地下矿突水过程的三维动态仿真模型构建

D0I:10.13374f.issnl00103x.203.02.0⑩4 第35卷第2期 北京科技大学学报 Vol.35 No.2 2013年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2013 地下矿突水过程的三维动态仿真模型构建 李翠平1,2)，李仲学1,2)，郑瑶瑕12》，李鑫12，侯定勇12》，周耀东12) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 通信作者，E-mail:zxli@ustb.cdu.cm 摘要通过分析突水水流井巷中漫延时空性变化的影响因素，提出了突水过程的三维动态仿宾模型架构.经数据模型 化、数据规则化、弧巷直巷化及井巷三维网络化处理，生成了井巷空间网络系统.通过研究水流在井巷空间网络中下向 漫延、上向升涨的路径算法，构建了突水水流流经井巷的路径网络.结合突水水流流动的水力特征，解算了突水水流的 漫延速度和到达时间.建立了能够真实模拟水流漫延过程的时空动态性变化的三维动态仿真模型.以国内某典型矿广山的 实际数据为例，验证了突水过程三维动态仿真模型的有效性， 关键词地下矿；矿山透水；建模：三维计算机图形：矿山救援 分类号TD672;TP391.9 Three-dimensional dynamic simulation modeling of water inrushes in underground mines LI Cui-ping2),LI Zhong-xuel2),ZHENG Yao-rial 2),LI Xin.2),HOU Ding-yong2),ZHOU Yao-dong!2) 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 2)Key Laboratory of High Efficiency Mining and Safety for Metal Mines(Ministry of Education),Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:zxli@ustb.edu.cn ABSTRACT The architecture of three-dimensional dynamic simulation models for water inrush processes in under- ground mines was proposed by analyzing the influencing factors of spatial and temporal changes when water inrushes spread in roadways.A roadway space network system was developed through data modeling and regularization,trans- formation from arc lanes to straight lanes,and three-dimensional network processing of roadways.The path network of water inrush flowing through roadways was formed based on the path algorithm of water spreading downward and upward.The spread speed and time of water inrushes were resolved in combination with the hydraulic characteristics of water inrush flowing.In such a way,a three-dimensional dynamic simulation model was established which can simulate the spatial and temporal dynamics