基于3DMine 的矿井避淹路径研究

韩瑞刚

（煤矿安全技术国家重点实验室 中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122）

0 引 言

制定紧急避灾路线是煤矿应急救援体制中最重要的内容之一，是当水灾发生时井下工作人员迅速及时撤至安全位置的关键因素。然而，地下井巷工程本质上是一个复杂的网络结构，井巷的连通性、水流方向、水位位置以及巷道掩没等情况为快速应急响应和正确应急救援带来了困难。

目前利用计算机技术求解城市道路中最短路径的算法已成熟[1]，但对矿井水害发生后最佳避灾路径求解方面的研究还不多。矿井突水时期影响避灾路径选择的因素非常多，不仅要使被困人员转移到安全地点的距离最短，还要考虑到路径的可靠通行度，确保被困人员撤离过程中的安全[2]。本文在借助3DMine 建模软件的基础上，通过对井下巷道模型的建立以及优化，建立煤矿发生水灾后最佳避灾路径的求解方法，并三维可视化，对应急救援和紧急避险具有重要指导作用。

1 井巷模型建立

本文是以地处鄂尔多斯盆地的彬长矿区中部的亭南矿井四盘区401 工作面到下方水仓的一个完整排水系统巷道段为对象进行研究，如图1 所示。

图1 401 工作面到水仓排水系统巷道段Fig.1 No.401 Face to the sump drainage system roadway section

建立巷道模型的基础数据需要从矿山工程测量中获取，为了对数据进行分类和管理，将巷道分为巷道体、巷道弧段、巷道节点3 种元素。节点是巷道与巷道之间交汇的点和巷道的起点、终点的统称；巷道被节点分割成为多个弧段，这些弧段称为巷道弧；巷道弧组在一起形成完整巷道，称作巷道体[3-5]。本文对巷道体、巷道弧、巷道节点3 种元素进行编号处理，并规定用L 表示巷道体（如L1、L2 等）；B 表示巷道弧（如B1、B2 等）；A 表示巷道节点（如A1、A2 等）。每一个编码都是唯一的，以此对节点、弧段、巷道体进行区别和分类，如图2 所示。

图2 巷道网络拓扑关系Fig.2 Topological relationship of roadway network

对应图2 巷道网络建立拓扑关系，见表1。

表1 巷道体—巷道弧段拓扑关系Table 1 Topological relationship between roadway body and roadway arc

巷道的三维建模就是把巷道放在空间里对它的结构进行三维分析和描述，即把巷道的每个节点先在二维平面上进行定位，再赋上高程值，使得各个巷道节点成为一个三维的空间节点[6]。

将原始数据进行初步处理后的巷道，生成节点，弧段三维网络拓扑关系，把各个节点网络拓扑关系图导入3DMine 制图软件，根据巷道元素三维坐标以及拓扑关系，生成实体三维巷道雏形，之后解决巷道拐弯处和交岔处的重叠交岔等问题，最后形成了完整的三维巷道，如图3 所示。

图3 401 工作面到水仓三维巷道模型Fig.3 Three-dimensional roadway model from No.401 Face to sump

2 矿井水淹模拟

2.1 巷道淹没体积计算

巷道是矿体和地表之间钻凿出来的各种通道，具有行人、排水、通风、运输等功能，通过获取的巷道体积值，可了解巷道的容积大小，得到水位上涨淹没巷道的体积，为巷道淹没分析打下基础[8]。

借助AutoCAD 和3DMine 制图软件建立三维巷道模型后，可以直观的了解井下巷道的各种信息，利用3DMine 实体计算功能可以自动计算出选取巷道段的体积，如图4 所示。

图4 巷道体积计算Fig.4 Roadway volume calculation

水淹没巷道时水面会切割巷道体，巷道的淹没体积就是切割面以下的部分体积。水面切割巷道体时，会和巷道体的棱线相交形成交点，把这些交点连接起来就能构成一个封闭的多边形区域。这个封闭多边形以下的水面与巷道体切割的部分，就是巷道的淹没体积[9]。

2.2 巷道淹没时间计算

本文采用水位淹没算法，在401 工作面设定1个出水点，出水总量设定为30 000 m3，出水量设定为1 000 m3/h，根据巷道水位淹没算法的流程，得出巷道淹没的范围及标高，如图5 所示。

图5 巷道淹没范围Fig.5 Roadway submerged rang

为了准确的获知各个巷道的淹没情况，需要再平面图上把整个巷道系统分成许多小的巷道段，对分出来的巷道段进行编号处理，为了区分巷道段与巷道段的分界，再把各个巷道弧段用彩色线段标注，如图6 所示。

图6 巷道段编号Fig.6 Roadway section number

在出水总量为30 000 m3，出水量为1 000 m3/h情况下，得出30 h 淹没的巷道标高为420 以下的巷道部分，各个巷道段的淹没体积以及淹没时间见表2。

表2 401 工作面出水模拟数据表Table 2 No.401 Face water simulation data table

3 煤矿水灾避淹路径设计

3.1 最短避淹路径设计

本文以三维巷道模型的网络拓扑关系作为基础从而设计避淹路径。井下巷道网络交错纵横，路径搜索需要在巷道中逐步延伸，在巷道与巷道交岔口出，一条路径可能会分流成多条路径。其中首次到达指定地点的某条路径，就是到达这个点的最短路径[10]。

