韓瑞剛

（煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

0 引 言

制定緊急避災(zāi)路線是煤礦應(yīng)急救援體制中最重要的內(nèi)容之一，是當(dāng)水災(zāi)發(fā)生時(shí)井下工作人員迅速及時(shí)撤至安全位置的關(guān)鍵因素。然而，地下井巷工程本質(zhì)上是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，井巷的連通性、水流方向、水位位置以及巷道掩沒等情況為快速應(yīng)急響應(yīng)和正確應(yīng)急救援帶來了困難。

目前利用計(jì)算機(jī)技術(shù)求解城市道路中最短路徑的算法已成熟[1]，但對(duì)礦井水害發(fā)生后最佳避災(zāi)路徑求解方面的研究還不多。礦井突水時(shí)期影響避災(zāi)路徑選擇的因素非常多，不僅要使被困人員轉(zhuǎn)移到安全地點(diǎn)的距離最短，還要考慮到路徑的可靠通行度，確保被困人員撤離過程中的安全[2]。本文在借助3DMine 建模軟件的基礎(chǔ)上，通過對(duì)井下巷道模型的建立以及優(yōu)化，建立煤礦發(fā)生水災(zāi)后最佳避災(zāi)路徑的求解方法，并三維可視化，對(duì)應(yīng)急救援和緊急避險(xiǎn)具有重要指導(dǎo)作用。

1 井巷模型建立

本文是以地處鄂爾多斯盆地的彬長(zhǎng)礦區(qū)中部的亭南礦井四盤區(qū)401 工作面到下方水倉(cāng)的一個(gè)完整排水系統(tǒng)巷道段為對(duì)象進(jìn)行研究，如圖1 所示。

圖1 401 工作面到水倉(cāng)排水系統(tǒng)巷道段Fig.1 No.401 Face to the sump drainage system roadway section

建立巷道模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要從礦山工程測(cè)量中獲取，為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和管理，將巷道分為巷道體、巷道弧段、巷道節(jié)點(diǎn)3 種元素。節(jié)點(diǎn)是巷道與巷道之間交匯的點(diǎn)和巷道的起點(diǎn)、終點(diǎn)的統(tǒng)稱；巷道被節(jié)點(diǎn)分割成為多個(gè)弧段，這些弧段稱為巷道?。幌锏阑〗M在一起形成完整巷道，稱作巷道體[3-5]。本文對(duì)巷道體、巷道弧、巷道節(jié)點(diǎn)3 種元素進(jìn)行編號(hào)處理，并規(guī)定用L 表示巷道體（如L1、L2 等）；B 表示巷道弧（如B1、B2 等）；A 表示巷道節(jié)點(diǎn)（如A1、A2 等）。每一個(gè)編碼都是唯一的，以此對(duì)節(jié)點(diǎn)、弧段、巷道體進(jìn)行區(qū)別和分類，如圖2 所示。

圖2 巷道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系Fig.2 Topological relationship of roadway network

對(duì)應(yīng)圖2 巷道網(wǎng)絡(luò)建立拓?fù)潢P(guān)系，見表1。

表1 巷道體—巷道弧段拓?fù)潢P(guān)系Table 1 Topological relationship between roadway body and roadway arc

巷道的三維建模就是把巷道放在空間里對(duì)它的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維分析和描述，即把巷道的每個(gè)節(jié)點(diǎn)先在二維平面上進(jìn)行定位，再賦上高程值，使得各個(gè)巷道節(jié)點(diǎn)成為一個(gè)三維的空間節(jié)點(diǎn)[6]。

將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后的巷道，生成節(jié)點(diǎn)，弧段三維網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，把各個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系圖導(dǎo)入3DMine 制圖軟件，根據(jù)巷道元素三維坐標(biāo)以及拓?fù)潢P(guān)系，生成實(shí)體三維巷道雛形，之后解決巷道拐彎處和交岔處的重疊交岔等問題，最后形成了完整的三維巷道，如圖3 所示。

圖3 401 工作面到水倉(cāng)三維巷道模型Fig.3 Three-dimensional roadway model from No.401 Face to sump

2 礦井水淹模擬

2.1 巷道淹沒體積計(jì)算

巷道是礦體和地表之間鉆鑿出來的各種通道，具有行人、排水、通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)裙δ埽ㄟ^獲取的巷道體積值，可了解巷道的容積大小，得到水位上漲淹沒巷道的體積，為巷道淹沒分析打下基礎(chǔ)[8]。

借助AutoCAD 和3DMine 制圖軟件建立三維巷道模型后，可以直觀的了解井下巷道的各種信息，利用3DMine 實(shí)體計(jì)算功能可以自動(dòng)計(jì)算出選取巷道段的體積，如圖4 所示。

