摘要：针对矿井突水及避灾过程缺少三维直观表达，在建立三维井巷模型的基础上，根据矿井突水隐患点的总水量，仿真模拟出矿井突水影响范围。实现水流在井巷中的下向蔓延和水位上向升涨等情况。根据井巷影响状况，有针对性的制定矿井避灾线路，为救援工作提供科学的依据。
关键词：拓扑关系 突水蔓延 三维可视化仿真 突水算法
中中图分类号：TD67 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）05-0157-02
矿井水害是我国煤矿开采中主要地质灾害之一，如何有效合理地制定水害避灾救灾路线及应急救援决策，是科学评价矿井安全高效发展的重要因素[1]。研究针对矿井突水过程建立三维仿真系统。根据巷道的突水点水量、巷道长度、坡度、断面形状、渗流情况等对突水进行可视化的三维过程表达。对合理制定水害避灾线路提供科学依据。
1 井巷数据模型
巷道空间数据模型表达巷道的连接关系。基础数据是通过井下测量的空间三维导线点（x，y，z）来表达巷道的空间位置关系，因此可以逻辑上把空间网络巷道用导线点、弧段、弧长等数据结构表示。其基本拓扑关系可分为关联、邻接、相交和相离等。井巷网络空间拓扑结构分析就是用模型体的空间关系描述对象体，来描述线要素及点要素之间的关系。
因为矿井突水下向蔓延或上向升涨，有其方向性。因此，算法在路线存储结构上采用有向图表示及遍历，每一个导线点存储信息包括：
G=（N，X，Y，Z，V，L1，L2，…，Ln，Lnum，F）
其中：N：是导线点编号；
X、Y、Z：是导线点空间坐标；
V：为导线点边是否访问过；
L1，L2，…，Ln：为导线点编号N相邻的导线点编号；
Lnum：是导线点N相邻导线点的个数；
F：是影响流速的因子，如巷道长度、坡度、断面形状、渗流状况、井下电器及障碍物所占空间等。
2 突水仿真算法
2.1 突水蔓延算法
突水蔓延算法思想是：以突水起始点开始，由水流方向生成有向图，遍历高程矿井导线点坐标高程Z值小于起始点坐标Z值相邻导线点，模拟水流下向蔓延，依次类推遍历导线点[4，5]。遍历过的导线点，存储在数组中。当所有相邻导线点高于水流导线点时，对链表访问过的导线点的相邻导线点排序，找出Z值最小的结点，模拟水位上向升涨，如图1所示：
假设A为突水点，根据高程比较，水流下向蔓延至B点、F点，生成的线路AB、AF存入数组中。当相邻导线点均高于访问过的导线点时，模拟上向升涨，从数组中查找已访问过导线点的相邻未访问过的结点高程最小值D，生成线路BD存入数组中，依次类同，生成线路存于数组中。
水流方向构成有向图，导线点邻接链表存储表达，如图2所示。突水蔓延算法的实现如图3。
2.2 突水范围水量约束算法
巷道突水是一个动态变化的过程，一个巷道突水点高度直接影响到所有巷道积水高度。算法根据工作面、掘进面预计的突水总量，考虑影响水流蔓延主要因素，模拟突水点每1厘米动态增加巷道水位，当蔓延总水量达到给定总水量，停止蔓延，迭代计算出突水范围[6]。
巷道按照逐点存储（x，y，z）坐标值，for（i=1；n），实现巷道内约束遍历，其中n为巷道内导线点总数。
（1）遍历求高差计算如式（1）所示：
其中，为i点的高程值；为水位高；为i点高程与水位的高差值，负值i点被淹，正值未被淹没。
（2）巷道导线点间水容量采用拟柱体体积万能模型，如式（2）
其中，L为两导线点间的巷道长度；为导线点1水淹断面面积；为导线点2水淹断面面积；S为中截面断面面积；Q为导线点1与导线点2间的淹井水量。
（3）巷道突水总水量迭代模型为式（3），i=1时，的初始值为0。
突水范围水量约束算法实现的由以下几个部分：
（1）模拟给定水位。由突水点每1厘米动态增加淹井高度，迭加计算突水井巷积水总水量。
