本發(fā)明涉及礦井水害仿真，具體涉及一種礦井水害仿真系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、在礦井生產(chǎn)過程中，水害是威脅礦井安全的主要災(zāi)害之一。傳統(tǒng)礦井水害預(yù)測和防治方法主要依賴于經(jīng)驗和靜態(tài)數(shù)據(jù)分析，難以實時、準(zhǔn)確地模擬礦井突水過程和評估其影響。隨著礦井規(guī)模的擴(kuò)大和采掘深度的增加，礦井地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，水害防治工作面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2、現(xiàn)有的礦井水害預(yù)測系統(tǒng)大多存在以下不足：

3、1.傳統(tǒng)的礦井水害預(yù)測系統(tǒng)多基于二維平面圖或簡單的三維模型，難以全面反映礦井復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)，特別是巷道間的連接關(guān)系、斜巷和豎井等特殊結(jié)構(gòu)，使得預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性大打折扣。

4、2.現(xiàn)有的系統(tǒng)通常只能模擬水流在單一方向的蔓延過程，無法準(zhǔn)確模擬水流在復(fù)雜井巷網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)變化，包括水流在豎直、斜坡和水平巷道中的自由落體、加速流動和蔓延過程，以及過流與淹沒的交替轉(zhuǎn)換。

5、3.在突發(fā)水害事件時，現(xiàn)有系統(tǒng)一般無法實時根據(jù)礦井的淹沒狀態(tài)和人員位置，快速計算出最優(yōu)的避災(zāi)逃生路徑，這嚴(yán)重影響了礦井人員的應(yīng)急響應(yīng)速度和安全性。

6、4.礦井地質(zhì)、水文、采掘等數(shù)據(jù)類型繁多，現(xiàn)有系統(tǒng)大多難以有效集成和處理這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果缺乏綜合性和準(zhǔn)確性。

7、5.現(xiàn)有系統(tǒng)一般采用固定的算法和模型，難以根據(jù)不同礦井的實際情況進(jìn)行靈活調(diào)整和優(yōu)化，限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和實用性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于：提出一種礦井水害仿真系統(tǒng)，該技術(shù)方案能夠?qū)ΦV井水害過程進(jìn)行全面、實時和精確的模擬，為礦井水害防治和應(yīng)急救援提供了有力的技術(shù)支撐。

2、為實現(xiàn)上述目的，第一方面，本公開實施例提供一種礦井水害仿真系統(tǒng)，包括：

3、井巷空間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建模塊，用于生成表示礦井巷道網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)線結(jié)構(gòu)；

4、動態(tài)水淹數(shù)值模擬模塊，用于模擬礦井水害過程中水流的動態(tài)路徑；

5、避災(zāi)路線檢索模塊，用于在礦井水害發(fā)生時，根據(jù)實時的巷道網(wǎng)絡(luò)淹沒狀態(tài)檢索最短逃生路徑，包括以下內(nèi)容：

6、設(shè)定突水時間，通過水害仿真得到巷道淹沒狀態(tài)；輸入避災(zāi)起點(diǎn)集合和避災(zāi)終點(diǎn)集合；申請動態(tài)存儲空間dist，其長度為巷道節(jié)點(diǎn)數(shù)量，用于存儲源點(diǎn)到每個頂點(diǎn)的最短距離，dist的值代表多因素權(quán)重修正后的巷道長度，公式如下：

7、

8、其中，lij代表巷道的長度，n為考慮的因素數(shù)量；wm是該因素對逃生速度的影響權(quán)重；lij為多因素修正后的巷道權(quán)重。

9、基礎(chǔ)方案的有益效果：本技術(shù)方案采用三維建模技術(shù)，全面反映礦井的三維空間結(jié)構(gòu)，特別是巷道間的連接關(guān)系、斜巷和豎井等特殊結(jié)構(gòu)，提高模擬的準(zhǔn)確性。井巷空間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建模塊能夠生成礦井巷道網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)線結(jié)構(gòu)，有助于礦井管理人員更直觀地了解礦井結(jié)構(gòu)，優(yōu)化礦井設(shè)計。通過模擬和分析不同因素(如巷道長度、逃生速度影響因素等)對逃生路徑的影響，也能夠為礦井的日常管理和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，提高礦井的整體安全性和運(yùn)營效率。