圖4 巷道體積計(jì)算Fig.4 Roadway volume calculation

水淹沒巷道時(shí)水面會(huì)切割巷道體，巷道的淹沒體積就是切割面以下的部分體積。水面切割巷道體時(shí)，會(huì)和巷道體的棱線相交形成交點(diǎn)，把這些交點(diǎn)連接起來就能構(gòu)成一個(gè)封閉的多邊形區(qū)域。這個(gè)封閉多邊形以下的水面與巷道體切割的部分，就是巷道的淹沒體積[9]。

2.2 巷道淹沒時(shí)間計(jì)算

本文采用水位淹沒算法，在401 工作面設(shè)定1個(gè)出水點(diǎn)，出水總量設(shè)定為30 000 m3，出水量設(shè)定為1 000 m3/h，根據(jù)巷道水位淹沒算法的流程，得出巷道淹沒的范圍及標(biāo)高，如圖5 所示。

圖5 巷道淹沒范圍Fig.5 Roadway submerged rang

為了準(zhǔn)確的獲知各個(gè)巷道的淹沒情況，需要再平面圖上把整個(gè)巷道系統(tǒng)分成許多小的巷道段，對(duì)分出來的巷道段進(jìn)行編號(hào)處理，為了區(qū)分巷道段與巷道段的分界，再把各個(gè)巷道弧段用彩色線段標(biāo)注，如圖6 所示。

圖6 巷道段編號(hào)Fig.6 Roadway section number

在出水總量為30 000 m3，出水量為1 000 m3/h情況下，得出30 h 淹沒的巷道標(biāo)高為420 以下的巷道部分，各個(gè)巷道段的淹沒體積以及淹沒時(shí)間見表2。

表2 401 工作面出水模擬數(shù)據(jù)表Table 2 No.401 Face water simulation data table

3 煤礦水災(zāi)避淹路徑設(shè)計(jì)

3.1 最短避淹路徑設(shè)計(jì)

本文以三維巷道模型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系作為基礎(chǔ)從而設(shè)計(jì)避淹路徑。井下巷道網(wǎng)絡(luò)交錯(cuò)縱橫，路徑搜索需要在巷道中逐步延伸，在巷道與巷道交岔口出，一條路徑可能會(huì)分流成多條路徑。其中首次到達(dá)指定地點(diǎn)的某條路徑，就是到達(dá)這個(gè)點(diǎn)的最短路徑[10]。

避淹路徑算法設(shè)計(jì)，是以巷道的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系為基礎(chǔ)，通過巷道淹沒時(shí)間和巷道段的標(biāo)高，尋找獲取從突水點(diǎn)到安全點(diǎn)的最短路徑，計(jì)算的具體執(zhí)行步驟如下。

（1） 整理網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。初始化巷道網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，清除不相關(guān)信息，使巷道系統(tǒng)直觀簡(jiǎn)明的展現(xiàn)出來，標(biāo)明突水點(diǎn)和安全點(diǎn)的位置，明確巷道段之間位置關(guān)系。

（2） 根據(jù)巷道水淹模型模擬獲取的信息，巷道段的標(biāo)高，水流從高往低處流，低的巷道段先被淹沒。列出每個(gè)巷道弧段被淹沒的先后順序和時(shí)間，算出根據(jù)突水時(shí)間而淹沒的巷道范圍。

（3） 根據(jù)各個(gè)巷道段被淹沒的時(shí)間順序，從中找到一條安全避過淹沒災(zāi)害直達(dá)安全地點(diǎn)的最短路徑，這條路徑就是巷道的最佳避災(zāi)路徑。

3.2 最短避淹路徑生成

根據(jù)本文巷道水淹模型模擬獲得的信息，根據(jù)各個(gè)巷道段的標(biāo)高，得到礦井中各個(gè)巷道段的淹沒順序及時(shí)間，見表3。

表3 礦井各巷道段淹沒數(shù)據(jù)表Table 3 Submerged data table of each roadway section in mine

此次避災(zāi)路徑設(shè)計(jì)是根據(jù)前文巷道水淹模型設(shè)定的，在401 工作面設(shè)定一個(gè)出水點(diǎn)，出水總量設(shè)定為30 000 m3，出水量設(shè)定為1 000 m3/h，突水地點(diǎn)和安全地區(qū)如圖7 所示。

圖7 巷道突水點(diǎn)和安全點(diǎn)標(biāo)注Fig.7 Roadway water inrush point and safety point labeling

設(shè)定井下工作人員避災(zāi)跑步速度為2 m/s，當(dāng)突水事故發(fā)生之后，工作人員從突水地點(diǎn)開始延著安全巷道開始逃生，最后到達(dá)安全地區(qū)，最短避災(zāi)路徑和淹沒范圍如圖8 所示。

