煤矿井下避灾路径规划研究综述

于 丹，颜 伟,2

(1.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东省青岛市，266590；2.山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东省青岛市，266590)

煤炭是我国的基础能源和主体能源，“双碳”目标下的煤炭开采已进入深部开采阶段，开采深度的增加将使得开采难度增大，开采环境也将变得复杂多变，极易发生煤矿灾害事故，不仅会给煤矿企业造成巨大经济损失，还会造成重大人员伤亡[1]。通过分析相关典型事故发生的原因，可以发现造成这种情况的主要原因是井下人员未能在第一时间从危险地带撤离到安全区域所致。因此，如何让井下人员在发生灾害之后，选择最优避灾路线，此类研究历经多年仍保持一定的热度。

根据查阅的文献，在煤矿常见的灾害事故中，众多学者对矿井瓦斯爆炸、火灾、水灾3种突发事故发生后的最优避灾路径规划问题进行了较多研究，主要从不同因素对巷道通行能力的影响、最优避灾路径规划模型构建以及求解避灾路径的算法3个方面进行研究。笔者通过梳理煤矿井下避灾路径规划问题的研究进展，分析现有研究可完善的内容，并探讨未来研究的趋势，为解决煤矿事故避灾路径规划问题提供相关参考。

1 瓦斯爆炸事故避灾路径规划

1.1 瓦斯爆炸事故特性

瓦斯爆炸是威胁我国煤矿安全的极为严重的灾害之一，具有较强的突发性、破坏性，在造成群死群伤的同时，还会破坏通风系统、引起火灾，或是引发多次连续性瓦斯爆炸，造成事故扩大，给避灾路径规划增加了困难[2]。

1.2 研究进展

以“瓦斯爆炸避灾路径/路线规划”或“瓦斯爆炸逃生路径/路线规划”为主题在中国知网进行检索，共检索到1998-2018年的24篇文献，具体统计如图1所示。

当前关于瓦斯的研究主要针对瓦斯突出预测及防治、瓦斯爆炸机理及风险评估等方面的研究，而在瓦斯爆炸避灾路径研究方面相对较少，目前学者们所取得的成果有：石永奎等[3]构建以安全逃生时间最短的数学模型，并用Lingo编程求最短路径；徐志奇[4]和杨林等[5]运用Dijkstra算法对巷道当量长度进行计算确定井下人员的最佳避灾路线；贾齐林等[6]针对瓦斯爆炸设计了煤矿紧急避险系统；黄运爽等[7]综合考虑影响工作人员正常通行的因素，将巷道固有影响因素转化为对巷道当量长度的影响，将灾害因素转化为对通行时间影响，以安全逃生时间最短为目标构建避灾模型；郭昕曜[8]通过分析瓦斯爆炸产生的灾害因素，以所选路径权值最短构建人群避灾模型，最后基于Flody算法求解最优避灾路径；芦飞平[9]基于多智能体仿真技术，应用Repast仿真平台构建煤矿事故安全避灾仿真模型，分别在位置选择、方向选择、邻接矩阵和广度优先算法生成不同避灾路线等。笔者主要从影响巷道通行能力因素、避灾路径规划原则、研究方法3个方面总结瓦斯爆炸避灾路径研究代表性文献，见表1。

图1 “瓦斯爆炸避灾路径/路线规划”或“瓦斯爆炸逃生路径/路线规划”主题文献发表统计

表1 瓦斯爆炸避灾路径研究代表性文献

2 矿井火灾事故避灾路径规划

2.1 矿井火灾事故特性

矿井火灾是一种不受控制的燃烧，分为内因火灾和外因火灾两种，可能发生在矿井井下或地面井口附近，矿井火灾的发生不仅会对矿井安全生产造成巨大威胁，还会因火灾产生的高温、烟尘及毒害气体严重威胁未能及时疏散的井下工作人员的生命安全。

