基于3DMine 的礦井避淹路徑研究

韓瑞剛

（煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室 中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

0 引 言

制定緊急避災(zāi)路線是煤礦應(yīng)急救援體制中最重要的內(nèi)容之一，是當水災(zāi)發(fā)生時井下工作人員迅速及時撤至安全位置的關(guān)鍵因素。然而，地下井巷工程本質(zhì)上是一個復雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，井巷的連通性、水流方向、水位位置以及巷道掩沒等情況為快速應(yīng)急響應(yīng)和正確應(yīng)急救援帶來了困難。

目前利用計算機技術(shù)求解城市道路中最短路徑的算法已成熟[1]，但對礦井水害發(fā)生后最佳避災(zāi)路徑求解方面的研究還不多。礦井突水時期影響避災(zāi)路徑選擇的因素非常多，不僅要使被困人員轉(zhuǎn)移到安全地點的距離最短，還要考慮到路徑的可靠通行度，確保被困人員撤離過程中的安全[2]。本文在借助3DMine 建模軟件的基礎(chǔ)上，通過對井下巷道模型的建立以及優(yōu)化，建立煤礦發(fā)生水災(zāi)后最佳避災(zāi)路徑的求解方法，并三維可視化，對應(yīng)急救援和緊急避險具有重要指導作用。

1 井巷模型建立

本文是以地處鄂爾多斯盆地的彬長礦區(qū)中部的亭南礦井四盤區(qū)401 工作面到下方水倉的一個完整排水系統(tǒng)巷道段為對象進行研究，如圖1 所示。

圖1 401 工作面到水倉排水系統(tǒng)巷道段Fig.1 No.401 Face to the sump drainage system roadway section

建立巷道模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要從礦山工程測量中獲取，為了對數(shù)據(jù)進行分類和管理，將巷道分為巷道體、巷道弧段、巷道節(jié)點3 種元素。節(jié)點是巷道與巷道之間交匯的點和巷道的起點、終點的統(tǒng)稱；巷道被節(jié)點分割成為多個弧段，這些弧段稱為巷道弧；巷道弧組在一起形成完整巷道，稱作巷道體[3-5]。本文對巷道體、巷道弧、巷道節(jié)點3 種元素進行編號處理，并規(guī)定用L 表示巷道體（如L1、L2 等）；B 表示巷道弧（如B1、B2 等）；A 表示巷道節(jié)點（如A1、A2 等）。每一個編碼都是唯一的，以此對節(jié)點、弧段、巷道體進行區(qū)別和分類，如圖2 所示。

圖2 巷道網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系Fig.2 Topological relationship of roadway network

對應(yīng)圖2 巷道網(wǎng)絡(luò)建立拓撲關(guān)系，見表1。

表1 巷道體—巷道弧段拓撲關(guān)系Table 1 Topological relationship between roadway body and roadway arc

巷道的三維建模就是把巷道放在空間里對它的結(jié)構(gòu)進行三維分析和描述，即把巷道的每個節(jié)點先在二維平面上進行定位，再賦上高程值，使得各個巷道節(jié)點成為一個三維的空間節(jié)點[6]。

將原始數(shù)據(jù)進行初步處理后的巷道，生成節(jié)點，弧段三維網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系，把各個節(jié)點網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系圖導入3DMine 制圖軟件，根據(jù)巷道元素三維坐標以及拓撲關(guān)系，生成實體三維巷道雛形，之后解決巷道拐彎處和交岔處的重疊交岔等問題，最后形成了完整的三維巷道，如圖3 所示。

圖3 401 工作面到水倉三維巷道模型Fig.3 Three-dimensional roadway model from No.401 Face to sump

2 礦井水淹模擬

2.1 巷道淹沒體積計算

巷道是礦體和地表之間鉆鑿出來的各種通道，具有行人、排水、通風、運輸?shù)裙δ埽ㄟ^獲取的巷道體積值，可了解巷道的容積大小，得到水位上漲淹沒巷道的體積，為巷道淹沒分析打下基礎(chǔ)[8]。

借助AutoCAD 和3DMine 制圖軟件建立三維巷道模型后，可以直觀的了解井下巷道的各種信息，利用3DMine 實體計算功能可以自動計算出選取巷道段的體積，如圖4 所示。