圖8 最短避災(zāi)路徑圖Fig.8 The shortest disaster avoidance path diagram

在礦井突水災(zāi)害發(fā)生時(shí)，礦井工作人員從突水點(diǎn)開始逃生，最短避災(zāi)路徑如上圖綠色部分所示，避災(zāi)路徑巷道全長(zhǎng)3 620 m，工作人員預(yù)計(jì)30 min 9 s 能夠到達(dá)安全地點(diǎn)。

礦井突水這種突發(fā)性和破壞性極強(qiáng)的井下災(zāi)害事故一旦發(fā)生，井上如果不能快速的做出反應(yīng)，制定救災(zāi)救援計(jì)劃，往往就會(huì)造成不可估量的損失。當(dāng)前的工作是需要盡可能的降低礦井突水對(duì)井下工作人員的傷害。礦井避淹路徑的設(shè)計(jì)就可以有效的解決上述的問題，結(jié)合三維巷道模型設(shè)計(jì)避淹路徑能夠更加直觀的觀察井下災(zāi)害和人員的情況，提高井下工作人員的安全性，對(duì)礦山的長(zhǎng)久生產(chǎn)發(fā)展具有十分重要的意義，是礦井工作人員的生存保障。

3.3 多逃生路徑設(shè)計(jì)思路

在礦井井下工作人員較多的情況下，一條避淹路徑的制定往往不能夠在突水災(zāi)害發(fā)生時(shí)起到應(yīng)有的作用。實(shí)際上，礦井水災(zāi)這種不可預(yù)測(cè)的災(zāi)害發(fā)生后，井下工人的逃生路線不應(yīng)該只有一條，而是應(yīng)該有很多種可供選擇的避災(zāi)路徑。這就需要設(shè)計(jì)礦井水災(zāi)時(shí)的多條逃生路徑，避免井下工作人員逃生時(shí)發(fā)生擁擠等情況，大大提高了井下工人的逃生率。

此次礦井水災(zāi)多逃生路徑設(shè)計(jì)是三維巷道模型的簡(jiǎn)單應(yīng)用延伸，所以這里不考慮水位影響井下人員移動(dòng)速度和人體體力衰減等問題。還是以三維巷道模型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系作為基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)多條逃生路徑。因?yàn)橥凰骺偸橇飨蛳锏雷畹吞?，在低處匯聚然后向巷道高處逐漸淹沒蔓延的，所以理論上只要沒有被水量淹沒巷道的路徑都可以讓井下工人安然通過。

設(shè)計(jì)的具體思路描述如下。

（1） 根據(jù)最短避淹路徑模型設(shè)計(jì)過程，將這條路徑上的所有節(jié)點(diǎn)記錄下來，并且把每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接的其他巷道段記錄下來。

（2） 從最短路徑的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)開始，選擇與節(jié)點(diǎn)連接的巷道段開始搜索直到遇到這段巷道段上的另一個(gè)相鄰的節(jié)點(diǎn)，再以這個(gè)節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)，用計(jì)算最短路徑的方法，重新搜尋到達(dá)安全地區(qū)的最短路徑。

（3） 重復(fù)第2 步的內(nèi)容，從第一條最短路徑的第二個(gè)節(jié)點(diǎn)乃至后面所有節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行計(jì)算，制定出不同的避淹路徑。

（4） 對(duì)所有的路徑進(jìn)行比較分析，可以根據(jù)礦井的實(shí)際情況，井下人員的數(shù)量選擇符合實(shí)情的路徑。

基于上述設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)出的礦井避災(zāi)多逃生路徑，如下圖9 所示。

圖9 礦井水災(zāi)多逃生路徑Fig.9 Multiple escape paths of mine flood

三維巷道模型應(yīng)用于礦井生產(chǎn)工作中，結(jié)合礦井設(shè)計(jì)的多逃生路徑，確實(shí)能有效的解決井下工人逃生通道發(fā)生擁擠堵塞等問題，提高井下人員的逃生率。

4 結(jié) 語

煤礦水災(zāi)避淹路徑是井下人員繞開水淹危險(xiǎn)區(qū)，到達(dá)安全區(qū)所選擇的路徑，是水淹模型結(jié)果的應(yīng)用。本文基于3DMine 數(shù)字礦山基礎(chǔ)信息平臺(tái)構(gòu)建煤礦水災(zāi)避淹路徑，根據(jù)巷道網(wǎng)絡(luò)中水位平衡原理，通過相鄰結(jié)點(diǎn)水位，與淹沒水位的比較，最終獲取淹沒的巷道以及水位到達(dá)的位置，設(shè)計(jì)出了礦井水害突發(fā)后的避災(zāi)路線，既直觀反映了巷道空間分布形態(tài)，也為后續(xù)水害淹沒情況分析奠定了基礎(chǔ)。