of water spread processes.A typical mine in China was exemplified to verify the feasibility and effectiveness of the established model. KEY WORDS underground mines;mine fooding;modeling;three dimensional computer graphics:mine rescue 地下矿突水事故是矿山开采中的典型事故与 全生产的一项重要工作2-列 灾害之一，不仅会导致个人、矿山企业等相关受害 矿业及安全领域的学者针对地下矿突水进行 者在身心与经济上蒙受巨大痛苦与损失，而且对矿 了大量的探测、观测、监测、分析和实验研究，在 山社区及社会的和谐、稳定造成了严重的负面影响 地下矿突水机理4-6、突水水源判别7-、突水风 叫.随着矿山开采强度和深度的增加，高岩溶水压、 险评估及预测9-川、突水力学与涌水量的数值模 高地应力及强采刊矿扰动等现象趋于使地下矿水患恶 拟[12-1等方面取得了一系列研究成果.但是，由 化，因此地下矿突水典型灾害的防治是保证矿山安 于引发地下矿突水事故的原因复杂，既包括矿岩赋 收稿日期：2012-06-28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51174032；51174260)：教育部新世纪优秀人才支特计划资助项目(NCET-10-0225):中央 高校基本科研业务费专项(FRF-TP-09001A)

DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2013. 02. 004

第2期 李翠平等：地下矿突水过程的三维动态仿真模型构建 .141. 存条件与水文地质环境等客观因素，也包括人员操 点的位置、突水水源的水位标高与突水量，每一次 作、管理等主观因素，致使地下矿水害仍然是目前 突水事故都是不同的且具有很强的不确定性，因此 矿山开采过程中的典型灾害之一.为此，制订地下 吸引了大量的学者对此开展了大量的研究7-1).因 矿水害的救避灾预案，能够在矿山突水事故突然发 为本文的重点在于探讨已知突水点和突水水源情况 生时，实时、有效地指导井下人员迅速避灾、井上下突水水流在并巷中漫延的时空变化，所以研究工 救援人员及时救灾显得尤为重要16. 作的起点是在认为突水点位置、突水量和突水水源 本文探讨了可指导地下矿水害救避灾方案制 水位标高已经确知的前提下开展的， 订的突水水流井巷漫延的三维动态仿真模型，旨在 基于上述的分析，构建突水过程的三维动态仿 表达突水发生后随着时间推移水流在井巷空间中的 真模型需包括井巷空间网络系统生成、突水漫延过 动态漫延发展过程.通过对突水漫延过程的三维 程路径解算、突水漫延速度与漫延时间解算三部分 动态可视化仿真，可直观察看、分析和判断突水内容，即突水过程的三维动态仿真模型架构如图1 水流在不同的时间节点漫延到达的井巷位置、已影 所示. 响的井巷空间范围及所影响的程度，为有效制订井 下人员躲避水灾和井上人员应急救援的方案提供了 井巷数据模型化 依据， 井巷空间网 井巷数据规则化 络系统生成 1 突水过程的三维动态仿真模型架构 突水过 弧巷直巷化 为达到能够有效指导地下矿水害救避灾方案制 井巷三维网络化 西 定与实施的目的，突水漫延过程的三维动态仿真模 突水漫延过 下向漫延路径解算 型需要能够真实模拟水流漫延过程的时空动态性变 维 程路径解算 化.矿井突水事故发生后，水流通过突水点大量涌 上向升涨路径解算 入井巷中，并在重力作用下，沿井巷流入井底，伴 真模 下向漫延速度与时间 随涌水的持续，被淹井巷中的水位不断升高，直至 突水漫延速 解算 达到水位平衡为止 度与时间解 算 上向升涨速度与时间 面对突水事故，不论是井下人员的避灾、还是 解算 井上人员的救灾，大家都关注突水水流在不同时间 节点漫延到的井巷具体位置与影响范围，以及水流 图1突水过程的三维动态仿真模型架构图 在后续时间的漫延方位与趋势.