地下矿水灾场一体化构模及可视化仿真技术

第36卷第11期 北京科技大学学报 Vol.36 No.11 2014年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2014 地下矿水灾场一体化构模及可视化仿真技术 赵怡晴2，李仲学2⑧，周耀东12，曹志国2，李鑫2 1)北京科技大学金属矿广山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000832)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zli@usth.eu.cn 摘要针对地下矿突水三维可视化仿真，基于矿山复合场理论，通过对水灾漫延过程中各场量参数的空间几何性、分布性、 矢量性和时序性进行分析，给出属性空间的拓扑关系，构建了地下矿突水仿真的一体化动态模型，提出了相关属性的可视化 仿真方法.通过对空间场量进行体素化和场量化处理，以时间为步长，实现了水灾漫延过程的动态可视化表达.以某典型地 下矿山为例，通过对相关数据进行整理分析，实现了水灾漫延过程的动态可视化仿真，验证了地下矿突水一体化模型的可行 性和有效性 关键词地下开采：突水：构模：可视化 分类号TD745;TD672 Integrated modeling and visual simulation of water inrush in an underground mine ZHAO Yi-qing,LI Zhong-ue ZHOU Yao-dong,CAO Zhi-guo,U Xin 1)Key Laboratory of High Efficieney Mining and Safety for Metal Mines (Ministry of Education),University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zxli@ustb.edu.en ABSTRACT This article is aimed at the three-dimensional visual simulation of water inrush in an underground mine.The topological properties of spatial relationships were presented based on the mining complex field theory and by analyzing the space geometry,distri- bution,vector property,and time sequence of field variables during a water inrush process.An integrated dynamic simulation model of water inrush in an underground mine was built and a visual simulation method of related attributes was put forward.After the voxel and field quantification treatment of spatial field variables,the dynamic flood spreading process was expressed visually by time step.With a typical underground mine as an example and through the analysis of relevant data,the dynamic visual simulation of water inrush in this underground mine was implemented and the model's feasibility and validity were tested and verified through this case study. KEY WORDS underground mining:water inrush:modeling:visualization 根据我国有关矿井重特大事故统计，在所有事 目前，对于矿井水灾的研究主要集中于突水水 故类型中，突水事故死亡人数列第2位，发生次数列 源判别·-习、突水机理分析6-习、采动岩体渗流规律 第3位（瓦斯和顶板事故为前两位）.矿井突水除了 与突变机理0、突水预测山等方面，研究成果为有 造成淹井和伤亡事故，还会造成井下开采技术装备 效控制地下矿突水事故的发生提供了重要的理论依 及工程设施、矿区水资源和生态环境的严重损坏，影 据和指导作用.矿井突水数字仿真研究也随信息技 响正常生产，给国家、社会和家庭带来严重的直接或 术而有较大发展.黄光球等2-运用元胞自动机 间接的人身损害与经济损失， 和格子Boltzmann模型，对地下矿水灾发生时水流 收稿日期：201404-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51174260) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.11.002:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 11 期 2014 年 11 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 11 Nov． 