礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析方法及系統(tǒng)，可搭載到一計(jì)算機(jī)平臺(tái)，使用者通過(guò)該計(jì)算機(jī)平臺(tái)提供的礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析功能，可模擬分析礦井任何一處地點(diǎn)發(fā)生透水時(shí)的水流方向、路徑、水位、透水量、積水區(qū)域范圍及無(wú)水區(qū)域范圍，并以三維動(dòng)態(tài)水流運(yùn)動(dòng)顯示方式展現(xiàn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集接口，獲取井下人員定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人員位置數(shù)據(jù)，顯示在礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析結(jié)果的三維圖形中，使用者可方便及直觀地了解礦井井下被困人員的生存情況。
【專利說(shuō)明】礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于一種礦井透水淹井過(guò)程三維仿真模擬技術(shù)，特別是關(guān)于一種礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析方法和系統(tǒng)，應(yīng)用在一計(jì)算機(jī)平臺(tái)，使用者通過(guò)該計(jì)算機(jī)平臺(tái)提供的礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析功能，得到礦井任何一處地點(diǎn)發(fā)生透水時(shí)的水流方向、路徑、水位、透水量、積水區(qū)域范圍及無(wú)水區(qū)域范圍，并以三維動(dòng)態(tài)水流運(yùn)動(dòng)顯示方式展現(xiàn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集接口，獲取井下人員定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人員位置數(shù)據(jù)，顯示在礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析結(jié)果的三維圖形中，方便及直觀地了解礦井井下被困人員的生存情況，為應(yīng)急搶險(xiǎn)救援指揮提供決策依據(jù)。
【背景技術(shù)】
[0002]礦井透水災(zāi)害已成為僅此于瓦斯爆炸事故的礦山重大安全生產(chǎn)災(zāi)害。當(dāng)?shù)V井發(fā)生透水災(zāi)害時(shí)，搶險(xiǎn)救護(hù)指揮人員對(duì)井下淹沒(méi)狀態(tài)一無(wú)所知，難以有目標(biāo)地展開(kāi)施救。目前，尚沒(méi)有根據(jù)“水往低處流、同一水域的水面同步上漲”的水體流動(dòng)自然規(guī)律對(duì)礦井透水淹井過(guò)程進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)仿真的分析方法，所以，無(wú)法確定井下無(wú)水區(qū)的范圍和井下被困人員的生存情況。雖然在礦井透水水流運(yùn)動(dòng)三維模擬方面有許多的技術(shù)研究，采用的方法如:基于Dijkstra算法、基于格子Boltzmann算法確定水流運(yùn)動(dòng)路徑,或建立與井巷工程形狀相同的三維體水柱或粒子流，沿人為預(yù)先確定的水流路徑動(dòng)畫(huà)延展，以反映透水淹井過(guò)程。但這些技術(shù)采用的方法都沒(méi)有遵循水體流動(dòng)的自然規(guī)律，不能確定礦井中的無(wú)水區(qū)域和范圍，也沒(méi)有與井下人員定位系統(tǒng)結(jié)合確定被困人員的生存情況。因此，這些礦井透水水流運(yùn)動(dòng)三維模擬分析結(jié)果對(duì)搶險(xiǎn)救援工作沒(méi)有實(shí)際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的主要目的在于提供一種礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析方法及系統(tǒng)，用于在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上三維動(dòng)態(tài)顯示礦井透水淹井過(guò)程和確定井下積水區(qū)域、無(wú)水區(qū)域及被困人員的生存情況。
[0004]本發(fā)明提供的礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析方法包括以下步驟:
(1)根據(jù)井巷工程地理三維坐標(biāo)和工程斷面參數(shù)建立井巷工程三維立體圖和工程導(dǎo)線立體圖；
(2)根據(jù)透水地點(diǎn)和與地面相通出水地點(diǎn)，采用三維管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)模型分析流程，分析得到動(dòng)態(tài)的水體流動(dòng)方向、水位；
