一种煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法，根据煤矿突透水灾害应急疏散模拟需求，基于物联网的数据采集与识别，构建矿区地质环境与井下场景，通过突透水点及其相关信息获取、巷道水流模拟、人员逃生行为模拟、以及智能动态路径搜索，实现应急疏散模拟。在VR仿真环境中通过构建地质体、巷道、部分设备，刻画人员疏散、突透水灾害、地层塌陷动态现象，以便观察周围的灾害环境，实施正确的逃生方案；构建安全信息平台，针对应急疏散决策和疏散演练，进行评价与预警。采用先进的前沿技术方法，与煤矿实际情况相结合，为矿井灾害的防治、人员培训、应急救援辅助决策提供技术支撑平台。

Emergency evacuation simulation method for coal mine burst water disaster

The invention discloses a coal mine water inrush disaster emergency evacuation simulation method, according to the demand of emergency evacuation simulation of water hazards in coal mine, data acquisition and recognition based on IOT, construction of mining geological environment and underground scene, through the acquisition, water inrush and related information flow simulation, roadway evacuation behavior simulation and intelligent dynamic path search and implementation of emergency evacuation simulation. In the VR simulation environment through the construction of geological body, tunnel, part of the equipment, depicting the evacuation, water inrush disaster, ground subsidence dynamic phenomenon, in order to observe the disaster environment, the implementation of the right to escape plan; construction of security information platform for emergency evacuation decision-making and evacuation drills, evaluation and early warning. The adoption of advanced technology and methods, combined with the actual situation of coal mine, provides technical support platform for mine disaster prevention and control, personnel training and emergency rescue assistance decision-making.

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法
本专利技术涉及一种采煤安全技术，尤其涉及一种煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法。
技术介绍
据统计，“十一五”期间全国煤矿共发生10人及以上重特大突透水灾害26起，平均每年发生5.2起，共死亡506人。虽然目前煤矿突透水灾害发生频率和致死人数总体呈下降和减弱趋势，但其防治形势依然不容乐观，重大突透水灾害事故时有发生。必须持之以恒地加强矿井突透水灾害的综合预防和治理技术研究。在事故发生后，由于井上、下无法正常通信，井下遇险人员无法及时得到地面调度工作人员统一指挥，非突透水采区作业人员不清楚突透水地点所发生的灾害事故，突透水地点作业人员不了解井下采掘总体情况和动态优化逃生线路，造成井下遇险人员未能及时撤离或选择了错误的逃生线路，而不幸遇难。因此，在煤矿突透水灾害抢险救援时，及时、准确地掌握灾害的发生地点、灾害特性、灾害规模、灾害对煤矿井下巷道的扰动破坏程度和可能影响到的区域范围、事故发生地点的环境参数及水位动态变化情况是进行科学决策的前提。