2014 地下矿水灾场一体化构模及可视化仿真技术 赵怡晴1，2) ，李仲学1，2) ，周耀东1，2) ，曹志国1，2) ，李 鑫1，2) 1) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: zxli@ ustb． edu． cn 摘 要 针对地下矿突水三维可视化仿真，基于矿山复合场理论，通过对水灾漫延过程中各场量参数的空间几何性、分布性、 矢量性和时序性进行分析，给出属性空间的拓扑关系，构建了地下矿突水仿真的一体化动态模型，提出了相关属性的可视化 仿真方法． 通过对空间场量进行体素化和场量化处理，以时间为步长，实现了水灾漫延过程的动态可视化表达． 以某典型地 下矿山为例，通过对相关数据进行整理分析，实现了水灾漫延过程的动态可视化仿真，验证了地下矿突水一体化模型的可行 性和有效性． 关键词 地下开采; 突水; 构模; 可视化 分类号 TD 745; TD 672 Integrated modeling and visual simulation of water inrush in an underground mine ZHAO Yi-qing1，2) ，LI Zhong-xue1，2)  ，ZHOU Yao-dong1，2) ，CAO Zhi-guo1，2) ，LI Xin1，2) 1) Key Laboratory of High Efficiency Mining and Safety for Metal Mines ( Ministry of Education) ，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: zxli@ ustb． edu． cn ABSTＲACT This article is aimed at the three-dimensional visual simulation of water inrush in an underground mine． The topological properties of spatial relationships were presented based on the mining complex field theory and by analyzing the space geometry，distri￾bution，vector property，and time sequence of field variables during a water inrush process． An integrated dynamic simulation model of water inrush in an underground mine was built and a visual simulation method of related attributes was put forward． After the voxel and field quantification treatment of spatial field variables，the dynamic flood spreading process was expressed visually by time step． With a typical underground mine as an example and through the analysis of relevant data，the dynamic visual simulation of water inrush in this underground mine was implemented and the model’s feasibility and validity were tested and verified through this case study． KEY WOＲDS underground mining; water inrush; modeling; visualization 收稿日期: 2014--04--29 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51174260) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 11． 002; http: / /journals． ustb． edu． cn 根据我国有关矿井重特大事故统计，在所有事 故类型中，突水事故死亡人数列第 2 位，发生次数列 第 3 位( 瓦斯和顶板事故为前两位) ． 矿井突水除了 造成淹井和伤亡事故，还会造成井下开采技术装备 及工程设施、矿区水资源和生态环境的严重损坏，影 响正常生产，给国家、社会和家庭带来严重的直接或 间接的人身损害与经济损失． 目前，对于矿井水灾的研究主要集中于突水水 源判别［1 － 5］、突水机理分析［6 － 9］、采动岩体渗流规律 与突变机理［10］、突水预测［11］等方面，研究成果为有 效控制地下矿突水事故的发生提供了重要的理论依 据和指导作用． 矿井突水数字仿真研究也随信息技 术而有较大发展． 黄光球等［12 － 13］运用元胞自动机 和格子 Boltzmann 模型，对地下矿水灾发生时水流