因此，通过构建突 Fig.1 Architecture diagram of three-dimensional dynamic simulation models for water inrush processes 水过程的三维动态仿真模型以模拟水流漫延过程的 时空动态性变化，即模拟自井下突水时刻起、随着 井巷空间网络系统是构建突水过程三维动态仿 时间推移、水流在井巷中向下漫延的过程和水流达 真模型的基础，是突水过程三维动态仿真模型的空 到某一时间点或空间点后水位向上升涨的过程以及 间性的体现，决定着突水的具体漫延路径.井巷 在此过程中排水疏干对水流漫延的影响. 空间网络系统生成包括井巷数据模型化、井巷数 分析影响突水水流井巷中漫延时空性变化的 据规则化、弧巷直巷化以及井巷三维网络化四个环 因素主要取决于四个方面，即突水点的位置、突 节，最终生成具有空间有向图结构的井巷三维网络 水水源的水位标高与突水量、井巷工程的空间属性 系统. (包括空间尺度、空间布局、拓扑关系、导水性能 突水漫延过程路径解算是构建突水过程三维 等)以及矿井的疏干排水能力.突水点的位置影响 动态仿真模型的核心，决定着突水过程三维动态仿 着突水水流在井巷中漫延的路径先后：突水水源的 真模型的时空效果.将突水漫延过程分解为水流下 水位标高与突水量主要影响突水最终的淹井标高、 向漫延和水位上向升涨两个子过程，基于构建的井 水害波及的范围和程度：井巷工程的空间属性则影 巷三维空间网络，通过研究水流在井巷网络中下向 响着突水水流漫延的路径先后、水害波及的范围和 漫延、上向升涨的算法，构建突水水流下向漫延与 程度；疏干排水能力则影响着减小水流漫延、控制 上向升涨过程中流经井巷的路径网络. 水害的程度.对于井巷工程的空间属性与疏干排水 突水漫延速度与漫延时间解算是构建的突水 的能力，每一具体生产矿山是确定的：而对于突水 过程三维动态仿真模型的关键，是突水过程三维动

,142 北京科技大学学报 第35卷 态仿真模型的时间性的体现.基于水流下向漫延和 上中心线的关键点选取包括原始弧形巷道的起止点 水位上向升涨两个子过程，通过分析突水水流的水 及折线化后的各折点（折线间的连接点） 力特征，解算突水水流漫延速度.结合漫延路径，可 2.1.4井巷三维网络化 解算突水水流到达井巷空间任意位置的时间，即漫 经井巷工程信息的数据模型化、数据规则化和 延时间 弧巷直巷化处理后，即形成了井巷工程的空间结构 2突水过程的三维动态仿真模型构建 模型.但是，要实现地下矿突水过程的漫延过程 仿真，还需在此基础上建立井巷工程的三维网络模 2.1井巷空间网络系统生成 型，即需确定井巷各关键点间的网络连通性和连通 井巷工程是突水发生后水流漫延的路径空间， 的两关键点间距离.因此可将井巷的空间网络抽象 在突水点位置、突水量和突水水源水位标高确知的 为空间有向图：但有向图中各边的方向是动态的， 情况下，井巷工程的空间属性（包括空间尺度、空 取决于突水水流漫延的方向.可能有向图中某些边 间布局、拓扑关系、导水性能等)是影响水流漫延 甚至是双向的，原因是从突水漫延的发展过程看， 的重要因素.因此生成井巷空间网络系统是构建突 当突水水流下向漫延和水位上向升涨流经同一段巷 水过程三维动态仿真模型的基础 道时，该巷道段对应的空间有向图中的边即是双向 2.1.1井巷数据模型化 边.可见，对于井巷的空间网络有向图中方向的 井巷工程的空间布置主要由井巷断面形状和巷 确定是由突水水流漫延的方向来决定.因此，对于 道推进方向来体现，故井巷数据的模型化需依据井 井巷三维网络模型的数据结构组织主要考虑网络的 巷断面和推进方向来进行.根据井巷断面形状，可 连通性.为确定井巷中心线各关键点间的网络连通 将实际井巷抽象为矩形断面、梯形断面、拱形断面 性，需在数据结构中存储每个关键点的空间邻接点 和圆形断面，其中拱形断面又可依据实际工程细分 信息，即存储每个关键点的与之连通的、相邻的各 为半圆拱形、圆弧拱形和三心拱形.根据并巷推进 关键点信息.对于井巷网络各连通边的权值除了取 方向，可将实际井巷抽象为水平直巷、水平弧巷、竖 决于对应两关键点间井巷的空间尺寸（距离），从突 井、斜井、倾斜直巷和倾斜弧巷，其中水平直巷表 水漫延的角度还取决于巷道类型、粗糙度、坡度等 达近水平的直线推进的巷道，水平弧巷表达近水平 影响水流通行的因素.