(3)在井巷工程三維立體圖中生成三維水體圖形，根據(jù)分析得到動(dòng)態(tài)的水體流動(dòng)方向、水位和積水量，三維顯示水體流動(dòng)過(guò)程，數(shù)據(jù)顯示實(shí)時(shí)水位和積水量；
(4)根據(jù)最終水位及對(duì)應(yīng)的三維井巷工程水流運(yùn)動(dòng)模型分析結(jié)果，得到各進(jìn)水區(qū)域積水量、總透水量，以及各無(wú)水區(qū)域空間體積；
(5)根據(jù)各無(wú)水區(qū)域空間體積及其中被困人數(shù)確定人員的生存時(shí)間。
[0005]所述的三維管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)模型分析流程如下: O以當(dāng)前入水所在的管網(wǎng)V形線段或單斜線段(如圖2)為分析對(duì)象，以該線段最低點(diǎn)為基點(diǎn)，給定一個(gè)水位增量，判斷與該線段相連的所有導(dǎo)線是否與地面出口連通，如果其中有一條導(dǎo)線與地面出口連通，則水位由最低點(diǎn)沿該線段上升一個(gè)水位增量。如果與該線段相連的所有導(dǎo)線都與地面出口不連通，則水位終止在當(dāng)前位置；
2)以當(dāng)前水位高度為基準(zhǔn)，給定一個(gè)水位增量，使與地面出水口連通且水體相連的所有線段中的模擬水位保持相同且同步升高一個(gè)水位增量；當(dāng)線段中的模擬水位高度達(dá)到了另一導(dǎo)線與該線段的連接點(diǎn)時(shí)，則以該連接點(diǎn)為進(jìn)水點(diǎn)，以另一導(dǎo)線為分析對(duì)象，進(jìn)行流程I)至2)的分析;
3)流程I)至2)的循環(huán)分析直至井巷工程導(dǎo)線中的最高模擬水位達(dá)到模擬分析設(shè)定的最終水位為止。
[0006]所述的無(wú)水區(qū)域空間體積為采用三維工程導(dǎo)線水流運(yùn)動(dòng)模型分析流程進(jìn)行分析得到的無(wú)水區(qū)段且相互連通的區(qū)域空間體積，該體積值等于各相互連通無(wú)水區(qū)段長(zhǎng)度乘以其工程斷面面積之和。
[0007]所述被困人數(shù)為讀取井下人員定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
[0008]所述的人員生存時(shí)間的計(jì)算方法至少包含三個(gè)量:(I)根據(jù)各無(wú)水區(qū)域空間體積及其區(qū)域空氣中的含氧率計(jì)算各無(wú)水區(qū)域的含氧量；(2)各無(wú)水區(qū)域中被困人數(shù)；(3)單位時(shí)間人均耗氧量。這三個(gè)量與無(wú)水區(qū)域人員生存時(shí)間的關(guān)系為:
無(wú)水區(qū)域人員生存時(shí)間=無(wú)水區(qū)域的含氧量/無(wú)水區(qū)域中被困人數(shù)/單位時(shí)間人均耗氧量。
[0009]本發(fā)明提供的礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析系統(tǒng)，可搭載至一計(jì)算機(jī)平臺(tái)，該計(jì)算機(jī)平臺(tái)提供使用者操作礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析功能；本發(fā)明的礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析系統(tǒng)至少包括:
一井巷工程三維圖形建模模塊，提供使用者讀取井巷工程地理和工程數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上顯示礦井井巷工程三維立體圖形；以及提供使用者設(shè)定透水地點(diǎn)位置、與地面出口通道；
一三維管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)分析模塊，可封裝根據(jù)礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析方法編制的計(jì)算機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)按三維管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)模型分析流程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到三維管網(wǎng)中的水體流動(dòng)方向、水位和積水量；
一水體流動(dòng)三維顯示模塊，可將礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析過(guò)程中得到的水位數(shù)據(jù)用三維水體圖形動(dòng)態(tài)地顯示；
一采集井下人員定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接口和在井巷工程立體圖形中三維顯示人員位置及數(shù)據(jù)的模塊；