第11期 赵怡晴等：地下矿水灾场一体化构模及可视化仿真技术 ·1437· 在巷道内的漫延过程进行了二维仿真及动力学分 时空变化的规律.矿井水灾场模型是多属性构成 析：周耀东、李翠平等4-采用改进的Dijkstra算 的复杂模型，其中包括：描述模型空间分布的空间 法和广度优先算法等，初步实现了矿井突水三维动 属性：描述模型中矿岩成分及地质构造的地质属 态漫延过程的仿真.但是，地下矿水灾场一体化建 性：描述勘探钻孔、井巷工程与采空区等的各种几 模、可视化技术、突水动态过程再现等主要问题仍待 何形体及其相关的工程属性；描述模型地下固、 深入研究 液、气多相介质以及各种力学结构及其行为的状 本文以矿山复合场理论为基础叨，对地下矿水 态；描述模型随时间序列变化的时序性.这五类属 灾场进行了一体化构模，利用三维仿真及可视化表 性之间相互制约并相互作用，共同构成了矿井水 达技术，以图形、图像等可视化方式在计算机屏幕上 灾场模型的主体 模拟井下生产及工程中的矿岩属性、水文地质、工程 (1)空间属性.空间属性主要指在矿山生命周 位置、事故隐患、灾害风险等状态、程度和演变过程 期内，模型内各种属性间的空间分布情况.空间属 等，便于生产及工程的技术与管理人员从各种角度 性主要描述为矿区范围内的各种地理环境、地表地 去观测、分析和对比多种情景和可能后果，洞察事故 形、各种地质界面、各种地质构造、矿体产状、围岩形 的潜在状态、发生原因、发展过程以及制定应急处置 态、地下开挖体、地下水体形状和各种监测数据在水 方案 灾场模型中的空间位置等。空间属性是构建水灾场 1地下矿水灾场一体化构模 模型的基础，同时也是其他属性间相互制约、相互作 用的纽带.在水灾场模型仿真过程中利用各种形态 1.1水灾场属性表征 (如地质体和井巷工程)的空间分布，使用点集、面 基于地下矿复合场理论，矿井突水灾害的产生、 片、三角柱、规则或非规则实体等空间几何表达手法 发展及周边空间影响因素（包括巷道布置、采矿活 进行三维可视化显示. 动、水文地质因素等)构成了地下矿水灾场.其属性 (2)地质属性.地质属性主要指矿井水灾场模 主要包括空间属性、地质属性、工程属性、状态与行 型中的各种地质属性参数，主要描述模型中地质 为以及时序性.其中，水灾场模型的空间属性即模 体（岩体、矿体等）和地质构造（断层等）空间分 型的空间坐标(x,y,z),它决定了模型的空间位置和 布、组分及其性状等.地质体是采矿作业的介质， 大小：地质属性则包含了水灾场内的地质信息，如地 地质构造是影响地质体空间分布的主要因素，两 表地形、地质体、断层、水源分布、隔水层和含水层； 者组成了水灾场模型中地质属性三维可视化的主 工程属性为水灾场内井下人员的活动区域，包括竖 要研究对象.通过分别对水灾场模型中各种地质 井、斜井、水平巷道和斜坡道等；状态与行为则表示 属性的各种参数表述，可以有效地了解地质体以 了模型在矿井突水事故中各项属性的变化和水流状 及地质构造间的分布状况及空间位置关系，从而 态.水灾场模型在某一时刻各属性间的相互关系如 实现仿真过程中各种地质形态间的单独或复合三 图1所示. 维可视化显示. 矿井水灾场模型以矿井地下水为研究对象， (3)工程属性.工程属性主要指矿井水灾场模 用于研究矿井突水在矿区地质环境和工程环境中 型中各种工程参数，如钻孔参数和井巷参数.井巷 y= 工程是矿山作业人员的主要作业环境，同时也是研 究矿山安全的主要研究对象，在三维可视化仿真过 空间属性 程中，通过面绘制和体绘制的方法实现各种井巷工 ★ 地表地形 程的描述，以及井下状态和井下人员活动等的描述， 属性状态 状态与 地质体 水灾场 地质属性+ 完成对模型工程属性的表达， 水流 行为 断层 (4)状态.在矿井水灾场模型中，包含各种物质 水体 工程属性 状态（如固态、液态、气态和混合态）、应力分布、节 理情况以及破碎程度等环境状态信息，模型中还具 竖 有许多围岩的扰动信息、突水点的涌水量信息、井巷 道 中的水流信息等水灾过程信息.在三维可视化仿真 过程中，对于具有具体形态的固态、液态对象如地质 图1水灾场属性关系图 Fig.I Attribute relationship of water inrush modeling 体、水体等物质，其状态可以在面绘制构造其三维表

第 11 期 赵怡晴等: 地下矿水灾场一体化构模及可视化仿真技术 在巷道内的漫延过程进行了二维仿真及动力学分 析; 周耀东、李翠平等［14 － 16］采用改进的 Dijkstra 算 法和广度优先算法等，初步实现了矿井突水三维动 态漫延过程的仿真． 但是，地下矿水灾场一体化建 模、可视化技术、突水动态过程再现等主要问题仍待 深入研究． 本文以矿山复合场理论为基础［17］，对地下矿水 灾场进行了一体化构模，利用三维仿真及可视化表 达技术，以图形、图像等可视化方式在计算机屏幕上 模拟井下生产及工程中的矿岩属性、水文地质、工程 位置、事故隐患、灾害风险等状态、程度和演变过程 等，便于生产及工程的技术与管理人员从各种角度 去观测、分析和对比多种情景和可能后果，洞察事故 的潜在状态、发生原因、发展过程以及制定应急处置 方案． 1 地下矿水灾场一体化构模 1. 1 水灾场属性表征 基于地下矿复合场理论，矿井突水灾害的产生、 发展及周边空间影响因素( 包括巷道布置、采矿活 动、水文地质因素等) 构成了地下矿水灾场． 其属性 主要包括空间属性、地质属性、工程属性、状态与行 为以及时序性． 其中，水灾场模型的空间属性即模 型的空间坐标( x，y，z) ，它决定了模型的空间位置和 大小; 地质属性则包含了水灾场内的地质信息，如地 表地形、地质体、断层、水源分布、隔水层和含水层; 工程属性为水灾场内井下人员的活动区域，包括竖 井、斜井、水平巷道和斜坡道等; 状态与行为则表示 了模型在矿井突水事故中各项属性的变化和水流状 态． 水灾场模型在某一时刻各属性间的相互关系如 图 1 所示． 