对应两关键点间井巷的距离 的弧线推进的巷道，竖井表达垂直方向的井筒，斜 井表达有倾斜角度的井筒，倾斜直巷表达斜坡道等 可通过两对应关键点的空间物理坐标来计算，而影 响水流通行的因素可通过解算水流漫延速度和时间 推进方向有倾斜角度的直巷，倾斜弧巷模型表达推 来考虑.可见，井巷三维网络模型的数据结构仅需 进方向有倾斜角度的弧巷 记录各关键点的空间信息和相应邻接点的信息.至 2.1.2井巷数据规则化 此，构建了井巷空间网络系统 考虑矿山实际井巷工程数据记录和存储方式 2.2突水漫延过程路径解算 的不同，需对实际井巷数据进行规则化处理.也就 是说，不论原始井巷数据采用何种记录形式，均将 基于构建的井巷空间网络，解算突水漫延过程 井巷数据提取为巷道中心线上关键点的信息集合， 路径可看作是对空间有向图的遍历.但是，由于突 即基于井巷数据模型化的巷道类型与断面参数，沿 水水流的重力作用，水流沿井巷会优先流入井底， 各井巷中心线的推进方向顺序提取并记录各空间关 伴随涌水的持续，被淹井巷中的水位再不断升高， 键点信息，其关键点选取包括各巷道的起止点、两 直至达到水位平衡为止.因此，考虑到重力的作用 条或多条巷道的交汇点、不同断面尺寸巷道的连接 效果，将突水水流在井巷中的漫延分解为水流下向 点、巷道推进方向发生改变的位置点等.因此，经 漫延和水位上向升涨两个子过程 井巷数据规则化后，实际的井巷数据被处理为不同 水流下向漫延与上向升涨的转折点（或交替点） 巷道类型和断面参数下各空间关键点的信息集合. 是井巷工程系统的全局或局部最低点.全局最低点 2.1.3弧形巷道直巷化 即井巷工程系统的最低标高点；局部最低点是指水 为便于弧形巷道的数据管理和建模，将弧巷直 流漫延到该点后，该点没有邻接点或其邻接点的标 巷化处理.即沿弧形巷道中心线将弧巷逐段折线 高均高于该点，而该点不是井巷工程的最低标高点 化，将弧巷处理为多段直巷的集合，用多段直线来 故水流沿井巷漫延会出现水流下向漫延和水位上向 拟合弧巷的弧形中心线，折线段的多少与稠密程度 升涨交替的过程，此过程可通过如下的漫延路径解 取决于对弧形巷道仿真效果的精度要求.弧形巷道 算算法实现

第2期 李翠平等：地下矿突水过程的三维动态仿真模型构建 .143· 2.2.1水流下向漫延路径解算 路径集合P,转至步骤(3)；否则判断K中存在具 地下矿发生水害时，水体经突水点喷出，当水 有和其自身相同标高的邻接点，则将该点从G移 流沿着平巷漫延时，其漫延路径可用常规图论的广 至漫延节点集合S,将该点从K中清除，将其邻接 度优先算法解算，即随着突水量的增加，从突水点 点加入到K,同时将该点信息加入到漫延路径集合 开始，水流沿着与突水点相连接的平巷漫延，若遇 P:若K中所有节点的邻接点的标高均大于这些节 有多条平巷交汇，水流不进行优先选择，多条平巷 点，此时说明水流已没有继续下向漫延的井巷，则 均有涌入，其涌入量的大小取决于各平巷的水力条 返回漫延路径集合P和漫延终点e,程序运行结束. 件.但当水流漫延到具有较低标高的井巷时，如斜 之后开始水位上向升涨路径运算. 坡道、竖井、溜井等，由于重力作用水流将优先涌 (3)重复运行步骤(2)，直至程序结束.最终所 入这些井巷，其他平巷的漫延则暂缓，且此前被漫 得漫延路径集合P,即为水流下向漫延过程所流经 延平巷的水位可能会随之下降.因此在进行水流下 的路径，算法流程图如图2所示 向漫延路径解算时，若水流流至标高较低井巷时， 通过水流下向漫延算法，得出水流下向漫延过 则水流优先流向该井巷，如此循环判断，最终水流 程中流经路径的各关键点的漫延顺序.该算法体现 将到达全局或局部最低点，此时水流下向漫延过程 了实际水流流动过程中重力的影响效果，即保证了 结束.此后，水流将开始水位上向升涨过程.水流 水流优先流向势能更低点 下向漫延路径算法的描述如下 2.2.2水位上向升涨路径解算 设定突水点T,创建井巷所有关键点信息集合 水流下向漫延算法的终点为一局部或全局最低 G,该集合即是井巷三维网络系统的信息集合，包含 点，即从该点起，水流没有可流向的势能相同点或 了各关键点的空间坐标信息及各点的邻接点信息 势能更低点，此时将开始水位上向升涨的过程.