目前，以Hi3512处理器为设计基础进行矿井救援多媒体采集系统的硬件设计，采用MicrosoftVisualC、双码流网络视频服务器配套SDK、微软基础类(MFC)之类软件开发工具，开发具有搜索发现服务器设备地址、视频录像、音频对讲传输、传感器采集数据显示的软件系统。结合通用平台项目，建立非煤地下矿山安全管理“一站式”服务平台。从预警角度，建立矿山动态综合预警体系，采取主动预防的战术，降低矿山事故的发生率，减少人员伤亡；对于已经发生的事故，建立三维动态救援辅助决策系统，采取被动防御的方式，降低事故的危害，最大限度的降低各种损失。现有技术中的方法主要存在的问题是：矿井水灾模拟方法的研究主要集中在突透水灾害的发生机理和预测研究方面，包括在分析矿井充水机理和水害成因的基础上，提出相应的防治和管理措施，探讨煤矿水害产生机理和防治方法，这些方法主要是针对矿山水灾的形成原因和防治措施，而对于水灾事故发生后的应急处置和抢险救援方法比较少见。矿井水灾的模拟方法主要是利用数值模拟技术，针对地质材料和岩土工程的力学行为、水的赋存及运动规律进行模拟；在水灾的防治理论方面，以水灾预防与治理为主，尚未形成系统的灾变演化和扩散理论，只是系统分析和整理了水文地质数据和资料，形成的可视化系统也仅仅是针对水灾的预防进行的可视化模拟，与实际的事故灾害、救灾现场有很大的差别。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术的煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法，包括步骤：A、数据采集与识别：根据煤矿突透水灾害应急疏散模拟需求，通过对矿区相关数据分析，将煤矿可采集的数据分为2类：建模基础数据和动态监测数据；B、3D模型构建：为了实现煤矿突透水灾害应急疏散模拟，构建矿区地质环境与井下场景，利用钻孔、地质构造、3D地震剖面、遥感影像构建包括地层和构造的3D地质体，采用点云、导线点和巷道线构建3D巷道网络模型，利用硐室、井、障碍物数据建立设备模型以及来自3DMAX的人员模型；C、应急疏散模拟：基于所构建的3D模型，结合动态监测数据，实现应急疏散模拟，包括突透水点及其相关信息获取、巷道水流模拟、人员逃生行为模拟、以及智能动态路径搜索；突透水点及其相关信息获取方式为：通过物联网实时监测数据、通过矿井地下水数值模拟、通过系统提供的交互式工具，相关信息主要包括突透水量、突透水类型相关信息；巷道水流模拟以所获取的突透水点及其相关信息为输入参数，结合巷道网络模型、巷道拓扑结构，通过突透水蔓延线路生成算法，考虑采空区类型和采掘区排水系统的排水能力，以Δt为时间步长，划分为t个时间段，则能计算出任意时刻的各个节点的水位、流速、以及3D巷道中的水流路径；人员逃生行为模拟是基于煤矿突透水灾害发生后各时刻的各节点的水位、流速动态因素，结合突透水类型、井下人员特征，通过采用灾害扩散法，获得人员逃生速度；智能动态路径搜索需要综合分析最短路径求解和均衡优化因素，使结果符合实际需求，具有可行性，便于实施应用；D、VR仿真环境设计实现：VR仿真环境中包括地质体、巷道、部分设备的静态对象，同时，刻画人员疏散、突透水灾害、地层塌陷之类的动态现象，采用视点跟踪方法，实现以人员为第一视角的疏散仿真，以便观察周围的灾害环境，实施正确的逃生方案；以所获得的人员逃生速度，以人体运动骨架为行动方式，通过快速碰撞检测，实现人员疏散仿真。人体行动骨架包括行走、奔跑、爬行、游泳4种模式，通过视点跟踪所在位置判定人员所处环境，从而控制人员的行动模式；所述快速碰撞检测包括2类检测：人-人群碰撞检测和人-物碰撞检测：将巷道划分为网格单元，通过检测同单元和相邻单元的人-人是否在Z方向重叠，以分别采用2D或3D包围盒，实现人-人群碰撞检测，通过检测同单元中人与巷道、障碍物的距离关系，实现人-物碰撞检测，防止穿透现象发生；突透水灾害仿真主要涉及水流在巷道、采空区的可视化检测：在巷道水流模拟基础上，利用粒子系统模仿水流流动、光滑粒子流体动力学、纹理波纹相关技术方法，依据水位、流速、以及3D巷道中的水流路径，通过图形或图像的形式在屏幕上显示出来，实现矿井突透水灾害动态仿真；E、安全信息平台构建：在煤矿突透水灾害应急疏散决策过程中，针对有限的时间、资源、人力约束条件，以及态势不断发生变化，应急决策者依靠经验，结合实时疏散最优路径，辅助应急疏散决策，组织有序撤离危险区域；在VR仿真环境下，矿区人员通过虚拟仿真可能的突透水灾害，构建个体行为，模拟逃生；同时，构建群体行为，模拟相互协作撤离，完成疏散演练，代替传统的安全培训；针对应急疏散决策和疏散演练，进行评价与预警，包括逃生路径可靠性、逃生路径通行效率、以及人员安全疏散行动时间的预测、可靠性评估。