图 1 水灾场属性关系图 Fig． 1 Attribute relationship of water inrush modeling 矿井水灾场模型以矿井地下水为研究对象， 用于研究矿井突水在矿区地质环境和工程环境中 时空变化的规律． 矿井水灾场模型是多属性构成 的复杂模型，其中包括: 描述模型空间分布的空间 属性; 描述模型中矿岩成分及地质构造的地质属 性; 描述勘探钻孔、井巷工程与采空区等的各种几 何形体及其相关的工程属性; 描述模型地下固、 液、气多相介质以及各种力学结构及其行为的状 态; 描述模型随时间序列变化的时序性． 这五类属 性之间相互制约并相互作用，共同构成了矿井水 灾场模型的主体． ( 1) 空间属性． 空间属性主要指在矿山生命周 期内，模型内各种属性间的空间分布情况． 空间属 性主要描述为矿区范围内的各种地理环境、地表地 形、各种地质界面、各种地质构造、矿体产状、围岩形 态、地下开挖体、地下水体形状和各种监测数据在水 灾场模型中的空间位置等． 空间属性是构建水灾场 模型的基础，同时也是其他属性间相互制约、相互作 用的纽带． 在水灾场模型仿真过程中利用各种形态 ( 如地质体和井巷工程) 的空间分布，使用点集、面 片、三角柱、规则或非规则实体等空间几何表达手法 进行三维可视化显示． ( 2) 地质属性． 地质属性主要指矿井水灾场模 型中的各种地质属性参数，主要描述模型中地质 体( 岩体、矿 体 等) 和 地 质 构 造( 断 层 等) 空 间 分 布、组分及其性状等． 地质体是采矿作业的介质， 地质构造是影响地质体空间分布的主要因素，两 者组成了水灾场模型中地质属性三维可视化的主 要研究对象． 通过分别对水灾场模型中各种地质 属性的各种参数表述，可以有效地了解地质体以 及地质构造间的分布状况及空间位置关系，从而 实现仿真过程中各种地质形态间的单独或复合三 维可视化显示． ( 3) 工程属性． 工程属性主要指矿井水灾场模 型中各种工程参数，如钻孔参数和井巷参数． 井巷 工程是矿山作业人员的主要作业环境，同时也是研 究矿山安全的主要研究对象，在三维可视化仿真过 程中，通过面绘制和体绘制的方法实现各种井巷工 程的描述，以及井下状态和井下人员活动等的描述， 完成对模型工程属性的表达． ( 4) 状态． 在矿井水灾场模型中，包含各种物质 状态( 如固态、液态、气态和混合态) 、应力分布、节 理情况以及破碎程度等环境状态信息，模型中还具 有许多围岩的扰动信息、突水点的涌水量信息、井巷 中的水流信息等水灾过程信息． 在三维可视化仿真 过程中，对于具有具体形态的固态、液态对象如地质 体、水体等物质，其状态可以在面绘制构造其三维表 · 7341 ·

·1438 北京科技大学学报 第36卷 面模型或采用直接体绘制的方式进行三维仿真的同 割、拓扑描述、模型维护等方面存在差异。其中，表 时通过颜色进行描述，而对应力场、水流状态等属性 面构模方法可以比较方便地实现模型中复杂属性的 描述，不仅须对其空间位置进行描述，还应对其方向 三维可视化和模型更新，却无法清晰地描述属性内 进行描述，在仿真方式上一般可采用箭头或动态仿 部和属性间的三维空间拓扑关系，更无法进行开采 真的方式进行方向的描述、参数进行数量的标识等 设计；实体构模方法虽然是真三维的仿真，但模型更 (5)时序性.矿井水灾场模型中的各项属性均 新比较复杂，同时难以对复杂属性进行构模，且模型 是以时间1为序，随着采矿作业或灾害发展呈现动 也几乎不描述拓扑关系 态的变化过程.其动态过程不仅包含在一定条件下 矿井水灾场模型在建模时，针对模型中不同属 各工作面运输巷道、酮室等井下气候状况，采掘、运 性采用不同的构模方法 输、通风等设备运行状况等的变化，也包括模型中地 ①对于矿井水灾场中各种关键点，由于其关键 质属性、工程属性以及状态随采掘进度而发生的变 点所包含的信息较多，对地质属性、工程属性和状态 化.在三维可视化仿真过程中，一般使用监控、检测 的描述比较丰富，因此对其进行实体建模，形成矿井 设备所采集的实时数据和根据各项属性的动态演变 水灾场模型集合： 规律所模拟出的动态数据，并通过引入“模拟钟”的 ②对于地质属性，由于矿井水灾场的地质相对 方式来体现“模拟时间”，借此顺序、并发的模拟矿 复杂、实际信息较少，造成关键点的地质属性相对稀 山生产中各种对象的变化情况和各种状态. 缺，通常选用表面模型； 矿井水灾场模型是一个在有限的空间范围内， ③对于工程属性，井巷工程信息较多，关键点的 所包含的各种属性（地质属性、工程属性、状态等） 工程属性相对丰富，通常选用表面模型和实体模型 随时间序列所变化的复杂系统，如图2所示，为以空 相结合的混合绘制方法： 间规则实体存在的模型属性变化图.因此，从系统 ④对于状态，根据实际生产的需要，在属性构模 仿真的需求角度出发，矿井水灾场模型应能表达较 时通常会考虑状态应用目的选用不同的模型进行 多的内容，适应较为广泛的范围，同时具有良好的拓 表达 扑关系管理，并能方便的体现模型的动态更新 (2)空间拓扑关系的确定.在三维可视化仿真 技术中，无论是表面模型还是实体模型，其模型都是 地质属性1 地质属性2 通过关键点、线、面、体元等四类几何要素之间的拓 性 属性2 扑关系来进行表达的.在实际应用时，不仅是各属 性内部的集合要素之间需要进行逻辑关系的表达， 更需要对属性内部和各属性间的拓扑分析和逻辑关 状 系进行详细描述，这是基于几何要素的拓扑表达所 不能支持的.这就需要在一般几何要素的关系之 上，建立更为复杂的属性拓扑关系描述模型 图2模型属性变化示意图 (3)模型的时序性体现.