井下環境具有特殊性，含有多種阻礙礦工通行的因素，一般用巷道當量長度來表示巷道中兩點之間的距離。結合該礦井的巷道環境以及現場模擬分析，選取巷道類型、巷道坡度、風速風向、局部障礙物(帶式輸送機、軌道、風橋、風門等設施)數量以及水位高度，作為影響井下礦工逃生的主要影響因素，其影響系數分別記為ηt、ηs、ηv、ηr、ηw，影響巷道通行難易系數可以查閱文獻[16]。

假設節點Vi和Vj間巷道Eij的實際長度為l(Eij)，將巷道的各因素影響系數加權到其對應的實際長度中，得到該條巷道初始當量長度值L(Eij)為：

(1)

式中：n——巷道Eij上障礙物數量；

ηrm——第m個局部通行障礙物影響巷道正常通行的系數。

以五溝煤礦1035工作面實際巷道布置圖為基礎，簡化其節點，選出50個關鍵節點形成巷道網絡圖進行案例分析，1035工作面巷道網絡如圖5所示，其中V48、V49、V50是該礦井的井口，將這3個節點設為安全節點。根據該礦井水文地質資料、采掘工程資料得知V1易發生突水，所以將節點V1設為突水點。

假設V1突水點的水位高度達到普通成人膝蓋處的高度，首先根據該工作面實際巷道環境情況，計算每條巷道的各個影響系數值，然后根據式(1)計算出每條巷道的當量長度，見表5(限于篇幅只列舉部分數據)。

最后基于Python平臺，使用Dijkstra算法分別計算突水點V1到3個安全節點V48、V49、V50的最短路徑，然后對這3條路徑按照路徑當量長度從小到大排序，結果見表6。

圖5 1035工作面巷道網絡

表5 井下礦工逃生的影響系數及對應的巷道當量長度

表6 Dijkstra算法的仿真結果

由于研究的是在同一個工作面工作的礦工人員逃生，人數相對來說不是很多，所以從這3條中選取1條最優的路徑作為逃生路徑即可，則從突水點到安全節點的最優逃生路徑為：V1→V3→V5→V9→V13→V14→V15→V19→V24→V26→V34→V40→V49，路徑當量長度最短為2 212.55 m。

6 結論

(1)礦井瓦斯爆炸事故避災路徑規劃研究中，毒害氣體(CO 、H2S等)、瓦斯爆炸沖擊波、高溫、耗氧為主要的災害因素，路徑權值最短和安全逃生時間最短為主要構建模型的原則，相對火災、水災事故來看，由于瓦斯爆炸事故環境較復雜，所以該主題相關研究比較少。

(2)礦井火災事故避災路徑規劃研究中，溫度、毒害氣體(CO等)、煙霧濃度為主要的災害因素，路徑權值最短為主要構建模型的原則，運用Dijkstra算法和蟻群算法求解最優避災路徑的研究較多。

(3)礦井水災事故避災路徑規劃研究中，水位高度為主要的災害因素，路徑權值最短為主要構建模型的原則，運用Dijkstra算法、蟻群算法、K則最優路徑算法求解最優避災路徑的研究較多。

整體來看，國內研究礦井災害領域避災路徑相關論文總量較多，國外較少；在研究內容上，很少考慮災害環境對人體健康損失度、人的心理狀態的影響，且運用改進算法求解實時避災路徑的研究較少，值得進一步發展和探索。