2.2 研究进展

以“矿井火灾避灾路径/路线规划”或“煤矿火灾逃生路径/路线规划”为主题在中国知网进行检索，共检索到1994-2020年68篇文献，具体统计如图2所示。

在研究矿井火灾避灾路径规划方面，王金华等[10]根据井下传感器实时检测有害气体、温度、烟雾和风向等数据进行动态的井下避灾路径规划；赵海军[11]通过设计混合变异策略和参数自适应机制来改进差分进化算法，提高路径搜索效率；姜媛媛等[12]构建基于多元信息评估的矿井火灾路径优化模型，并运用Dijkstra算法得到最优路径；WANG Kai等[13]通过改进元胞自动机模型来优化避灾路径规划模型；刘怡[14]综合考虑井下火灾的静态和动态影响因素，引入信息熵模型来改进巷道当量长度计算公式，最后利用Dijkstra算法进行最优逃生路径规划；沈云鸽[15]根据火灾期间人员逃生的紧急性和环境危险性指标建立了井下人员逃生路径规划模型，并基于Dijkstra算法将动态环境因素引入逃生路径规划中。笔者主要从影响巷道通行能力因素、避灾路径规划原则、研究方法3个方面总结矿井火灾避灾路径研究代表性文献，见表2。

图2 “矿井火灾避灾路径/路线规划”或“煤矿火灾逃生路径/路线规划”主题文献发表统计

表2 矿井火灾避灾路径研究代表性文献

3 矿井水灾事故避灾路径规划

3.1 矿井水灾事故特性

矿井水灾是指在煤矿建设和采掘过程中，发生的矿井局部或全部被淹没的矿井涌水事故。据统计，有48%以上的国有重点煤矿矿井受到过各种水害的威胁。为减少矿井水灾带来的损失，我国相关研究者对矿井水灾灾后避灾进行了较多研究。

3.2 研究进展

以“矿井水灾避灾路径/路线规划”或“煤矿水灾逃生路径/路线规划”为主题在中国知网进行检索，共检索到2007-2021年的34篇文献，具体统计如图3所示。

目前在矿井水灾避灾路径规划研究中，在研究影响巷道通行能力因素方面，大部分学者都考虑突水灾害因素——水位高度和巷道类型、风速风向、坡度、局部障碍物(带式输送机、矿车、风窗、风门等设施)数量等井巷内本身存在的影响避灾的因素，这些影响因素使得点与点之间的距离不再是绝对距离而是用当量长度来表示。在最优避灾路径模型构建及规划研究方面，主要是朝着建立更符合现实情况的动态避灾路径规划模型以及对传统算法的改进2个方向进行研究。赵作鹏等[16]为了避免拥挤，提出D-K算法来求解从突水点到其他所有逃生节点的前N条最优路径的新方法；张雪英等[17]提出一种新的离散萤火虫算法来求解煤矿井下最短避灾路径；周越等[18]提出阻滞型水中逃生速度曲线数学模型；苑亚南等[19]在此基础上建立一种基于突水点水力学特性分析模型，并且运用改进的D-K路径搜索算法进行研究；刘梦杰等[20]提出双向A*算法，有效减少了路径搜索范围；蔡明杰等[21-22]通过对交叉、变异算子进行重构，在适应度函数中加入安全通过概率来改进传统的遗传算法，他还通过对松弛点入队位置调整来优化SPFA算法，从而提高算法搜索突水避险路线的效率；ZHAO Xiangwei等[23]建立三维矿井巷道网络，结合实时变化的水位及巷道的可通行性，运用Dijkstra算法实现了基于3D网络模型的最佳避灾路径搜索；王鹏等[24]将萤火虫算法进行改进，并与A*算法进行比较，结果表明：改进后的萤火虫算法规划的路径更优，具有大范围搜索优化能力；中国矿业大学的武强团队[25-26]考虑实时水位高度变化对疏散时间的影响，通过改进Dijkstra算法，提出了并行时变最早到达算法，生成安全迅速的井下人员最优逃生路径。笔者主要从影响巷道通行能力因素、避灾路径规划原则、研究方法3个方面总结矿井水灾避灾路径研究代表性文献，见表3。

