第１８卷第３期 ２０１０年６月 安徽建筑工业学院学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ８ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｖｏｌ＿１８ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２０１０ 矿井事故模拟仿真技术研究 章 冲 （１．信息工程大学测绘学院，郑州， 黄 明。 ４５００５２；２．河南科技大学管理学院，洛阳４７１００３ ３．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 １０００８３） 摘要：主要研究丫建立巷道三维模型以及矿井灾害事故模拟防真的关键技术，给出了基于巷道断面构建三 维巷道模型的实现方法，并与三维巷道网络的弧一节点模型与地层岩性、节点相互关联的拓扑关系相结合， 在此基础上实现了瓦斯突出和突水灾害事故的仿真。直观展现了灾害事故发生、发展的过程，有利于抢险救 援工作的／ｌａｌ￣，，ｔ］进行。 关键词：矿井灾害事故；巷道模型；粒子系统 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—４５４０（２０１０）０３—０２７—０５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍｉｎｅ Ｄｉｓａｓｔｅｒ ＺＨＡＮＧ Ｃｈｏｎｇ ’ ～．ＨＵＡＮＧ ｍｉｎｇ。 （１＿Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｐｐｉｎｇ，Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００５２，Ｃｈｉｎａ ２．Ｓｃｈｏｏ】ｏｆ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｈｅｎａｎ ｌｄｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉ ｕｏｙａｎｇ ４７１００３，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅ Ｍｉｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ３Ｄ ｌａｎｅｗａｙ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｍｉｎｅ ｄｉｓａｓｔｅｒｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｗｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎ ３ ——Ｄ ｌａｎｅｗａｙ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌａｎｅｗａｙ ｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｔａｋｅｓ ｉｎｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｎｏｄｅ－ａｒｃ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｓｔｒａｔｕｍ ｌｉｔｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｎｏｄｅ ｃｏｒ— ｒｅｌａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｎ ｗｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｄｉｓａｓｔｅｒｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｉｎｒｕｓｈ，ａｎｄ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｄｉｓａｓｔｅｒｓ ｖｉｓｕａｌｌｙ．