10、通過動態(tài)水淹數(shù)值模擬模塊，實現(xiàn)水流在復(fù)雜井巷網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)變化模擬，包括水流在豎直、斜坡和水平巷道中的自由落體、加速流動和蔓延過程，以及過流與淹沒的交替轉(zhuǎn)換，可以提前預(yù)測水害可能帶來的影響和范圍，從而幫助礦井管理人員及時采取預(yù)防措施，降低水害發(fā)生的概率或減輕其影響。

11、在水害發(fā)生時，避災(zāi)路線檢索模塊能夠迅速根據(jù)實時的巷道網(wǎng)絡(luò)淹沒狀態(tài)檢索出最短逃生路徑，為礦工提供安全的逃生指導(dǎo)，減少人員傷亡。避災(zāi)路線檢索模塊通過多因素權(quán)重修正后的巷道長度計算，系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確地反映逃生路徑的實際情況，提高決策的準(zhǔn)確性和有效性。

12、本技術(shù)方案便于根據(jù)不同礦井的實際情況進(jìn)行靈活調(diào)整和優(yōu)化，提升系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和實用性。

13、作為一種可實施的優(yōu)選方案，井巷空間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建模塊包括礦井巷道網(wǎng)絡(luò)生成子模塊，礦井巷道網(wǎng)絡(luò)生成子模塊的具體流程如下：

14、測量儀器測量巷道節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，在仿真系統(tǒng)中建立與實際礦山相對應(yīng)的三維坐標(biāo)系統(tǒng)；

15、確定巷道節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系，建立節(jié)點(diǎn)間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)測量的三維坐標(biāo)，在仿真模型中創(chuàng)建巷道節(jié)點(diǎn)，在模型中根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系繪制巷道；

16、對巷道進(jìn)行斷面形態(tài)調(diào)查，根據(jù)調(diào)查的斷面形態(tài)，為每條巷道分配相應(yīng)的斷面形狀；

17、將測量的屬性賦值給相應(yīng)的巷道斷面，測量的屬性包括寬度和高度；

18、根據(jù)巷道的地質(zhì)條件，對不同類型的巷道進(jìn)行標(biāo)注，以便在仿真中進(jìn)行區(qū)分；

19、封閉信息集成，記錄巷道的封閉信息；將封閉信息集成到模型中，并調(diào)整封閉巷道的屬性。

20、作為一種可實施的優(yōu)選方案，礦井巷道網(wǎng)絡(luò)生成子模塊的三維井巷網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程如下：

21、提取井巷網(wǎng)格的基礎(chǔ)信息；復(fù)制一份巷道參數(shù)集合，將復(fù)制數(shù)據(jù)中的起點(diǎn)和終點(diǎn)進(jìn)行調(diào)換后與原始信息集進(jìn)行合并；

22、對合并的巷道信息集以起點(diǎn)編號為優(yōu)先條件，終點(diǎn)為次要條件進(jìn)行擴(kuò)展升序排列；

23、統(tǒng)計排序后的巷道起點(diǎn)編號列中每個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的次數(shù)，該值就是全配位數(shù)，其代表一個節(jié)點(diǎn)所相連的巷道數(shù)量；

24、對全配位數(shù)沿列方向進(jìn)行累加，得到的值就是累計全配位數(shù)，其代表第一個巷道節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)累計的相連巷道數(shù)量；

25、將節(jié)點(diǎn)和巷道的編號，映射為從0開始的數(shù)據(jù)列；通過查找編號在表中快速定位巷道信息。

26、作為一種可實施的優(yōu)選方案，井巷空間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建模塊還包括節(jié)點(diǎn)加密子模塊，具體實施過程如下：

27、設(shè)置單條巷道的長度閾值；遍歷所有巷道；采用插值方法，在過長巷道中插入節(jié)點(diǎn)，將巷道等分為長度小于閾值的多條巷道；

28、在三維井巷網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)參數(shù)、巷道參數(shù)集中添加新增節(jié)點(diǎn)和巷道信息，重新排序，并進(jìn)行全配位數(shù)和累計全配位數(shù)重計算。

29、作為一種可實施的優(yōu)選方案，輸出節(jié)點(diǎn)和巷道信息的txt文本和可視化vtk文件，采用vtk格式對點(diǎn)和線的相關(guān)信息進(jìn)行存儲，并將其在paraview中進(jìn)行三維展示。

30、作為一種可實施的優(yōu)選方案，動態(tài)水淹數(shù)值模擬模塊，用于根據(jù)突水點(diǎn)位和突水速率，完成水流蔓延過程的動態(tài)路徑解算，以預(yù)測巷道淹沒狀態(tài)和水位標(biāo)高隨突水時間的動態(tài)變化過程；還用于調(diào)用結(jié)果輸出函數(shù)，實時輸出整個礦井巷道網(wǎng)絡(luò)中淹沒巷道位置、淹沒巷道總體積和水位標(biāo)高。

