矿井透水淹井过程三维仿真分析方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种矿井透水淹井过程三维仿真分析方法及系统，可搭载到一计算机平台，使用者通过该计算机平台提供的矿井透水淹井过程三维仿真分析功能，可模拟分析矿井任何一处地点发生透水时的水流方向、路径、水位、透水量、积水区域范围及无水区域范围，并以三维动态水流运动显示方式展现。通过计算机平台的数据采集接口，获取井下人员定位监测系统的人员位置数据，显示在矿井透水淹井过程三维仿真分析结果的三维图形中，使用者可方便及直观地了解矿井井下被困人员的生存情况。
【专利说明】矿井透水淹井过程三维仿真分析方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明是关于一种矿井透水淹井过程三维仿真模拟技术，特别是关于一种矿井透水淹井过程三维仿真分析方法和系统，应用在一计算机平台，使用者通过该计算机平台提供的矿井透水淹井过程三维仿真分析功能，得到矿井任何一处地点发生透水时的水流方向、路径、水位、透水量、积水区域范围及无水区域范围，并以三维动态水流运动显示方式展现。通过计算机平台的数据采集接口，获取井下人员定位监测系统的人员位置数据，显示在矿井透水淹井过程三维仿真分析结果的三维图形中，方便及直观地了解矿井井下被困人员的生存情况，为应急抢险救援指挥提供决策依据。
【背景技术】
[0002]矿井透水灾害已成为仅此于瓦斯爆炸事故的矿山重大安全生产灾害。当矿井发生透水灾害时，抢险救护指挥人员对井下淹没状态一无所知，难以有目标地展开施救。目前，尚没有根据“水往低处流、同一水域的水面同步上涨”的水体流动自然规律对矿井透水淹井过程进行三维动态仿真的分析方法，所以，无法确定井下无水区的范围和井下被困人员的生存情况。虽然在矿井透水水流运动三维模拟方面有许多的技术研究，采用的方法如:基于Dijkstra算法、基于格子Boltzmann算法确定水流运动路径,或建立与井巷工程形状相同的三维体水柱或粒子流，沿人为预先确定的水流路径动画延展，以反映透水淹井过程。但这些技术采用的方法都没有遵循水体流动的自然规律，不能确定矿井中的无水区域和范围，也没有与井下人员定位系统结合确定被困人员的生存情况。因此，这些矿井透水水流运动三维模拟分析结果对抢险救援工作没有实际意义。
【发明内容】
[0003]本发明的主要目的在于提供一种矿井透水淹井过程三维仿真分析方法及系统，用于在计算机平台上三维动态显示矿井透水淹井过程和确定井下积水区域、无水区域及被困人员的生存情况。
[0004]本发明提供的矿井透水淹井过程三维仿真分析方法包括以下步骤:
(1)根据井巷工程地理三维坐标和工程断面参数建立井巷工程三维立体图和工程导线立体图；
(2)根据透水地点和与地面相通出水地点，采用三维管网水流运动模型分析流程，分析得到动态的水体流动方向、水位；
(3)在井巷工程三维立体图中生成三维水体图形，根据分析得到动态的水体流动方向、水位和积水量，三维显示水体流动过程，数据显示实时水位和积水量；
(4)根据最终水位及对应的三维井巷工程水流运动模型分析结果，得到各进水区域积水量、总透水量，以及各无水区域空间体积；
(5)根据各无水区域空间体积及其中被困人数确定人员的生存时间。
[0005]所述的三维管网水流运动模型分析流程如下: O以当前入水所在的管网V形线段或单斜线段(如图2)为分析对象，以该线段最低点为基点，给定一个水位增量，判断与该线段相连的所有导线是否与地面出口连通，如果其中有一条导线与地面出口连通，则水位由最低点沿该线段上升一个水位增量。如果与该线段相连的所有导线都与地面出口不连通，则水位终止在当前位置；
2)以当前水位高度为基准，给定一个水位增量，使与地面出水口连通且水体相连的所有线段中的模拟水位保持相同且同步升高一个水位增量；当线段中的模拟水位高度达到了另一导线与该线段的连接点时，则以该连接点为进水点，以另一导线为分析对象，进行流程I)至2)的分析;
3)流程I)至2)的循环分析直至井巷工程导线中的最高模拟水位达到模拟分析设定的最终水位为止。
[0006]所述的无水区域空间体积为采用三维工程导线水流运动模型分析流程进行分析得到的无水区段且相互连通的区域空间体积，该体积值等于各相互连通无水区段长度乘以其工程断面面积之和。
[0007]所述被困人数为读取井下人员定位监测系统的监测数据。
[0008]所述的人员生存时间的计算方法至少包含三个量:(I)根据各无水区域空间体积及其区域空气中的含氧率计算各无水区域的含氧量；(2)各无水区域中被困人数；(3)单位时间人均耗氧量。这三个量与无水区域人员生存时间的关系为:
无水区域人员生存时间=无水区域的含氧量/无水区域中被困人数/单位时间人均耗氧量。
[0009]本发明提供的矿井透水淹井过程三维仿真分析系统，可搭载至一计算机平台，该计算机平台提供使用者操作矿井透水淹井过程三维仿真分析功能；本发明的矿井透水淹井过程三维仿真分析系统至少包括:
一井巷工程三维图形建模模块，提供使用者读取井巷工程地理和工程数据，在计算机平台上显示矿井井巷工程三维立体图形；以及提供使用者设定透水地点位置、与地面出口通道；
一三维管网水流运动分析模块，可封装根据矿井透水淹井过程三维仿真分析方法编制的计算机程序，实现按三维管网水流运动模型分析流程进行数据处理，得到三维管网中的水体流动方向、水位和积水量；
一水体流动三维显示模块，可将矿井透水淹井过程三维仿真分析过程中得到的水位数据用三维水体图形动态地显示；
一采集井下人员定位系统监测数据接口和在井巷工程立体图形中三维显示人员位置及数据的模块；
一仿真分析结果输出模块，可将矿井透水淹井过程三维仿真分析的最终结果以表格方式显示在该计算机平台上，该分析结果表中至少包括:透水最终水位、总透水量、各井巷工程中的积水量、积水长度和无水长度、以及被困人数。
[0010]
【专利附图】
【附图说明】:
图1是本发明的矿井透水淹井过程三维仿真分析系统的计算机程序流程图 图2是本发明的三维管网水流运动分析模型示意图。[0011 ]
【具体实施方式】
[0012]本发明的矿井透水淹井过程三维仿真分析系统在实际应用上是搭载到一计算机平台，使用者通过该计算机平台提供的矿井透水淹井过程三维仿真分析功能，可模拟分析矿井任何一处地点发生透水时的水流方向、路径、水位、透水量、积水区域范围及无水区域范围，并以三维动态水流运动显示方式展现。通过计算机平台的数据采集接口，获取井下人员定位监测系统的人员位置数据，显示在矿井透水淹井过程三维仿真分析结果的三维图形中，使用者可方便及直观地了解矿井井下被困人员的生存情况。
[0013]以下配合附图，详细说明本发明的矿井透水淹井过程三维仿真分析系统的实施例。
[0014]如图1所示，本发明矿井透水淹井过程三维仿真分析系统的基本架构至少包括:①井巷工程三维图形建模 模块三维管网水流运动分析模块水体流动三维显示模块；④井下人员定位系统监测数据接口模块分析结果输出模块。在具体实施上，本发明的矿井透水淹井过程三维仿真分析系统可完全以计算机程序实现。以下分别说明各构成模块的属性和功能。
[0015]井巷工程三维图形建模模块的功能在于读取计算机平台存储器中的井巷工程和地理方面的数据，并在计算机平台的窗体上生成井巷工程三维立体数字模型。使用者可在该井巷工程三维立体数字模型中用鼠标点击选择被指定为与地面连通的工程图件，以及设定矿井透水最终水位标高和透水地点的具体位置，激活三维管网水流运动分析模块。
[0016]三维管网水流运动分析模块可响应上述井巷工程三维图形建模模块发出的激活信息，获取井巷工程和地理数据，分析处理各井巷工程间的连接关系，接收使用者设定的与地面连通的工程、矿井透水最终水位标高和透水地点信息，按照本发明的三维管网水流运动模型分析流程(图2)，以透水地点所在的管网V形线段I或单斜线段2为分析对象，以该线段最低点为基点，给定一个水位增量，判断与该线段相连的所有导线是否与地面出口连通，如果其中有一条导线与地面出口连通，则水位由最低点沿该线段上升一个水位增量。如果与该线段相连的所有导线都与地面出口不连通，则水位终止在当前位置；对于与地面出水口连通且水体相连的所有线段，保持其中的模拟水位相同且同步升高一个水位增量3 ;由此得到一组反映当前水面位置的水体流动方向、水位标高数据。判断当前的水位标高是否达到使用者设定的最终水位标高值，如果没有达到最终水位标高值，激活水体流动三维显示模块后，再以当前水位高度为基准，给定一个水位增量，按照本发明的三维管网水流运动模型分析流程，进行下一个循环的数据分析处理；如果线段中的模拟水位高度达到了另一导线与该线段的连接点时，则以该连接点为进水点，以另一导线为分析对象，进行下一个循环的数据分析处理。如果当前的水位标高达到最终水位标高值，则终止该模块的分析程序，同时激活井下人员定位系统监测数据接口模块。
[0017]水体流动三维显示模块响应地接收三维管网水流运动分析模块求得的模拟结果数据，将水位增量数据用三维水体增量图形在井巷工程三维立体图中的对应位置显示。当该模块连续响应三维管网水流运动分析模块多次循环分析结果时，使用者将看到矿井透水淹井的水流动态模拟过程。[0018]井下人员定位系统监测数据接口模块被激活后，将从井下人员定位监测系统中采集井下人员位置信息，并将数据传递到水体流动三维显示模块，使其在井巷工程三维立体图中对应位置显示人员信息。同时激活分析结果输出模块。