矿区自然环境和地下 Fig.2 Schematic diagram of modeling attributes 采矿作业是一个不断发展变化的过程，一个三维仿 1.2水灾场构模 真模型或三维仿真系统的生命力取决于该模型或系 矿井水灾场模型的构建通过采用传统的三维地 统能否保持适当、必要的实时性.矿井水灾场模型 学空间构模与仿真方法对其进行实现.传统上的三 的动态变化主要是因环境演变、自然灾害、地下开 维空间模型针对实体几何刻画方式的不同大体分为 挖、矿体开采等过程所引起的，对模型的时序性表达 表面模型和实体模型两类.其中，表面模型通常针 内容主要包括：模型空间边界的变化、模型内部属性 对三维空间对象表面的连续或非连续几何特征进行 的改变、模型内部和外部拓扑关系的变化等.可是 描述，不考虑对象的内部特征：实体模型通常采用体 传统的三维模型仅仅是对对象进行静态的表面模型 素的方法实现对仿真对象内部空间的完整填充，实 或实体模型，很少涉及空间模型的动态问题.因此， 体模型在描述对象的表面形态的同时还包括了对象 必须构建一种动态的、发展的空间模型，支持方便、 的内部特征 快捷的实现矿井水灾场之对象的显示与更新，同时 (1)模型的选取.采用表面模型和实体模型对 对矿井水灾场的地质体的空间形态、井巷的空间关 矿井水灾场进行构模时，其各自在几何描述、空间分 系等几何属性和矿井突水过程的状态等进行统一的

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 面模型或采用直接体绘制的方式进行三维仿真的同 时通过颜色进行描述，而对应力场、水流状态等属性 描述，不仅须对其空间位置进行描述，还应对其方向 进行描述，在仿真方式上一般可采用箭头或动态仿 真的方式进行方向的描述、参数进行数量的标识等． ( 5) 时序性． 矿井水灾场模型中的各项属性均 是以时间 t 为序，随着采矿作业或灾害发展呈现动 态的变化过程． 其动态过程不仅包含在一定条件下 各工作面运输巷道、硐室等井下气候状况，采掘、运 输、通风等设备运行状况等的变化，也包括模型中地 质属性、工程属性以及状态随采掘进度而发生的变 化． 在三维可视化仿真过程中，一般使用监控、检测 设备所采集的实时数据和根据各项属性的动态演变 规律所模拟出的动态数据，并通过引入“模拟钟”的 方式来体现“模拟时间”，借此顺序、并发的模拟矿 山生产中各种对象的变化情况和各种状态． 矿井水灾场模型是一个在有限的空间范围内， 所包含的各种属性( 地质属性、工程属性、状态等) 随时间序列所变化的复杂系统，如图 2 所示，为以空 间规则实体存在的模型属性变化图． 因此，从系统 仿真的需求角度出发，矿井水灾场模型应能表达较 多的内容，适应较为广泛的范围，同时具有良好的拓 扑关系管理，并能方便的体现模型的动态更新． 图 2 模型属性变化示意图 Fig． 2 Schematic diagram of modeling attributes 1. 2 水灾场构模 矿井水灾场模型的构建通过采用传统的三维地 学空间构模与仿真方法对其进行实现． 传统上的三 维空间模型针对实体几何刻画方式的不同大体分为 表面模型和实体模型两类． 其中，表面模型通常针 对三维空间对象表面的连续或非连续几何特征进行 描述，不考虑对象的内部特征; 实体模型通常采用体 素的方法实现对仿真对象内部空间的完整填充，实 体模型在描述对象的表面形态的同时还包括了对象 的内部特征． ( 1) 模型的选取． 采用表面模型和实体模型对 矿井水灾场进行构模时，其各自在几何描述、空间分 割、拓扑描述、模型维护等方面存在差异． 其中，表 面构模方法可以比较方便地实现模型中复杂属性的 三维可视化和模型更新，却无法清晰地描述属性内 部和属性间的三维空间拓扑关系，更无法进行开采 设计; 实体构模方法虽然是真三维的仿真，但模型更 新比较复杂，同时难以对复杂属性进行构模，且模型 也几乎不描述拓扑关系． 矿井水灾场模型在建模时，针对模型中不同属 性采用不同的构模方法． ①对于矿井水灾场中各种关键点，由于其关键 点所包含的信息较多，对地质属性、工程属性和状态 的描述比较丰富，因此对其进行实体建模，形成矿井 水灾场模型集合; ②对于地质属性，由于矿井水灾场的地质相对 复杂、实际信息较少，造成关键点的地质属性相对稀 缺，通常选用表面模型; ③对于工程属性，井巷工程信息较多，关键点的 工程属性相对丰富，通常选用表面模型和实体模型 相结合的混合绘制方法; ④对于状态，根据实际生产的需要，在属性构模 时通常会考虑状态应用目的选用不同的模型进行 表达． ( 2) 空间拓扑关系的确定． 在三维可视化仿真 技术中，无论是表面模型还是实体模型，其模型都是 通过关键点、线、面、体元等四类几何要素之间的拓 扑关系来进行表达的． 在实际应用时，不仅是各属 性内部的集合要素之间需要进行逻辑关系的表达， 更需要对属性内部和各属性间的拓扑分析和逻辑关 系进行详细描述，这是基于几何要素的拓扑表达所 不能支持的． 这就需要在一般几何要素的关系之 上，建立更为复杂的属性拓扑关系描述模型． ( 3) 模型的时序性体现． 矿区自然环境和地下 采矿作业是一个不断发展变化的过程，一个三维仿 真模型或三维仿真系统的生命力取决于该模型或系 统能否保持适当、必要的实时性． 矿井水灾场模型 的动态变化主要是因环境演变、自然灾害、地下开 挖、矿体开采等过程所引起的，对模型的时序性表达 内容主要包括: 模型空间边界的变化、模型内部属性 的改变、模型内部和外部拓扑关系的变化等． 可是 传统的三维模型仅仅是对对象进行静态的表面模型 或实体模型，很少涉及空间模型的动态问题． 因此， 必须构建一种动态的、发展的空间模型，支持方便、 快捷的实现矿井水灾场之对象的显示与更新，同时 对矿井水灾场的地质体的空间形态、井巷的空间关 系等几何属性和矿井突水过程的状态等进行统一的 · 8341 ·