上 初始化漫延节点集合S,该集合用于存放水流已经 向升涨过程将根据突水量的大小最终达到水位平衡 漫延了的各关键点.初始化当前漫延水头节点集合 为止，甚至淹没整个井巷空间，水位上向升涨的解 K,该集合用于存放水头当前所处的关键点.通过 算过程如下. 定义集合K可确定水流漫延方向，其漫延方向由 水流水位上向升涨过程的起点即为水流下向 K集合中各节点的邻接点决定.建立漫延终点e, 漫延的终点e.创建井巷所有关键点信息集合G, 该节点既是水流下向漫延的终点，也是水流水位上 初始化上向升涨节点集合S、当前升涨水头节点集 向升涨的起点.初始化漫延路径集合P(p,d),该集 合K1、当前水位标高H、水源水位标高h及上向 合用于存放水流下向漫延流经的路径，集合中p为 升涨路径集合P(p,d) 水流下向漫延依次流经的各关键点，d为水流下向 (1)将e点从G1中移至上向升涨节点集合S, 漫延的路径长度 设定水位标高H为e点标高，将e的所有邻接点 (1)从突水点T开始，首先判断T的邻接点， 均从G1中移至当前升涨水头节点集合K1中 若其邻接点的标高小于T点标高，则将此时标高最 (2)检测K1中各节点标高，若存在有节点标高 低的邻接点加入当前水头节点集合K,将T移至漫 小于当前水位标高H,则说明还将进行水流下向漫 延节点集合S,转向步骤(2)；若其邻接点标高等于 延，此时需优先进行该井巷水流的下向漫延，将该 T点标高，则将标高相同点添加至当前水头点集合 点从K1转移至S1,计入P,将该点所有不在S1中 K,同时将T移至漫延点集合S,将该点信息写入 的邻接点加入到K1,转入步骤（③）.若存在有等于 漫延路径集合P,转向步骤(2)；若其邻接点的标高 当前水位标高H的点，则将这些点移至上向升涨 均大于T点标高，则说明此时已不存在下向漫延路 节点集合S1,计入乃，将这些点不在S1中的邻接 径，返回运行终点e=T,退出本循环.之后开始水 点从G1移至当前升涨水头节点集合K1中，同时 位上向升涨路径的解算. 将这些点的信息写入上向升涨路径集合P.若K1 (2)判断当前水头节点集合K是否为空.若K 中所有点标高均高于当前水位标高H,则将K1中 为空，则程序结束，返回路径集合P.若K不为空， 标高较低的点从K1移至S1,计入P,并将该点不 需判断K中节点标高，若K中存在小于该点标高 在S中的邻接点加入到K1,同时修改当前水位标 的邻接点，且该邻接点在集合G中，则将该点从G 高H为该点标高，判断H是否小于水源水位标高 移至漫延点集合S,清空K,并将该邻接点加入到 h,否则程序结束 当前水头节点集合K,同时将该点信息加入到漫延 (3)重复步骤(2)，直至当前升涨水头节点集合

.144· 北京科技大学学报 第35卷 K1为空，则水流升涨至水位平衡，返回水流上向升 涨路径P.上向升涨过程算法流程图如图3所示. 获取集合G, 初始化集合P、K、S 给定突水点T 否 其邻接点标高小于 或等于T点标高 是了 将初始T点从G移至 S,将邻接点加入K 是 K为空 否 程序结束 返回集合P 标高低于当前点 是 将A从G移至S,清空 的邻接点A标高 K,并将A的邻接点加 人K,同时将A写人P 否 是 所有邻接点标高均 高于当前点标高 否 查找K中具有与其自身相同标高的点，将这些点从G移至S,从K 中清除这些点，并将这些点的邻接点加人K,同时将这些点写人P 图2水流下向漫延路径算法流程图 Fig.2 Path algorithm flowchart of water spreading downward 初始化集合G1、P1、K1、 S,标高H,获取升涨起点。 将e从G转移至S1,设定H值为 e的标高，将e的邻接点加人到K, K是为空或 是 程序结束，返回水 H大于等于h 位上向升涨路径P 将K,中标高最低点移至 S1,计入P1,将该点不在 是 (,中存在标 高小于H的点 S中的邻接点加人K1 否 将这些点移至S,计人 P,并将这些点不在 K中存在标 高等于H的点 S中的邻接点加人K 否 选择K,中较低标高点移至S1,计人P1,将该点 不在S,中的邻接点加入K1,修改H为该点标高 图3水位上向升涨路径算法流程图 Fig.3 Path algorithm flowchart of water spreading upward