（2）确定突水点。根据突水种子，算法实现任意突水点蔓延，但可能突水的地点应根据矿井水文地质资料、采掘工程资料等来确定可能造成导水通道的地点。
（3）预计矿井突水量。
（4）生成突水蔓延路线，水量约束突水范围。读取数组中的突水蔓延路线对应的相应x，y，z坐标值，生成淹井路线。
（5）突水三维仿真实现。自动生成不同断面的三维巷道，由导线点根据巷道属性，三维场景叠加动态水流路线。箭头方向水流方向，低处下向蔓延，高处上向升涨，突水线路生成模块界面如图4所示。
突水范围水量约束算法实现，如图5所示。
3 突水避灾路线算法
矿井发生突水事故之后，会对井下工作人员的生命安全构成重大的威胁。灾情发现后， 需要迅速处理。避灾线路是采矿工人快速逃生的路线。该算法通过对矿井巷道的拓扑关系和网络连通性进行分析，并运用矿井安全生产专业知识，分析巷道发生突水时的最佳避灾线路为矿井安全生产服务。
分析避灾路径时，不能仅仅应用最短路径进行网络图分析。因为发生突水，巷道的淹没情况、障碍物通行情况等都会对快速通行造成影响。需要在最短路径的基础之上进行改进。因此，可以根据突水迭代计算出的巷道淹没深度、巷道电器等影响下，求解巷道最佳路径。最佳路径其实是在最短路径基础上进行改进，当巷道突水影响某些巷道通行时，在突水点至安全点之间找出适合通行的安全的最短路径，即最佳路径。最佳避灾线路的数学模型如下
其中：：为井巷网络导线点；
：为井巷网络导线点与导线点间的最短路径；
：为井巷网络导线点与间的第k条巷道；
：根据突水深度，第k条巷道的通行效率。
：两导线点之间的权重值。
通过虚现实技术，可以直观表达井巷避灾逃生线路，对安全培训有其现实意义。其中，绿色箭头为避灾逃生的方向，如图6避灾线路，2104工作面至风井的水害避灾线路。
4 结语
矿井本来就是一个三维地质作业环境，矿井防治水工作，应该融入新的信息化管理方式[8]。虚拟现实技术的出现对矿井生产、避灾救援进行了形象、直观的表达[9]。
本论文根据矿井预计或勘探出的巷道附近水量，仿真模拟出突水造成的影响范围及巷道内的淹没深度，并制定出最佳的井下人员避灾线路，为矿井探放水工作，以及事故调查、人员应急救援决策提供了科学依据。
参考文献
[1]周心，方裕璋.煤矿企业主要负责人煤矿安全生产管理人员[M].北京：煤炭工业出版社，2005.
[2]武强，管恩太.煤矿水害应急救援预案探讨[J].煤炭学报，2006，31（4）：409-413.
[3]熊伟，毛善君.煤矿虚拟环境的巷道几何建模及关键算法研究[J].测绘通报，2002（8）：15-16.
[4]严蔚敏，吴伟民.数据结构[M].北京：清华大学出版社，1997.
[5]屈婉玲，耿素云，张立昂等.离散数学[M].高等教育出版社，2008.
[6]周耀东，曹志国.基于改进Dijkstra算法的矿山突水可视化仿真[J].金属矿山，2010（10）：123-125.
[7]罗中权.基于流域DEM遍历的3维淹没分析算法[J].测绘与空间地理信息，2012，35（2）：163-165.
[8]汪云甲，伏永明.矿井巷道三维自动建模方法研究[J].武汉大学学报，2006，31（12）：1097-1110.
[9]李仲学，李翠平，李春民等.地矿工程三维可视化技术[M].北京：科学出版社，2006：163-164.
[1]张瑞新，任廷祥.虚拟现实技术及其在矿山工程中的应用[J].中国矿业大学学报，1998，27（3）：230-234.
[2]高岳，隋旺华.多目标决策法在含水层下开采方案选择中的应用[J].煤炭学报，2011，36（2）：231-234.
[3]张健，郝多虎，孙丽慧.基于三维可视化技术的林南仓矿水害事故分析[J].煤炭科学技术；2010，38（10）：106-108.