一仿真分析結(jié)果輸出模塊，可將礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析的最終結(jié)果以表格方式顯示在該計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，該分析結(jié)果表中至少包括:透水最終水位、總透水量、各井巷工程中的積水量、積水長(zhǎng)度和無(wú)水長(zhǎng)度、以及被困人數(shù)。
[0010]
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
圖1是本發(fā)明的礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)程序流程圖 圖2是本發(fā)明的三維管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)分析模型示意圖。[0011 ]
【具體實(shí)施方式】
[0012]本發(fā)明的礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用上是搭載到一計(jì)算機(jī)平臺(tái)，使用者通過(guò)該計(jì)算機(jī)平臺(tái)提供的礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析功能，可模擬分析礦井任何一處地點(diǎn)發(fā)生透水時(shí)的水流方向、路徑、水位、透水量、積水區(qū)域范圍及無(wú)水區(qū)域范圍，并以三維動(dòng)態(tài)水流運(yùn)動(dòng)顯示方式展現(xiàn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集接口，獲取井下人員定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人員位置數(shù)據(jù)，顯示在礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析結(jié)果的三維圖形中，使用者可方便及直觀地了解礦井井下被困人員的生存情況。
[0013]以下配合附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析系統(tǒng)的實(shí)施例。
[0014]如圖1所示，本發(fā)明礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析系統(tǒng)的基本架構(gòu)至少包括:①井巷工程三維圖形建模 模塊三維管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)分析模塊水體流動(dòng)三維顯示模塊；④井下人員定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接口模塊分析結(jié)果輸出模塊。在具體實(shí)施上，本發(fā)明的礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析系統(tǒng)可完全以計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。以下分別說(shuō)明各構(gòu)成模塊的屬性和功能。
[0015]井巷工程三維圖形建模模塊的功能在于讀取計(jì)算機(jī)平臺(tái)存儲(chǔ)器中的井巷工程和地理方面的數(shù)據(jù)，并在計(jì)算機(jī)平臺(tái)的窗體上生成井巷工程三維立體數(shù)字模型。使用者可在該井巷工程三維立體數(shù)字模型中用鼠標(biāo)點(diǎn)擊選擇被指定為與地面連通的工程圖件，以及設(shè)定礦井透水最終水位標(biāo)高和透水地點(diǎn)的具體位置，激活三維管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)分析模塊。
[0016]三維管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)分析模塊可響應(yīng)上述井巷工程三維圖形建模模塊發(fā)出的激活信息，獲取井巷工程和地理數(shù)據(jù)，分析處理各井巷工程間的連接關(guān)系，接收使用者設(shè)定的與地面連通的工程、礦井透水最終水位標(biāo)高和透水地點(diǎn)信息，按照本發(fā)明的三維管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)模型分析流程(圖2)，以透水地點(diǎn)所在的管網(wǎng)V形線段I或單斜線段2為分析對(duì)象，以該線段最低點(diǎn)為基點(diǎn)，給定一個(gè)水位增量，判斷與該線段相連的所有導(dǎo)線是否與地面出口連通，如果其中有一條導(dǎo)線與地面出口連通，則水位由最低點(diǎn)沿該線段上升一個(gè)水位增量。如果與該線段相連的所有導(dǎo)線都與地面出口不連通，則水位終止在當(dāng)前位置；對(duì)于與地面出水口連通且水體相連的所有線段，保持其中的模擬水位相同且同步升高一個(gè)水位增量3 ;由此得到一組反映當(dāng)前水面位置的水體流動(dòng)方向、水位標(biāo)高數(shù)據(jù)。