第11期 赵怡晴等：地下矿水灾场一体化构模及可视化仿真技术 ·1439· 动态描述，形成动态的、多属性的及多状态的复杂场 中，其水体状态是模型状态研究的重点. 系统. (5)对于时序性的仿真.以模型的时效为序，在 系统时钟的作用下，将各场量中场强集合和场向集 2 地下矿突水可视化仿真技术 合进行顺次描绘，形成对象的动态仿真 2.1模型仿真方法 2.2仿真关键技术 矿井水灾场的仿真过程是对模型中的不同属性 2.2.1工程属性可视化仿真 进行三维可视化的仿真过程.由于所占空间范围很 矿井水灾场模型的工程属性可视化仿真过程 大，在仿真过程中通常无法对整个矿山区域进行详 中，首先需要对其工程属性进行网络化处理，建立井 细的三维仿真以及属性变化过程的动态演示，因此 巷当量网络，从而实现在突水过程中的巷道水流下 在仿真过程的数据获取方面对模型中关键点的数量 向漫延路径和水位上升过程中的网络解算工作.针 存在必要的规定.关键点间距过小，模型的关键点 对以上的要求，通过对巷道网络的连通性处理和巷 数量会较多，三维可视化绘制效果更细腻，然而仿真 道网络权值进行赋值，完成对水灾环境下井巷网络 过程中的数据传输量会变大，绘制时间变长；关键点 拓扑关系的数据处理. 间距过大，仿真过程中的数据传输会变少，绘制时间 (1)网络连通性处理.通过对水灾场模型中的 较短，然而绘制效果相对较差.因此如何选取较为 工程属性进行网络化处理，形成各种井巷模型，如竖 合理的模型关键点对矿井水灾场仿真起着重要的 井模型、斜井模型、水平巷道模型和斜坡道模型.完 作用. 成对各种井巷模型间数据的统一处理，实现矿井井 在对矿井水灾场模型绘制的过程中，根据模型 巷网络的连通性.统一化处理的主要工作是对水灾 中各种属性参数决定关键点的多少，在地质体分界 场中含有多种工程属性的巷道连接处进行分解，在 面、对矿井突水安全影响较大的断层以及人员活动 同一巷道模型间和不同巷道模型间的连接处利用矿 较为密集的井巷工程体上提取较多的关键点，从而 井水灾场模型中统一的关键点空间属性信息对其进 保证在三维仿真过程中的准确性，在岩性相对稳定 行描述 的围岩体内提取较少的关键点从而节省系统资源， 通常的网络连通是二维平面的，在矿井水灾场 加快模型的绘制速度.由于矿区中各种仿真对象关 的井巷网络连通性处理中，需要将不同水平的二维 键点的空间位置存在一致性，矿井水灾场模型得以 井巷网络间进行相互连接，形成具有三维特性的矿 按照时间先后的顺序分别对矿山井下的地质属性、 井井巷网络.在各种井巷模型建立的基础之上，根 工程属性和状态进行三维可视化的动态仿真，具体 据矿井突水模型中关键点的空间属性分别赋予各种 的仿真步骤如下： 模型水平属性，对于井筒和斜坡道等涉及到多个水 (1)对空间形态的仿真.在模型中提取仿真对 平的工程，则采用分段标识的方式进行水平属性的 象所涉及的关键点空间位置集合，在三维空间内对 确定，实现井巷网络中的二维网络结构向三维网络 需要仿真的属性进行组织与绘制体元，实现对对象 结构的转化 属性的空间位置、空间关系和几何形状的描述.空 (2)网络权值赋值.突水事故中井巷网络中各 间属性的一致性为矿井水灾场模型的三维可视化仿 巷道关键点连通的权值与一般情况下的井巷工程长 真奠定了基础. 度不同，它所表达的不仅是井巷工程的长度，同时还 (2)对于地质属性的仿真.在模型中提取地质 需要表达巷道类型、粗糙度、坡度、风速等影响井巷 属性的集合，通过在三维空间内对地质体以及地质 通水的因素.因此，将影响井巷通水因素与网络关 构造等分布情况进行组织与绘制体元，并对这些体 键点间长度相结合，使一般的矿井井巷网络转化为 元中的岩层岩性、断层属性等进行描述 矿井水灾场下的井巷当量网络，方便对矿井突水过 (3)对于工程属性的仿真.在模型中提取工程 程的仿真 属性的集合，通过在三维空间内对勘探工程、井巷工 (3)工程属性仿真.就矿井水灾场中工程属性 程以及井下设施等进行组织与绘制体元，并对这些体 的表现内容而言，通常所关注的是各种井巷工程的 元中的属性信息、井巷参数、设备属性等进行描述 空间位置、形体及相互关系等内容，这些内容可通过 (4)对于状态的仿真.在模型中提取状态的集 井巷所知的参数和属性信息构建面模型，并以面绘 合，并对井下模型进行地质状态、工程状态、系统状 制方式进行展现.通过对工程属性的数据处理，将 态、井下水流等三维矢量的描述，在矿井水灾场模型 复杂的井巷信息转化为以模型关键点所组成的巷道

第 11 期 赵怡晴等: 地下矿水灾场一体化构模及可视化仿真技术 动态描述，形成动态的、多属性的及多状态的复杂场 系统． 2 地下矿突水可视化仿真技术 2. 1 模型仿真方法 矿井水灾场的仿真过程是对模型中的不同属性 进行三维可视化的仿真过程． 由于所占空间范围很 大，在仿真过程中通常无法对整个矿山区域进行详 细的三维仿真以及属性变化过程的动态演示，因此 在仿真过程的数据获取方面对模型中关键点的数量 存在必要的规定． 关键点间距过小，模型的关键点 数量会较多，三维可视化绘制效果更细腻，然而仿真 过程中的数据传输量会变大，绘制时间变长; 关键点 间距过大，仿真过程中的数据传输会变少，绘制时间 较短，然而绘制效果相对较差． 因此如何选取较为 合理的模型关键点对矿井水灾场仿真起着重要的 作用． 在对矿井水灾场模型绘制的过程中，根据模型 中各种属性参数决定关键点的多少，在地质体分界 面、对矿井突水安全影响较大的断层以及人员活动 较为密集的井巷工程体上提取较多的关键点，从而 保证在三维仿真过程中的准确性，在岩性相对稳定 的围岩体内提取较少的关键点从而节省系统资源， 加快模型的绘制速度． 