[0019]分析结果输出模块可将上述井下人员位置信息和三维管网水流运动分析模块求得的最终模拟结果数据，计算各井巷工程中的积水量、积水长度和无水区域范围、以及定位被困人员，以报表方式显示在计算机平台的窗体中。
[0020]总之，本发明提供一种矿井透水淹井过程三维仿真分析方法及系统，使用者通过该计算机平台提供的矿井透水淹井过程三维仿真分析功能，可模拟分析矿井任何一处地点发生透水时的水流方向、路径、水位，以及最终透水量、积水区域范围、无水区域范围和被困人员的生存情况，并以三维动态水流运动显示方式和报表方式展现模拟分析结果。
【权利要求】
1.一种矿井透水淹井过程三维仿真分析方法，其特征是:包括以下步骤: (1)根据井巷工程地理三维坐标和工程断面参数建立井巷工程三维立体图和工程导线立体图； (2)根据透水地点和与地面相通出水地点，采用三维管网水流运动模型分析流程，分析得到动态的水体流动方向、水位； (3)在井巷工程三维立体图中生成三维水体图形，根据分析得到动态的水体流动方向、水位和积水量，三维动态显示水体流动过程，数据显示实时水位； (4)根据最终水位及对应的三维井巷工程水流运动模型分析结果，得到矿井各进水区域积水量、总透水量，以及各无水区域空间体积； (5)根据各无水区域空间体积及其中被困人数，确定人员的生存时间。
2.根据权利要求1所述矿井透水淹井过程三维仿真分析方法，其特征在于:其中步骤(2)所述的三维管网水流运动模型分析流程如下: (O以当前入水所在的V形线段或单斜线段为分析对象，以该线段最低点为基点，给定一个水位增量，判断与该线段相连的所有导线是否与地面出口连通，如果其中有一条导线与地面出口连通，则水位由最低点沿该线段上升一个水位增量；如果与该线段相连的所有导线都与地面出口不连通，则水位终止在当前位置； (2)与地面出口连通且水体相连的所有线段中的模拟水位保持相同且同步升高，当线段中的模拟水位高度达到了另一导线与该线段的连接点时，则以该连接点为进水点，以另一导线为分析对象，进行流程(I)至(2)的分析； (3)流程(I)至(2)的循环分析直至井巷工程导线中的最高模拟水位达到仿真分析设定的最终水位为止。
3.根据权利要求1所述矿井透水淹井过程三维仿真分析方法，其特征在于:其中步骤(4)所述的无水区域空间体积为采用三维工程导线水流运动模型分析流程进行分析得到无水区段且相互连通的区域空间体积，该体积值等于各相互连通无水区段长度乘以其工程断面面积之和。
4.根据权利要求1所述矿井透水淹井过程三维仿真分析方法，其特征在于:其中步骤(5)所述被困人数为读取井下人员定位监测系统的监测数据。
5.根据权利要求1所述矿井透水淹井过程三维仿真分析方法，其特征在于:其中步骤(5)所述人员的生存时间的计算方法至少包含三个量:(1)根据各无水区域空间体积及其区域空气中的含氧率计算各无水区域的含氧量；(2)各无水区域中被困人数；(3)单位时间人均耗氧量；这三个量与无水区域人员生存时间的关系为: 无水区域人员生存时间=无水区域的含氧量/无水区域中被困人数/单位时间人均耗氧量。
6.一种矿井透水淹井过程三维仿真分析系统，可搭载至一计算机平台，该计算机平台提供使用者操作矿井透水淹井过程三维仿真分析功能；其特征在于，该矿井透水淹井过程三维仿真分析系统至少包括: 一井巷工程三维图形建模模块，提供使用者读取井巷工程地理和工程数据，在计算机平台上显示矿井井巷工程三维立体图形；以及提供使用者设定透水地点位置、与地面出口通道；一三维管网水流运动分析模块，可封装根据矿井透水淹井过程三维仿真分析方法编制的计算机程序，实现按三维管网水流运动模型分析流程进行数据处理，得到三维管网中的水体流动方向、水位； 一采集井下人员定位系统监测数据接口和在井巷工程立体图形中三维显示人员位置及数据的模块； 一水体流动三维显示模块，可将矿井透水淹井过程三维仿真分析过程中得到的水位数据用三维水体图形动态地显示； 一仿真分析结果输出模块，可将矿井透水淹井过程三维仿真分析的最终结果以表格方式显示在该计算机平台上，该分析结果表中至少包括:透水最终水位、总透水量、各井巷工程中的积水量、积水长度和无水长度、以及被困人数。
【文档编号】G06F17/50GK103970915SQ201310029401
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年1月28日 优先权日:2013年1月28日
【发明者】林崇德, 林昊 申请人:北京三维吉斯工程软件科技有限公司