31、作為一種可實施的優(yōu)選方案，動態(tài)水淹數(shù)值模擬模塊中過流路徑檢索算法的具體實施過程如下：

32、步驟s201，導(dǎo)入三維井巷網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)信息集和井巷信息集，設(shè)定突水點(diǎn)t編號；申請過流節(jié)點(diǎn)集合，用于標(biāo)記水流已經(jīng)經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)；申請檢索節(jié)點(diǎn)集合，用于存放當(dāng)前水流蔓延的最新節(jié)點(diǎn)；通過遍歷與集合相連節(jié)點(diǎn)的標(biāo)高和淹沒狀態(tài)，確定水流的漫延方向；當(dāng)相連點(diǎn)均高于集合中的點(diǎn)時，漫延終點(diǎn)被找到；申請過流巷道信息集合，該集合包含過流巷道的映射編號，巷道起點(diǎn)和巷道終點(diǎn)；在全配位數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下，保存的過流巷道能夠描述巷道的流動方向，水流在該巷道中由記錄巷道起點(diǎn)流向巷道終點(diǎn)；

33、步驟s202，從突水點(diǎn)t開始，通過全配位數(shù)和累計全配位數(shù)位在巷道信息集中快速定位所有相連節(jié)點(diǎn)，統(tǒng)計所有標(biāo)高小于等于t的節(jié)點(diǎn)，并將其中標(biāo)高最低的相連點(diǎn)加入檢索節(jié)點(diǎn)集中，同時在過流節(jié)點(diǎn)集中對節(jié)點(diǎn)t進(jìn)行標(biāo)記，將兩點(diǎn)構(gòu)成的巷道存入過流巷道信息集中，跳轉(zhuǎn)至步驟s203；若相連節(jié)點(diǎn)標(biāo)高均大于t點(diǎn)標(biāo)高，則說明不存在向下漫延路徑，退出本次循環(huán)，以t為起點(diǎn)開始水淹路徑檢索算法檢索；

34、步驟s203，判斷檢索節(jié)點(diǎn)集是否為空，若為空集，則結(jié)束返回過流巷道信息集，若不為空，則需判斷與檢索節(jié)點(diǎn)集相連的節(jié)點(diǎn)標(biāo)高；若最低點(diǎn)的標(biāo)高要低于檢索節(jié)點(diǎn)集中節(jié)點(diǎn)，且該節(jié)點(diǎn)未在過流節(jié)點(diǎn)集中被標(biāo)記，則清空檢索節(jié)點(diǎn)集，并從節(jié)點(diǎn)信息集中將該相連點(diǎn)加入檢索節(jié)點(diǎn)集，同時在過流節(jié)點(diǎn)集中標(biāo)記該點(diǎn)，將兩點(diǎn)構(gòu)成的巷道存入過流巷道信息集中，跳轉(zhuǎn)至步驟s204；當(dāng)相連最低點(diǎn)與檢索節(jié)點(diǎn)集中節(jié)點(diǎn)標(biāo)高相同，且該節(jié)點(diǎn)未在過流節(jié)點(diǎn)集中被標(biāo)記，將該相連點(diǎn)加入檢索節(jié)點(diǎn)集，將兩點(diǎn)構(gòu)成的巷道存入過流巷道信息集中，跳轉(zhuǎn)至步驟s204；若所有相連節(jié)點(diǎn)均高于檢索節(jié)點(diǎn)集中的標(biāo)高，則說明水流已沒有繼續(xù)向下漫延的巷道，返回過流巷道集合和漫延終點(diǎn)，程序運(yùn)行結(jié)束，之后開始水流水淹路徑檢索算法檢索；

35、步驟s204，跳轉(zhuǎn)至步驟s203，直至找到漫延終點(diǎn)。

36、作為一種可實施的優(yōu)選方案，動態(tài)水淹數(shù)值模擬模塊中水淹路徑檢索算法的具體實施過程如下：

37、步驟s301，水流淹沒起點(diǎn)為水流向下漫延的終點(diǎn)e；導(dǎo)入三維井巷網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)信息集和井巷信息集；申請集合s*，用于標(biāo)記節(jié)點(diǎn)的淹沒狀態(tài)；申請集合s1*，用于標(biāo)記巷道的淹沒狀態(tài)，集合長度為井巷信息集中的巷道數(shù)量；申請檢索節(jié)點(diǎn)集合c*，用于存放當(dāng)前淹沒的最新節(jié)點(diǎn)；申請淹沒巷道信息集合r*，包含淹沒巷道的映射編號，巷道起點(diǎn)和巷道終點(diǎn)；申請變量h存儲當(dāng)前水位標(biāo)高；