由于矿区中各种仿真对象关 键点的空间位置存在一致性，矿井水灾场模型得以 按照时间先后的顺序分别对矿山井下的地质属性、 工程属性和状态进行三维可视化的动态仿真，具体 的仿真步骤如下: ( 1) 对空间形态的仿真． 在模型中提取仿真对 象所涉及的关键点空间位置集合，在三维空间内对 需要仿真的属性进行组织与绘制体元，实现对对象 属性的空间位置、空间关系和几何形状的描述． 空 间属性的一致性为矿井水灾场模型的三维可视化仿 真奠定了基础． ( 2) 对于地质属性的仿真． 在模型中提取地质 属性的集合，通过在三维空间内对地质体以及地质 构造等分布情况进行组织与绘制体元，并对这些体 元中的岩层岩性、断层属性等进行描述． ( 3) 对于工程属性的仿真． 在模型中提取工程 属性的集合，通过在三维空间内对勘探工程、井巷工 程以及井下设施等进行组织与绘制体元，并对这些体 元中的属性信息、井巷参数、设备属性等进行描述． ( 4) 对于状态的仿真． 在模型中提取状态的集 合，并对井下模型进行地质状态、工程状态、系统状 态、井下水流等三维矢量的描述，在矿井水灾场模型 中，其水体状态是模型状态研究的重点． ( 5) 对于时序性的仿真． 以模型的时效为序，在 系统时钟的作用下，将各场量中场强集合和场向集 合进行顺次描绘，形成对象的动态仿真． 2. 2 仿真关键技术 2. 2. 1 工程属性可视化仿真 矿井水灾场模型的工程属性可视化仿真过程 中，首先需要对其工程属性进行网络化处理，建立井 巷当量网络，从而实现在突水过程中的巷道水流下 向漫延路径和水位上升过程中的网络解算工作． 针 对以上的要求，通过对巷道网络的连通性处理和巷 道网络权值进行赋值，完成对水灾环境下井巷网络 拓扑关系的数据处理． ( 1) 网络连通性处理． 通过对水灾场模型中的 工程属性进行网络化处理，形成各种井巷模型，如竖 井模型、斜井模型、水平巷道模型和斜坡道模型． 完 成对各种井巷模型间数据的统一处理，实现矿井井 巷网络的连通性． 统一化处理的主要工作是对水灾 场中含有多种工程属性的巷道连接处进行分解，在 同一巷道模型间和不同巷道模型间的连接处利用矿 井水灾场模型中统一的关键点空间属性信息对其进 行描述． 通常的网络连通是二维平面的，在矿井水灾场 的井巷网络连通性处理中，需要将不同水平的二维 井巷网络间进行相互连接，形成具有三维特性的矿 井井巷网络． 在各种井巷模型建立的基础之上，根 据矿井突水模型中关键点的空间属性分别赋予各种 模型水平属性，对于井筒和斜坡道等涉及到多个水 平的工程，则采用分段标识的方式进行水平属性的 确定，实现井巷网络中的二维网络结构向三维网络 结构的转化． ( 2) 网络权值赋值． 突水事故中井巷网络中各 巷道关键点连通的权值与一般情况下的井巷工程长 度不同，它所表达的不仅是井巷工程的长度，同时还 需要表达巷道类型、粗糙度、坡度、风速等影响井巷 通水的因素． 因此，将影响井巷通水因素与网络关 键点间长度相结合，使一般的矿井井巷网络转化为 矿井水灾场下的井巷当量网络，方便对矿井突水过 程的仿真． ( 3) 工程属性仿真． 就矿井水灾场中工程属性 的表现内容而言，通常所关注的是各种井巷工程的 空间位置、形体及相互关系等内容，这些内容可通过 井巷所知的参数和属性信息构建面模型，并以面绘 制方式进行展现． 通过对工程属性的数据处理，将 复杂的井巷信息转化为以模型关键点所组成的巷道 · 9341 ·

·1440 北京科技大学学报 第36卷 底部中心线和巷道断面参数信息.通过求解断面各 过程. 关键点信息，从而形成以巷道中心线和巷道断面参 (4)水流的上向升涨过程被看作是从井巷的全 数所组成的工程属性模型 局或局部最低点开始向上漫延的过程，再次对Dk- 2.2.2状态可视化技术 stra搜索算法进行改进，确保水流是在巷道联通的 在矿井水灾场模型中，状态仿真主要是通过对 基础上，从下向上升涨，完成水流的上向升涨过程 动态水流的仿真而实现的.由于动态水流的时序 解算. 性，故采用动态仿真技术对其进行可视化.在模型 (5)调用JOGL类库中的线、点绘制函数和突水 的动态仿真中，引入一个“模拟钟”来体现“模拟时 仿真过程时间序列结果，通过时间控制器的设定，按 间”的运行轨迹，并通过“模拟钟”的不断推进来得 时间间隔更新巷道的突水状态.同时，利用绘制函 到动态水流在矿井水灾场中的状态，从而可以随着 数进行巷道绘制，并以颜色标识当时的灾害影响程 时间不断改变而体现出系统的动态变化过程.其基 度，从而完成矿井突水仿真. 本步骤如下： (1)确立系统的各离散化事件，选取系统的初 4实例分析 始状态，并以开始模拟的时刻作为模拟钟的零点： 以国内某典型金属矿山为例，通过数据采集分 (2)从该起点开始，每推进一个时间步长△，就 析整理，实现了水灾场一体化构模及地下矿突水过 对系统的所有离散事件的情况等进行扫描，并根据 程（水流向下漫延和上涨过程）的动态可视化仿真. 各离散事件的逻辑关系以及相互制约条件，更新系 图3为该金属矿山突水仿真初始状态，即水灾场模 统状态，如果有事件发生则它们就被认为发生在△1 型可视化. 