Ｔｈｅｓｅ ａｒｅ ｃｏｎｄｕｃｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｄｕｃｔ ｏｆ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｒｅｓｃｕｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｅ ｄｉｓａｓｔｅｒｓ；ｌａｎｅｗａｙ ｍｏｄｅｌ；ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｙｓｔｅｍ １ 引 言 ｌ０～２５ｍ的速度增加ｌ＿２ ，现在有些矿井深度已 达千米以上。由于深部开挖存在所谓“三高”问 题，即高温、高压、高渗透，造成煤矿事故频发，如 塌方、透水、瓦斯突出爆炸等。 为了减少煤矿事故的人员伤亡和经济损失， 能源是社会和经济发展的重要物质基础，能 源的开发和应用，与社会发展和人类生活密不可 分。我国是一个以煤为主的能源生产和消费大 国，煤炭是我国最可靠的能源，具有不可替代 性＿１］。由于国民经济的迅速发展，对煤炭能源的 在发生事故时应该及时有效正确地制定抢险救灾 方案并实施透明恰当地指挥，因此，在建立三维的 巷道模型以真实反映地下空间巷道的网络拓扑关 需求量越来越大，浅层煤炭资源已远远不能满足 国民经济迅速发展的需要，我国煤矿开采深度平 均每年以８～１０ｍ的速度递增，而占当前的煤炭 总产量１／３的东部矿井开采深度正以平均每年 系，辅助决策事故抢险救援应急方案的基础上，对 一些突发事故进行仿真模拟，以直观展现事故发 生、发展的过程，对于抢险救援工作的顺利进行有 收稿日期：２Ｏ１０ ０３—０１ 作者简介：章冲（１９７Ｏ），男，讲师．硕士，研究方向为三维可视化。 ２８ 着很大的帮助。 安徽建筑工业学院学报（自然科学版） 第１８卷 图２巷道交叉节点的处理所示，图２．１．（ａ）表示 平面投影，虚线为巷道中心线。局部巷道的中心 线可由基本参数得出，巷道ＡＤ、ＢＥ、ＣＦ交与０， ２巷道模型的建立 利用粒子系统的算法原理实现矿井灾害事故 模拟，首先需要明确的是，大部分灾害事故发生是 在三维巷道网络体中的，亦即粒子的随机运动是 受限于巷道体的三维空间中的。因此，要对矿井 根据每条巷道中心线分别向２侧作平行线，对这 些平行线相对于０点按顺（逆）时针排序，依序两 两求交，即可分别求出交点ｇ～ｚ，这样各个局部 巷道则在相交处附近断开，然后再根据巷道的掘 灾害事故进行模拟仿真首先要建立巷道的模型。 ２．１巷道三维几何模型 在巷道的３维建模过程中，将巷道体分解为 点、弧段、巷道断面、局部巷道４个组成部分。局 部巷道则由巷道中心线弧段和巷道断面来表达。 巷道断面是巷道３维建模中的重要参数，主要有 梯形和直壁拱形等形态 ］。巷道及断面如图１所 示，断面的基本形状可由拱形半径Ｒ，宽度Ｗ及 高度Ｈ三个参数来控制，在此基础上结合巷道的 掘进方向及长度即可构建三维模型。由基本参数 生成巷道的各个面，面再剖分成三角形格网，以实 现三维可视化的展示，如图１（ｄ）巷道网络图所 示。但为便于后续的空间分析的路线搜索还需存 储巷道中心线，它是构建巷道网络的拓扑关系及 空间分析的关键。此外，每个局部巷道中心线是 处理巷道网络中交点的关键。在巷道网络内部多 条巷道相交时必须在相交处断开，以保证在三维 系统中巷道的连通性和真实表达巷道内部的空间 形态，同时也利于实现巷道的漫游功能。 ａ）巷道投影图 ｂ）直壁拱形的巷道断面 ｃ）梯形巷道断面 ’ ｄ）巷道网络图 图１巷道断面 巷道交叉处（节点）３维建模和算法实现，由 进方向计算Ｚ值，则完成３维模型的构建，如图 ２．１．（ｂ）图所示。 图２巷道交叉节点的处理 ２．２巷道模型的三维空间拓扑关系 表１节点——弧 巷道拓扑关系主要反映巷道网络中各局部巷 道与网络节点（多条巷道的交汇点）的关联以及巷 道与三维地质地层岩性的关系。节点弧是巷道交 点处理后形成的。图２中（ａ）图的节点弧如表ｌ 所示，其中Ｐｏｗｅｒ表示是此段分割弧的权值，供 路径搜索使用。图３的（ｂ）图表达了一条巷 道ＢＥ（图２所示）在网络节点０断开后的分段情 况以及此巷道与地质地层岩性的拓扑关系。图中 ＢＥ巷道被网络节点０分割成Ｂ０和０Ｅ段，ＢＥ 整个巷道穿越三个地层（岩性），图中ＢＧ、ＧＨ、 ＨＥ分别对应地质体的三种岩性。为获取各 巷道所穿越地层，需要将巷道模型与地质模型进 行三维求交，以判定各巷道所穿越哪些地层， 并按层位进行巷道的再一次分割，每个分割体配 置其所属的地层纹理，以可视表达其与地质构造 的关系。网络节点有效地表达了巷道被分割后的 起点和终点这样一条有向图，在决策救援路线中 起着关键性的作用。 