圖4 巷道體積計算Fig.4 Roadway volume calculation

水淹沒巷道時水面會切割巷道體，巷道的淹沒體積就是切割面以下的部分體積。水面切割巷道體時，會和巷道體的棱線相交形成交點，把這些交點連接起來就能構(gòu)成一個封閉的多邊形區(qū)域。這個封閉多邊形以下的水面與巷道體切割的部分，就是巷道的淹沒體積[9]。

2.2 巷道淹沒時間計算

本文采用水位淹沒算法，在401 工作面設(shè)定1個出水點，出水總量設(shè)定為30 000 m3，出水量設(shè)定為1 000 m3/h，根據(jù)巷道水位淹沒算法的流程，得出巷道淹沒的范圍及標高，如圖5 所示。

圖5 巷道淹沒范圍Fig.5 Roadway submerged rang

為了準確的獲知各個巷道的淹沒情況，需要再平面圖上把整個巷道系統(tǒng)分成許多小的巷道段，對分出來的巷道段進行編號處理，為了區(qū)分巷道段與巷道段的分界，再把各個巷道弧段用彩色線段標注，如圖6 所示。

圖6 巷道段編號Fig.6 Roadway section number

在出水總量為30 000 m3，出水量為1 000 m3/h情況下，得出30 h 淹沒的巷道標高為420 以下的巷道部分，各個巷道段的淹沒體積以及淹沒時間見表2。

表2 401 工作面出水模擬數(shù)據(jù)表Table 2 No.401 Face water simulation data table

3 煤礦水災(zāi)避淹路徑設(shè)計

3.1 最短避淹路徑設(shè)計

本文以三維巷道模型的網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系作為基礎(chǔ)從而設(shè)計避淹路徑。井下巷道網(wǎng)絡(luò)交錯縱橫，路徑搜索需要在巷道中逐步延伸，在巷道與巷道交岔口出，一條路徑可能會分流成多條路徑。其中首次到達指定地點的某條路徑，就是到達這個點的最短路徑[10]。

避淹路徑算法設(shè)計，是以巷道的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系為基礎(chǔ)，通過巷道淹沒時間和巷道段的標高，尋找獲取從突水點到安全點的最短路徑，計算的具體執(zhí)行步驟如下。

（1） 整理網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。初始化巷道網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，清除不相關(guān)信息，使巷道系統(tǒng)直觀簡明的展現(xiàn)出來，標明突水點和安全點的位置，明確巷道段之間位置關(guān)系。

（2） 根據(jù)巷道水淹模型模擬獲取的信息，巷道段的標高，水流從高往低處流，低的巷道段先被淹沒。列出每個巷道弧段被淹沒的先后順序和時間，算出根據(jù)突水時間而淹沒的巷道范圍。

（3） 根據(jù)各個巷道段被淹沒的時間順序，從中找到一條安全避過淹沒災(zāi)害直達安全地點的最短路徑，這條路徑就是巷道的最佳避災(zāi)路徑。

3.2 最短避淹路徑生成

根據(jù)本文巷道水淹模型模擬獲得的信息，根據(jù)各個巷道段的標高，得到礦井中各個巷道段的淹沒順序及時間，見表3。

表3 礦井各巷道段淹沒數(shù)據(jù)表Table 3 Submerged data table of each roadway section in mine

此次避災(zāi)路徑設(shè)計是根據(jù)前文巷道水淹模型設(shè)定的，在401 工作面設(shè)定一個出水點，出水總量設(shè)定為30 000 m3，出水量設(shè)定為1 000 m3/h，突水地點和安全地區(qū)如圖7 所示。

圖7 巷道突水點和安全點標注Fig.7 Roadway water inrush point and safety point labeling

設(shè)定井下工作人員避災(zāi)跑步速度為2 m/s，當突水事故發(fā)生之后，工作人員從突水地點開始延著安全巷道開始逃生，最后到達安全地區(qū)，最短避災(zāi)路徑和淹沒范圍如圖8 所示。