的终止处，如果在△内无事件发生则系统的状态不 发生变化，只将模拟钟推进： (3)重复上述过程，直至系统整个模拟完毕 为止； (4)基于上述仿真结果，以时间为序，通过对其 仿真结果采用方向、颜色的方式实现状态可视化 3地下矿突水过程可视化仿真步骤 矿井突水影响范围的仿真过程建立在井巷网络 当量模型的基础之上，将整个井巷划分为若干较小 巷道，利用改进的Dijkstra搜索算法对矿井突水水 流漫延路径进行解算，在进行每一步的解算时，增加 图3地下矿水灾场可视化 对重力和标高的考虑以及判断，并与突水点、突水 Fig.3 Integrated dynamic simulation model of water inrush in the 量、井巷空间体积、井巷拓扑结构等因素相结合，实 underground mine 现水流在井巷中漫延路径的仿真 突水过程仿真分为以下几步： 在水流下向漫延过程仿真中，通过设定的突水 (1)构建井巷当量网络模型拓扑结构，包括基 巷道，按照漫延过程中巷道网络解算方法，计算井巷 本井巷信息和井巷空间信息. 网络中各巷道的水流状态、通过时间等，并通过颜色 (2)设置矿井水灾发生时的突水点位置、涌水 表示影响范围.本文中假设该矿2号矿体附近 量、开始时刻、更新时间间隔等参数 -140水平某巷道发生突水，按照水流下向漫延过 (3)在水灾场下井巷网络拓扑结构的基础上， 程仿真算法，计算网络中各巷道的每一时刻的水流 根据突水点信息，通过对井巷当量网络中巷道关系 状态、影响范围等.图4为某时刻突水发生后水流 进行分析，采用改进Dijkstra搜索算法解算突水发 向下漫延局部可视化图 生后，水流下向漫延路径.改进的Dijkstra搜索算法 在水位上向升涨过程仿真中，在完成水流下向 在进行解算时，充分考虑井巷结构与重力的作用关 漫延过程仿真的同时，触发水位上向升涨过程仿真. 系，确保水流首先流向标高较低的巷道.在水流达 仿真按照升涨过程中巷道网络解算方法，计算井巷 到全局或局部最低点时，水流将开始上向升涨的 网络中各巷道的水位高度和淹没时间，并通过颜色

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 底部中心线和巷道断面参数信息． 通过求解断面各 关键点信息，从而形成以巷道中心线和巷道断面参 数所组成的工程属性模型． 2. 2. 2 状态可视化技术 在矿井水灾场模型中，状态仿真主要是通过对 动态水流的仿真而实现的． 由于动态水流的时序 性，故采用动态仿真技术对其进行可视化． 在模型 的动态仿真中，引入一个“模拟钟”来体现“模拟时 间”的运行轨迹，并通过“模拟钟”的不断推进来得 到动态水流在矿井水灾场中的状态，从而可以随着 时间不断改变而体现出系统的动态变化过程． 其基 本步骤如下: ( 1) 确立系统的各离散化事件，选取系统的初 始状态，并以开始模拟的时刻作为模拟钟的零点; ( 2) 从该起点开始，每推进一个时间步长 Δt，就 对系统的所有离散事件的情况等进行扫描，并根据 各离散事件的逻辑关系以及相互制约条件，更新系 统状态，如果有事件发生则它们就被认为发生在 Δt 的终止处，如果在 Δt 内无事件发生则系统的状态不 发生变化，只将模拟钟推进; ( 3) 重 复 上 述 过 程，直至系统整个模拟完毕 为止; ( 4) 基于上述仿真结果，以时间为序，通过对其 仿真结果采用方向、颜色的方式实现状态可视化． 3 地下矿突水过程可视化仿真步骤 矿井突水影响范围的仿真过程建立在井巷网络 当量模型的基础之上，将整个井巷划分为若干较小 巷道，利用改进的 Dijkstra 搜索算法对矿井突水水 流漫延路径进行解算，在进行每一步的解算时，增加 对重力和标高的考虑以及判断，并与突水点、突水 量、井巷空间体积、井巷拓扑结构等因素相结合，实 现水流在井巷中漫延路径的仿真． 突水过程仿真分为以下几步: ( 1) 构建井巷当量网络模型拓扑结构，包括基 本井巷信息和井巷空间信息． ( 2) 设置矿井水灾发生时的突水点位置、涌水 量、开始时刻、更新时间间隔等参数． ( 3) 在水灾场下井巷网络拓扑结构的基础上， 根据突水点信息，通过对井巷当量网络中巷道关系 进行分析，采用改进 Dijkstra 搜索算法解算突水发 生后，水流下向漫延路径． 改进的 Dijkstra 搜索算法 在进行解算时，充分考虑井巷结构与重力的作用关 系，确保水流首先流向标高较低的巷道． 在水流达 到全局或局部最低点时，水流将开始上向升涨的 过程． ( 4) 水流的上向升涨过程被看作是从井巷的全 局或局部最低点开始向上漫延的过程，再次对 Dijk￾stra 搜索算法进行改进，确保水流是在巷道联通的 基础上，从下向上升涨，完成水流的上向升涨过程 解算． ( 5) 调用 JOGL 类库中的线、点绘制函数和突水 仿真过程时间序列结果，通过时间控制器的设定，按 时间间隔更新巷道的突水状态． 同时，利用绘制函 数进行巷道绘制，并以颜色标识当时的灾害影响程 度，从而完成矿井突水仿真． 4 实例分析 以国内某典型金属矿山为例，通过数据采集分 析整理，实现了水灾场一体化构模及地下矿突水过 程( 水流向下漫延和上涨过程) 的动态可视化仿真． 图 3 为该金属矿山突水仿真初始状态，即水灾场模 型可视化． 图 3 地下矿水灾场可视化 Fig． 3 Integrated dynamic simulation model of water inrush in the underground mine 在水流下向漫延过程仿真中，通过设定的突水 巷道，按照漫延过程中巷道网络解算方法，计算井巷 网络中各巷道的水流状态、通过时间等，并通过颜色 表示 影 响 范 围． 本文中假设该矿 2 号 矿 体 附 近 － 140 水平某巷道发生突水，按照水流下向漫延过 程仿真算法，计算网络中各巷道的每一时刻的水流 状态、影响范围等． 图 4 为某时刻突水发生后水流 向下漫延局部可视化图． 在水位上向升涨过程仿真中，在完成水流下向 漫延过程仿真的同时，触发水位上向升涨过程仿真． 仿真按照升涨过程中巷道网络解算方法，计算井巷 网络中各巷道的水位高度和淹没时间，并通过颜色 · 0441 ·