判斷當(dāng)前的水位標(biāo)高是否達(dá)到使用者設(shè)定的最終水位標(biāo)高值，如果沒(méi)有達(dá)到最終水位標(biāo)高值，激活水體流動(dòng)三維顯示模塊后，再以當(dāng)前水位高度為基準(zhǔn)，給定一個(gè)水位增量，按照本發(fā)明的三維管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)模型分析流程，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)分析處理；如果線段中的模擬水位高度達(dá)到了另一導(dǎo)線與該線段的連接點(diǎn)時(shí)，則以該連接點(diǎn)為進(jìn)水點(diǎn)，以另一導(dǎo)線為分析對(duì)象，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)分析處理。如果當(dāng)前的水位標(biāo)高達(dá)到最終水位標(biāo)高值，則終止該模塊的分析程序，同時(shí)激活井下人員定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接口模塊。
[0017]水體流動(dòng)三維顯示模塊響應(yīng)地接收三維管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)分析模塊求得的模擬結(jié)果數(shù)據(jù)，將水位增量數(shù)據(jù)用三維水體增量圖形在井巷工程三維立體圖中的對(duì)應(yīng)位置顯示。當(dāng)該模塊連續(xù)響應(yīng)三維管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)分析模塊多次循環(huán)分析結(jié)果時(shí)，使用者將看到礦井透水淹井的水流動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程。[0018]井下人員定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接口模塊被激活后，將從井下人員定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采集井下人員位置信息，并將數(shù)據(jù)傳遞到水體流動(dòng)三維顯示模塊，使其在井巷工程三維立體圖中對(duì)應(yīng)位置顯示人員信息。同時(shí)激活分析結(jié)果輸出模塊。
[0019]分析結(jié)果輸出模塊可將上述井下人員位置信息和三維管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)分析模塊求得的最終模擬結(jié)果數(shù)據(jù)，計(jì)算各井巷工程中的積水量、積水長(zhǎng)度和無(wú)水區(qū)域范圍、以及定位被困人員，以報(bào)表方式顯示在計(jì)算機(jī)平臺(tái)的窗體中。
[0020]總之，本發(fā)明提供一種礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析方法及系統(tǒng)，使用者通過(guò)該計(jì)算機(jī)平臺(tái)提供的礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析功能，可模擬分析礦井任何一處地點(diǎn)發(fā)生透水時(shí)的水流方向、路徑、水位，以及最終透水量、積水區(qū)域范圍、無(wú)水區(qū)域范圍和被困人員的生存情況，并以三維動(dòng)態(tài)水流運(yùn)動(dòng)顯示方式和報(bào)表方式展現(xiàn)模擬分析結(jié)果。
【權(quán)利要求】
1.一種礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析方法，其特征是:包括以下步驟: (1)根據(jù)井巷工程地理三維坐標(biāo)和工程斷面參數(shù)建立井巷工程三維立體圖和工程導(dǎo)線立體圖； (2)根據(jù)透水地點(diǎn)和與地面相通出水地點(diǎn)，采用三維管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)模型分析流程，分析得到動(dòng)態(tài)的水體流動(dòng)方向、水位； (3)在井巷工程三維立體圖中生成三維水體圖形，根據(jù)分析得到動(dòng)態(tài)的水體流動(dòng)方向、水位和積水量，三維動(dòng)態(tài)顯示水體流動(dòng)過(guò)程，數(shù)據(jù)顯示實(shí)時(shí)水位； (4)根據(jù)最終水位及對(duì)應(yīng)的三維井巷工程水流運(yùn)動(dòng)模型分析結(jié)果，得到礦井各進(jìn)水區(qū)域積水量、總透水量，以及各無(wú)水區(qū)域空間體積； (5)根據(jù)各無(wú)水區(qū)域空間體積及其中被困人數(shù)，確定人員的生存時(shí)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析方法，其特征在于:其中步驟(2)所述的三維管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)模型分析流程如下: (O以當(dāng)前入水所在的V形線段或單斜線段為分析對(duì)象，以該線段最低點(diǎn)為基點(diǎn)，給定一個(gè)水位增量，判斷與該線段相連的所有導(dǎo)線是否與地面出口連通，如果其中有一條導(dǎo)線與地面出口連通，則水位由最低點(diǎn)沿該線段上升一個(gè)水位增量；如果與該線段相連的所有導(dǎo)線都與地面出口不連通，則水位終止在當(dāng)前位置； (2)與地面出口連通且水體相連的所有線段中的模擬水位保持相同且同步升高，當(dāng)線段中的模擬水位高度達(dá)到了另一導(dǎo)線與該線段的連接點(diǎn)時(shí)，則以該連接點(diǎn)為進(jìn)水點(diǎn)，以另一導(dǎo)線為分析對(duì)象，進(jìn)行流程(I)至(2)的分析； (3)流程(I)至(2)的循環(huán)分析直至井巷工程導(dǎo)線中的最高模擬水位達(dá)到仿真分析設(shè)定的最終水位為止。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析方法，其特征在于:其中步驟(4)所述的無(wú)水區(qū)域空間體積為采用三維工程導(dǎo)線水流運(yùn)動(dòng)模型分析流程進(jìn)行分析得到無(wú)水區(qū)段且相互連通的區(qū)域空間體積，該體積值等于各相互連通無(wú)水區(qū)段長(zhǎng)度乘以其工程斷面面積之和。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析方法，其特征在于:其中步驟(5)所述被困人數(shù)為讀取井下人員定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析方法，其特征在于:其中步驟(5)所述人員的生存時(shí)間的計(jì)算方法至少包含三個(gè)量:(1)根據(jù)各無(wú)水區(qū)域空間體積及其區(qū)域空氣中的含氧率計(jì)算各無(wú)水區(qū)域的含氧量；(2)各無(wú)水區(qū)域中被困人數(shù)；(3)單位時(shí)間人均耗氧量；這三個(gè)量與無(wú)水區(qū)域人員生存時(shí)間的關(guān)系為: 無(wú)水區(qū)域人員生存時(shí)間=無(wú)水區(qū)域的含氧量/無(wú)水區(qū)域中被困人數(shù)/單位時(shí)間人均耗氧量。
6.一種礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析系統(tǒng)，可搭載至一計(jì)算機(jī)平臺(tái)，該計(jì)算機(jī)平臺(tái)提供使用者操作礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析功能；其特征在于，該礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析系統(tǒng)至少包括: 一井巷工程三維圖形建模模塊，提供使用者讀取井巷工程地理和工程數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上顯示礦井井巷工程三維立體圖形；以及提供使用者設(shè)定透水地點(diǎn)位置、與地面出口通道；一三維管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)分析模塊，可封裝根據(jù)礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析方法編制的計(jì)算機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)按三維管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)模型分析流程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到三維管網(wǎng)中的水體流動(dòng)方向、水位； 一采集井下人員定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接口和在井巷工程立體圖形中三維顯示人員位置及數(shù)據(jù)的模塊； 一水體流動(dòng)三維顯示模塊，可將礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析過(guò)程中得到的水位數(shù)據(jù)用三維水體圖形動(dòng)態(tài)地顯示； 一仿真分析結(jié)果輸出模塊，可將礦井透水淹井過(guò)程三維仿真分析的最終結(jié)果以表格方式顯示在該計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，該分析結(jié)果表中至少包括:透水最終水位、總透水量、各井巷工程中的積水量、積水長(zhǎng)度和無(wú)水長(zhǎng)度、以及被困人數(shù)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103970915SQ201310029401
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月28日
【發(fā)明者】林崇德, 林昊 申請(qǐng)人:北京三維吉斯工程軟件科技有限公司