避淹路径算法设计，是以巷道的网络关系为基础，通过巷道淹没时间和巷道段的标高，寻找获取从突水点到安全点的最短路径，计算的具体执行步骤如下。

（1） 整理网络关系。初始化巷道网络关系，清除不相关信息，使巷道系统直观简明的展现出来，标明突水点和安全点的位置，明确巷道段之间位置关系。

（2） 根据巷道水淹模型模拟获取的信息，巷道段的标高，水流从高往低处流，低的巷道段先被淹没。列出每个巷道弧段被淹没的先后顺序和时间，算出根据突水时间而淹没的巷道范围。

（3） 根据各个巷道段被淹没的时间顺序，从中找到一条安全避过淹没灾害直达安全地点的最短路径，这条路径就是巷道的最佳避灾路径。

3.2 最短避淹路径生成

根据本文巷道水淹模型模拟获得的信息，根据各个巷道段的标高，得到矿井中各个巷道段的淹没顺序及时间，见表3。

表3 矿井各巷道段淹没数据表Table 3 Submerged data table of each roadway section in mine

此次避灾路径设计是根据前文巷道水淹模型设定的，在401 工作面设定一个出水点，出水总量设定为30 000 m3，出水量设定为1 000 m3/h，突水地点和安全地区如图7 所示。

图7 巷道突水点和安全点标注Fig.7 Roadway water inrush point and safety point labeling

设定井下工作人员避灾跑步速度为2 m/s，当突水事故发生之后，工作人员从突水地点开始延着安全巷道开始逃生，最后到达安全地区，最短避灾路径和淹没范围如图8 所示。

图8 最短避灾路径图Fig.8 The shortest disaster avoidance path diagram

在矿井突水灾害发生时，矿井工作人员从突水点开始逃生，最短避灾路径如上图绿色部分所示，避灾路径巷道全长3 620 m，工作人员预计30 min 9 s 能够到达安全地点。

矿井突水这种突发性和破坏性极强的井下灾害事故一旦发生，井上如果不能快速的做出反应，制定救灾救援计划，往往就会造成不可估量的损失。当前的工作是需要尽可能的降低矿井突水对井下工作人员的伤害。矿井避淹路径的设计就可以有效的解决上述的问题，结合三维巷道模型设计避淹路径能够更加直观的观察井下灾害和人员的情况，提高井下工作人员的安全性，对矿山的长久生产发展具有十分重要的意义，是矿井工作人员的生存保障。

3.3 多逃生路径设计思路

在矿井井下工作人员较多的情况下，一条避淹路径的制定往往不能够在突水灾害发生时起到应有的作用。实际上，矿井水灾这种不可预测的灾害发生后，井下工人的逃生路线不应该只有一条，而是应该有很多种可供选择的避灾路径。这就需要设计矿井水灾时的多条逃生路径，避免井下工作人员逃生时发生拥挤等情况，大大提高了井下工人的逃生率。

此次矿井水灾多逃生路径设计是三维巷道模型的简单应用延伸，所以这里不考虑水位影响井下人员移动速度和人体体力衰减等问题。还是以三维巷道模型的网络拓扑关系作为基础来设计多条逃生路径。因为突水水流总是流向巷道最低处，在低处汇聚然后向巷道高处逐渐淹没蔓延的，所以理论上只要没有被水量淹没巷道的路径都可以让井下工人安然通过。

设计的具体思路描述如下。

（1） 根据最短避淹路径模型设计过程，将这条路径上的所有节点记录下来，并且把每个节点连接的其他巷道段记录下来。

（2） 从最短路径的第一个节点开始，选择与节点连接的巷道段开始搜索直到遇到这段巷道段上的另一个相邻的节点，再以这个节点为起点，用计算最短路径的方法，重新搜寻到达安全地区的最短路径。

（3） 重复第2 步的内容，从第一条最短路径的第二个节点乃至后面所有节点都进行计算，制定出不同的避淹路径。

（4） 对所有的路径进行比较分析，可以根据矿井的实际情况，井下人员的数量选择符合实情的路径。

基于上述设计思路，设计出的矿井避灾多逃生路径，如下图9 所示。

图9 矿井水灾多逃生路径Fig.9 Multiple escape paths of mine flood

三维巷道模型应用于矿井生产工作中，结合矿井设计的多逃生路径，确实能有效的解决井下工人逃生通道发生拥挤堵塞等问题，提高井下人员的逃生率。

4 结 语

煤矿水灾避淹路径是井下人员绕开水淹危险区，到达安全区所选择的路径，是水淹模型结果的应用。本文基于3DMine 数字矿山基础信息平台构建煤矿水灾避淹路径，根据巷道网络中水位平衡原理，通过相邻结点水位，与淹没水位的比较，最终获取淹没的巷道以及水位到达的位置，设计出了矿井水害突发后的避灾路线，既直观反映了巷道空间分布形态，也为后续水害淹没情况分析奠定了基础。