圖8 最短避災(zāi)路徑圖Fig.8 The shortest disaster avoidance path diagram

在礦井突水災(zāi)害發(fā)生時，礦井工作人員從突水點開始逃生，最短避災(zāi)路徑如上圖綠色部分所示，避災(zāi)路徑巷道全長3 620 m，工作人員預(yù)計30 min 9 s 能夠到達安全地點。

礦井突水這種突發(fā)性和破壞性極強的井下災(zāi)害事故一旦發(fā)生，井上如果不能快速的做出反應(yīng)，制定救災(zāi)救援計劃，往往就會造成不可估量的損失。當前的工作是需要盡可能的降低礦井突水對井下工作人員的傷害。礦井避淹路徑的設(shè)計就可以有效的解決上述的問題，結(jié)合三維巷道模型設(shè)計避淹路徑能夠更加直觀的觀察井下災(zāi)害和人員的情況，提高井下工作人員的安全性，對礦山的長久生產(chǎn)發(fā)展具有十分重要的意義，是礦井工作人員的生存保障。

3.3 多逃生路徑設(shè)計思路

在礦井井下工作人員較多的情況下，一條避淹路徑的制定往往不能夠在突水災(zāi)害發(fā)生時起到應(yīng)有的作用。實際上，礦井水災(zāi)這種不可預(yù)測的災(zāi)害發(fā)生后，井下工人的逃生路線不應(yīng)該只有一條，而是應(yīng)該有很多種可供選擇的避災(zāi)路徑。這就需要設(shè)計礦井水災(zāi)時的多條逃生路徑，避免井下工作人員逃生時發(fā)生擁擠等情況，大大提高了井下工人的逃生率。

此次礦井水災(zāi)多逃生路徑設(shè)計是三維巷道模型的簡單應(yīng)用延伸，所以這里不考慮水位影響井下人員移動速度和人體體力衰減等問題。還是以三維巷道模型的網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系作為基礎(chǔ)來設(shè)計多條逃生路徑。因為突水水流總是流向巷道最低處，在低處匯聚然后向巷道高處逐漸淹沒蔓延的，所以理論上只要沒有被水量淹沒巷道的路徑都可以讓井下工人安然通過。

設(shè)計的具體思路描述如下。

（1） 根據(jù)最短避淹路徑模型設(shè)計過程，將這條路徑上的所有節(jié)點記錄下來，并且把每個節(jié)點連接的其他巷道段記錄下來。

（2） 從最短路徑的第一個節(jié)點開始，選擇與節(jié)點連接的巷道段開始搜索直到遇到這段巷道段上的另一個相鄰的節(jié)點，再以這個節(jié)點為起點，用計算最短路徑的方法，重新搜尋到達安全地區(qū)的最短路徑。

（3） 重復第2 步的內(nèi)容，從第一條最短路徑的第二個節(jié)點乃至后面所有節(jié)點都進行計算，制定出不同的避淹路徑。

（4） 對所有的路徑進行比較分析，可以根據(jù)礦井的實際情況，井下人員的數(shù)量選擇符合實情的路徑。

基于上述設(shè)計思路，設(shè)計出的礦井避災(zāi)多逃生路徑，如下圖9 所示。

圖9 礦井水災(zāi)多逃生路徑Fig.9 Multiple escape paths of mine flood

三維巷道模型應(yīng)用于礦井生產(chǎn)工作中，結(jié)合礦井設(shè)計的多逃生路徑，確實能有效的解決井下工人逃生通道發(fā)生擁擠堵塞等問題，提高井下人員的逃生率。

4 結(jié) 語

煤礦水災(zāi)避淹路徑是井下人員繞開水淹危險區(qū)，到達安全區(qū)所選擇的路徑，是水淹模型結(jié)果的應(yīng)用。本文基于3DMine 數(shù)字礦山基礎(chǔ)信息平臺構(gòu)建煤礦水災(zāi)避淹路徑，根據(jù)巷道網(wǎng)絡(luò)中水位平衡原理，通過相鄰結(jié)點水位，與淹沒水位的比較，最終獲取淹沒的巷道以及水位到達的位置，設(shè)計出了礦井水害突發(fā)后的避災(zāi)路線，既直觀反映了巷道空間分布形態(tài)，也為后續(xù)水害淹沒情況分析奠定了基礎(chǔ)。