38、步驟s302，在集合s*中對起始點(diǎn)e進(jìn)行淹沒標(biāo)記，將e點(diǎn)添加進(jìn)c*中，設(shè)置當(dāng)前水位標(biāo)高h(yuǎn)為e點(diǎn)的標(biāo)高，之后通過節(jié)點(diǎn)信息集中節(jié)點(diǎn)e的全配位數(shù)和累計全配位數(shù)在巷道信息集中快速定位所有相連節(jié)點(diǎn)，確定標(biāo)高最低點(diǎn)n，在s*中標(biāo)記n被淹沒，并將n添加進(jìn)c*中，e和n節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的巷道存入淹沒巷道信息集r*中，設(shè)置當(dāng)前水位標(biāo)高h(yuǎn)為n點(diǎn)的標(biāo)高；

39、步驟s303，遍歷c*的相鄰節(jié)點(diǎn)，若存在節(jié)點(diǎn)標(biāo)高小于當(dāng)前水位標(biāo)高h(yuǎn)，且構(gòu)成的巷道未在s1*中被標(biāo)記為過流，則說明水流能夠向下漫延，此時需優(yōu)先進(jìn)行該巷道的向下漫延過程；在s*中該點(diǎn)為過流點(diǎn)，在s1*中標(biāo)記該巷道為過流巷，將節(jié)點(diǎn)添加至c*中，將巷道添加至r*中，設(shè)置當(dāng)前水位標(biāo)高h(yuǎn)為過流點(diǎn)的標(biāo)高，轉(zhuǎn)入步驟s304；

40、若存在等于當(dāng)前水位標(biāo)高h(yuǎn)的點(diǎn)，且在s*或s1*中未被標(biāo)記，則將這些點(diǎn)添加至c*中，將巷道添加至r*中，最后在s*和s1*中將狀態(tài)標(biāo)記為淹沒，跳轉(zhuǎn)至步驟s304；

41、若相連節(jié)點(diǎn)的標(biāo)高均高于h，則將在s*或s1*中未被標(biāo)記淹沒的標(biāo)高最低點(diǎn)添加進(jìn)c*，巷道信息添加到r*中，在s*和s1*中標(biāo)記為淹沒，同時修改水位標(biāo)高為該點(diǎn)的標(biāo)高，跳轉(zhuǎn)至步驟s304；

42、步驟s304，重復(fù)步驟s303，當(dāng)s*和s1*中的所有節(jié)點(diǎn)和巷道均被標(biāo)記為淹沒時，流程結(jié)束，返回水流向上淹沒路徑r*。

43、作為一種可實施的優(yōu)選方案，動態(tài)水淹數(shù)值模擬模塊還用于對水流的漫延速度和漫延時間進(jìn)行計算，得到任意突水時刻下的礦井巷道淹沒情況，具體包括以下內(nèi)容：

44、進(jìn)行流速計算，公式如下：

45、

46、式中，v為斷面平均流速(m/s)；r＝a/p_w為水力半徑(m)，a為過水?dāng)嗝婷娣e，p_w為水流與固體邊界接觸部分的周長，稱為濕周；j＝h_f/l為水力坡度，h_f為在流段l內(nèi)的沿程水頭損失；c＝r^(1/6)/n為謝才系數(shù)，n為粗糙度，0.02～0.2；

47、對水流速度進(jìn)行計算，公式如下：

48、

49、式中，m為流體質(zhì)量，h為豎井起點(diǎn)和終點(diǎn)的高差；

50、根據(jù)向下漫延巷道的長度和得到向下過流速度，計算任意時刻水流前沿在巷道中的位置及水流面高度；

51、計算巷道淹沒所需的時間，

52、

53、式中，v為巷道體積，通過巷道長度和巷道截面面積計算得到；v_1為過流時已被淹沒體積，若巷道未經(jīng)歷過流，則值為0；q為單位時間突水量。

54、第二方面，本公開實施例還提供了一種礦井水害仿真方法，其特征在于，運(yùn)用了上述的一種礦井水害仿真系統(tǒng)。