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例提供的煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法，采用先进的前沿技术方法，与煤矿实际情况相结合，为矿井灾害的防治、人员培训、应急救援辅助决策提供技术支撑平台。附图说明图1为本专利技术实施例提供的煤矿突透水灾害应急疏散模拟的架构设计示意图；图2为本专利技术实施例中建模基础数据示意图；图3为本专利技术实施例中3D地质体模型示意图；图4a为本专利技术实施例中巷道线数据示意图；图4b为本专利技术实施例中叠加导线点示意图；图4c为本专利技术实施例中3D巷道线示意图；图4d为本专利技术实施例中3D巷道网络模型示意图；图4e为本专利技术实施例中巷道内部的空间结构示意图；图4f为本专利技术实施例中存储形式及其部分数据示意图；图5为本专利技术实施例中突透水点获取示意图；图6a、图6b、图6c、图6d分别为本专利技术实施例中4个时刻水位＞0.5m的动态分布情况示意图；图7a为本专利技术实施例中部分疏散最优路径的3D显示结果示意图；图7b为本专利技术实施例中部分疏散最优路径在X-Y方向上的投影结果示意图；图8为本专利技术实施例中快速碰撞检测示意图；图9a、图9b、图9c、图9d分别为本专利技术实施例中个体p从起点s3至终点o1的模拟逃生动态过程4个时刻示意图；图9e、图9f、图9g、图9h分别为本专利技术实施例中动态疏散过程中的群体行为4个时刻示意图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法，其特征在于，包括步骤：A、数据采集与识别：根据煤矿突透水灾害应急疏散模拟需求，通过对矿区相关数据分析，将煤矿可采集的数据分为2类：建模基础数据和动态监测数据；B、3D模型构建：为了实现煤矿突透水灾害应急疏散模拟，构建矿区地质环境与井下场景，利用钻孔、地质构造、3D地震剖面、遥感影像构建包括地层和构造的3D地质体，采用点云、导线点和巷道线构建3D巷道网络模型，利用硐室、井、障碍物数据建立设备模型以及来自3DMAX的人员模型；C、应急疏散模拟：基于所构建的3D模型，结合动态监测数据，实现应急疏散模拟，包括突透水点及其相关信息获取、巷道水流模拟、人员逃生行为模拟、以及智能动态路径搜索；突透水点及其相关信息获取方式为：通过物联网实时监测数据、通过矿井地下水数值模拟、通过系统提供的交互式工具，相关信息主要包括突透水量、突透水类型相关信息；巷道水流模拟以所获取的突透水点及其相关信息为输入参数，结合巷道网络模型、巷道拓扑结构，通过突透水蔓延线路生成算法，考虑采空区类型和采掘区排水系统的排水能力，以Δt为时间步长，划分为t个时间段，则能计算出任意时刻的各个节点的水位、流速、以及3D巷道中的水流路径；人员逃生行为模拟是基于煤矿突透水灾害发生后各时刻的各节点的水位、流速动态因素，结合突透水类型、井下人员特征，通过采用灾害扩散法，获得人员逃生速度；智能动态路径搜索需要综合分析最短路径求解和均衡优化因素，使结果符合实际需求，具有可行性，便于实施应用；D、VR仿真环境设计实现：VR仿真环境中包括地质体、巷道、部分设备的静态对象，同时，刻画人员疏散、突透水灾害、地层塌陷之类的动态现象，采用视点跟踪方法，实现以人员为第一视角的疏散仿真，以便观察周围的灾害环境，实施正确的逃生方案；以所获得的人员逃生速度，以人体运动骨架为行动方式，通过快速碰撞检测，实现人员疏散仿真。人体行动骨架包括行走、奔跑、爬行、游泳4种模式，通过视点跟踪所在位置判定人员所处环境，从而控制人员的行动模式；所述快速碰撞检测包括2类检测：人‑人群碰撞检测和人‑物碰撞检测：将巷道划分为网格单元，通过检测同单元和相邻单元的人‑人是否在Z方向重叠，以分别采用2D或3D包围盒，实现人‑人群碰撞检测，通过检测同单元中人与巷道、障碍物的距离关系，实现人‑物碰撞检测，防止穿透现象发生；突透水灾害仿真主要涉及水流在巷道、采空区的可视化检测：在巷道水流模拟基础上，利用粒子系统模仿水流流动、光滑粒子流体动力学、纹理波纹相关技术方法，依据水位、流速、以及3D巷道中的水流路径，通过图形或图像的形式在屏幕上显示出来，实现矿井突透水灾害动态仿真；E、安全信息平台构建：在煤矿突透水灾害应急疏散决策过程中，针对有限的时间、资源、人力约束条件，以及态势不断发生变化，应急决策者依靠经验，结合实时疏散最优路径，辅助应急疏散决策，组织有序撤离危险区域；在VR仿真环境下，矿区人员通过虚拟仿真可能的突透水灾害，构建个体行为，模拟逃生；同时，构建群体行为，模拟相互协作撤离，完成疏散演练，代替传统的安全培训；针对应急疏散决策和疏散演练，进行评价与预警，包括逃生路径可靠性、逃生路径通行效率、以及人员安全疏散行动时间的预测、可靠性评估。...