图3 “矿井水灾避灾路径/路线规划”或“煤矿水灾逃生路径/路线规划”主题文献发表统计

表3 矿井水灾避灾路径研究代表性文献

4 常用算法总结

根据以上分析，可以得出进行矿井/煤矿瓦斯/火灾/水灾避灾/逃生路径/路线规划研究常用的算法如图4所示。由图4可以直观地看出，在研究煤矿井下避灾路径规划中运用Dijkstra算法最多，然后依次是蚁群算法、K则最优路径算法、A*算法、遗传算法、粒子群算法、D-K算法、SPFA算法、萤火虫算法。同时对各种算法进行简要归纳，列举相关的改进措施及优势，结果见表4。

图4 “矿井/煤矿瓦斯/火灾/水灾避灾/逃生路径/路线规划”主题文献所用算法所占比例

表4 常用路径规划算法对比表

5 案例应用

结合以上3种事故类型的研究，笔者以矿井水灾为背景，研究五沟煤矿1035工作面避灾路径规划。由于井下环境具有特殊性，含有多种阻碍矿工通行的因素，一般用巷道当量长度来表示巷道中两点之间的距离。结合该矿井的巷道环境以及现场模拟分析，选取巷道类型、巷道坡度、风速风向、局部障碍物(带式输送机、轨道、风桥、风门等设施)数量以及水位高度，作为影响井下矿工逃生的主要影响因素，其影响系数分别记为ηt、ηs、ηv、ηr、ηw，影响巷道通行难易系数可以查阅文献[16]。

假设节点Vi和Vj间巷道Eij的实际长度为l(Eij)，将巷道的各因素影响系数加权到其对应的实际长度中，得到该条巷道初始当量长度值L(Eij)为：

(1)

式中：n——巷道Eij上障碍物数量；

ηrm——第m个局部通行障碍物影响巷道正常通行的系数。

以五沟煤矿1035工作面实际巷道布置图为基础，简化其节点，选出50个关键节点形成巷道网络图进行案例分析，1035工作面巷道网络如图5所示，其中V48、V49、V50是该矿井的井口，将这3个节点设为安全节点。根据该矿井水文地质资料、采掘工程资料得知V1易发生突水，所以将节点V1设为突水点。

假设V1突水点的水位高度达到普通成人膝盖处的高度，首先根据该工作面实际巷道环境情况，计算每条巷道的各个影响系数值，然后根据式(1)计算出每条巷道的当量长度，见表5(限于篇幅只列举部分数据)。

最后基于Python平台，使用Dijkstra算法分别计算突水点V1到3个安全节点V48、V49、V50的最短路径，然后对这3条路径按照路径当量长度从小到大排序，结果见表6。

图5 1035工作面巷道网络

表5 井下矿工逃生的影响系数及对应的巷道当量长度

表6 Dijkstra算法的仿真结果

由于研究的是在同一个工作面工作的矿工人员逃生，人数相对来说不是很多，所以从这3条中选取1条最优的路径作为逃生路径即可，则从突水点到安全节点的最优逃生路径为：V1→V3→V5→V9→V13→V14→V15→V19→V24→V26→V34→V40→V49，路径当量长度最短为2 212.55 m。

6 结论

(1)矿井瓦斯爆炸事故避灾路径规划研究中，毒害气体(CO 、H2S等)、瓦斯爆炸冲击波、高温、耗氧为主要的灾害因素，路径权值最短和安全逃生时间最短为主要构建模型的原则，相对火灾、水灾事故来看，由于瓦斯爆炸事故环境较复杂，所以该主题相关研究比较少。

(2)矿井火灾事故避灾路径规划研究中，温度、毒害气体(CO等)、烟雾浓度为主要的灾害因素，路径权值最短为主要构建模型的原则，运用Dijkstra算法和蚁群算法求解最优避灾路径的研究较多。

(3)矿井水灾事故避灾路径规划研究中，水位高度为主要的灾害因素，路径权值最短为主要构建模型的原则，运用Dijkstra算法、蚁群算法、K则最优路径算法求解最优避灾路径的研究较多。

整体来看，国内研究矿井灾害领域避灾路径相关论文总量较多，国外较少；在研究内容上，很少考虑灾害环境对人体健康损失度、人的心理状态的影响，且运用改进算法求解实时避灾路径的研究较少，值得进一步发展和探索。