【技术特征摘要】
1.一种煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法，其特征在于，包括步骤：A、数据采集与识别：根据煤矿突透水灾害应急疏散模拟需求，通过对矿区相关数据分析，将煤矿可采集的数据分为2类：建模基础数据和动态监测数据；B、3D模型构建：为了实现煤矿突透水灾害应急疏散模拟，构建矿区地质环境与井下场景，利用钻孔、地质构造、3D地震剖面、遥感影像构建包括地层和构造的3D地质体，采用点云、导线点和巷道线构建3D巷道网络模型，利用硐室、井、障碍物数据建立设备模型以及来自3DMAX的人员模型；C、应急疏散模拟：基于所构建的3D模型，结合动态监测数据，实现应急疏散模拟，包括突透水点及其相关信息获取、巷道水流模拟、人员逃生行为模拟、以及智能动态路径搜索；突透水点及其相关信息获取方式为：通过物联网实时监测数据、通过矿井地下水数值模拟、通过系统提供的交互式工具，相关信息主要包括突透水量、突透水类型相关信息；巷道水流模拟以所获取的突透水点及其相关信息为输入参数，结合巷道网络模型、巷道拓扑结构，通过突透水蔓延线路生成算法，考虑采空区类型和采掘区排水系统的排水能力，以Δt为时间步长，划分为t个时间段，则能计算出任意时刻的各个节点的水位、流速、以及3D巷道中的水流路径；人员逃生行为模拟是基于煤矿突透水灾害发生后各时刻的各节点的水位、流速动态因素，结合突透水类型、井下人员特征，通过采用灾害扩散法，获得人员逃生速度；智能动态路径搜索需要综合分析最短路径求解和均衡优化因素，使结果符合实际需求，具有可行性，便于实施应用；D、VR仿真环境设计实现：VR仿真环境中包括地质体、巷道、部分设备的静态对象，同时，刻画人员疏散、突透水灾害、地层塌陷之类的动态现象，采用视点跟踪方法，实现以人员为第一视角的疏散仿真，以便观察周围的灾害环境，实施正确的逃生方案；以所获得的人员逃生速度，以人体运动骨架为行动方式，通过快速碰撞检测，实现人员疏散仿真。人体行动骨架包括行走、奔跑、爬行、游泳4种模式，通过视点跟踪所在位置判定人员所处环境，从而控制人员的行动模式；所述快速碰撞检测包括2类检测：人-人群碰撞检测和人-物碰撞检测：将巷道划分为网格单元，通过检测同单元和相邻单元的人-人是否在Z方向重叠，以分别采用2D或3D包围盒，实现人-人群碰撞检测，通过检测同单元中人与巷道、障碍物的距离关系，实现人-物碰撞检测，防止穿透现象发生；突透水灾害仿真主要涉及水流在巷道、采空区的可视化检测：在巷道水流模拟基础上，利用粒子系统模仿水流流动、光滑粒子流体动力学、纹理波纹相关技术方法，依据水位、流速、以及3D巷道中的水流路径，通过图形或图像的形式在屏幕上显示出来，实现矿井突透水灾害动态仿真；E、安全信息平台构建：在煤矿突透水灾害应急疏散决策过程中，针对有限的时间、资源、人力约束条件，以及态势不断发生变化，应急决策者依靠经验，结合实时疏散最优路径，辅助应急疏散决策，组织有序撤离危险区域；在VR仿真环境下，矿区人员通过虚拟仿真可能的突透水灾害，构建个体行为，模拟逃生；同时，构建群体行为，模拟相互协作撤离，完成疏散演练，代替传统的安全培训；针对应急疏散决策和疏散演练，进行评价与预警，包括逃生路径可靠性、逃生路径通行效率、以及人员安全疏散行动时间的预测、可靠性评估。2.根据权利要求1所述的煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法，其特征在于，所述步骤A中：所述建模基础数据用于构建应急疏散模拟所需的基础环境，包括钻孔、地质构造、3D地震剖面、遥感影像、点云、导线点、巷道线、硐室、井、障碍物和人员数据，通过去噪、识别和不确定性分析，对来自多源、异构系统的数据实现集成，为3D模型构建提供基础数据；所述动态监测数据包括实时采集的水位、水流速与流量以及煤矿突透水灾害发生时突透水点、突透水量、突透水类型，并跟踪识别井下人员位置及状态，保持通信畅通，这些数据能够有效提高应急疏散模拟精度，为煤矿突透水灾害应急救援提供科学依据。3.根据权利要求1所述的煤矿突透水灾害应急疏散模拟方法，其特征在于，所述步骤B包括：所述3D模型构建的方法如下：根据矿区地质条件以及突透水灾害应急疏散模拟需求，对地层进行概化分层，并将钻孔数据依照分层进行提取，基于地质构造、3D地震剖面数据，推演并刻画出断层及褶皱的空间分布，结合钻孔数据，构建各个地层的网格模型，利用遥感影像对地表进行精细化建模和渲染，获得可靠的3D地质体模型；所述巷道网络模型构建有2种方法：利用点云，通过去噪处理，直接产生3D巷道网络模型，再经过渲染技术可以获得逼真的巷道场景；或者，基于巷道线数据，以导线点为样本，插值得到3D巷道线；并以此为中线，结合巷道的截面形状，构建巷道的网格模型；再经过布尔运算，产生3D巷道网络模型，将巷道的交叉处概化为节点，巷道概化为线段，自动转化生成巷道的拓扑结构；所述来自3DMAX的人员模型包括：通过构建截面，历经挤压拉伸、网格平滑、...

【专利技术属性】
技术研发人员：武强，徐华，张小燕，杜沅泽，赵颖旺，
申请(专利权)人：北京石油化工学院，中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11