第３期 章冲，等：矿井事故模拟仿真技术研究 段、发展阶段和稳定阶段，其现象为： ２９ ３矿井事故模拟仿真 利用粒子系统的算法原理实现矿井事故模 ①抛出物有明显的气体搬运。表现为：分选 性好，由突出地点向外突出物由大Ｎ４，、颗粒由粗 拟，可以用一定数量的粒子、颜色、运动速度来反 映其发生、发展过程。因此，针对不同类型的事故 仅需改变粒子的数量，颜色、运动速度（初始速度、 运动过程中速度衰减），生命周期的长短、空间范 围来模拟其变化过程。 ３．１粒子系统简介 粒子系统在１９８３年，是由ｗ．ＩＩｉａｍ Ｒｅｅｖｅ首 先研究和提出的 ］。火、烟和云等均系气体现象， 其形成都是由无数小颗粒随机运动而产生，外观 形状极不规则，没有光滑的表面，而且极其复杂与 随意，并可能随时间而发生变化，这使得用经典的 欧几里德几何学对其描述显得为力，如用直 线、圆弧、和样条曲线等去建模，则其逼真度就非 常差。１９８３年Ｒｅｅｖｅｓ提出了一种模拟不规则模 糊物体的方法，即粒子系统方法。它充分体现了 模糊物体的动态性和随机性，能很好地模拟风中 飘摇的树枝、流云、浪花、薄雾、雨水和雪花等三维 复杂自然景物。 “粒子系统”就是由大量的、具有一定生命 的粒子图元集合在一起表现模糊物体的计算机 模拟系统，其基本思想是把模糊物体看作是众 多粒子组成的粒子团，各粒子任一时刻都具有 各自的、随机的属性，如颜色、形状、大小、生存 期、透明度、运动方向和速度等。该系统在不同 时刻的状态由粒子的动力学性质决定，粒子随 时间的推移而不断地运动，并不断改变状态。 这种粒子运动（包括平移、旋转、自转、涡旋、反 弹、比例变换等），均可以通过受控的随机过程 来模拟实现。该系统始终处于动态的变化中， 即新粒子通过可控的随机过程不断地产生，旧 粒子不断地消亡。在某一给定帧图象中产生粒 子的数量可用方程来确定，该方程包括一帧上 生成粒子的平均数量和方差，或是屏幕上每单 位区域上产生粒子的数量和方差。 粒子在系统内都要经过“产生”、“活动”和“死 亡”这三个具有随机性的阶段，在某一时刻所有存 活粒子的集合就构成了粒子系统的模型。 ３．２瓦斯突出的模拟仿真 瓦斯突出分为四个阶段：准备阶段、激发阶 到细；抛出物的堆积角小于自然安息角；大型突出 时，突出煤可堆满巷道达数十米甚至数百米，堆积 物的顶部往往留有排瓦斯道； ②由于高压气体对煤的破坏作用，突出物中 有大量极细的煤粉； ③抛出煤的距离从几米到几百米，大型和特 大型突出可达千米以上； ④喷出的瓦斯量大大超出煤层的瓦斯含量， 突出所形成的冲击波和瓦斯风暴可逆风数十米， 数百米，甚至更远使风流逆转； ⑤动力效应大，能推倒矿车，破坏巷道和通 风设施； ⑥孔洞的形状呈腹大口小的梨型、舌型、倒 瓶型，甚至形成奇异的分岔孔洞。 传统的基于粒子系统方法的物体建模使用粒 子的诞生、活动及死亡三个阶段来描述，并且这三 个阶段具有随机发生特性，在某一时刻活动的粒 子集合就构成物体模型。对传统粒子系统进行改 进以实现其仿真过程，方法是确定其生命的三个 阶段的发生过程，除去其随机特性，具体过程为： １）控制粒子生成的位置 在传统的粒子系统中，每个粒子生成的开始 点是随机产生的。为了实现巷道瓦斯突出模拟， 需要把生成粒子开始点的位置固定在事故发生点 （可鼠标交互指定空间位置）。 ２）控制粒子运动（活动）的路径和速度 为了实现巷道风流模拟演示需要将粒子运动 的路径固定在三维巷道体中，以巷道中心线为基 准粒子运动的速度可以控制为和实际突出的运动 速度相当（需分阶段，因为四个阶段的速度是不同 的）。 ３）控制粒子消亡的时间 每个粒子的消亡时间是它运动到巷道壁的时 刻或能量释放完为止。因此，对巷道瓦斯突出粒 子的生命值可以采用２种方法来获得： （１）巷道的长度为Ｌ，粒子的长度为Ｐ，粒子 运动的速度Ｓ，则该粒子的生命值为： ｍ—ｐＬｉｆｅ＝Ｌ／（Ｐ＋Ｓ） （１） 此时，每显示一次该粒子就要将其生命减１，当 ３０ 安徽建筑＿ｒ－，＿ｌｋ学院学报（自然科学版） ３．３突水事故 第１８卷 ｐＬ ｉｒｅ一０时该粒子消亡； （２）粒子的生命值为无穷大，此时粒子的消 亡不能靠其生命值来判断，而是当其移动到或 对于突水过程的模拟，采用纯纹理的方式，凹 凸纹理映射技术，并结合最新的Ｃｇ图形硬件开 超过巷道体的边界时消亡。这里需要做粒子与 巷道三维体的碰撞检测，即当一个三维点（一个 粒子）是否在三维巷道体中。具体实现的方 发语言来实现。用两个三角形图元组成的四边形 来模拟构建水域，因此通过改变顶点高程来模拟 水面的波动是不现实的，而凹凸纹理可以弥补这 法是： 设粒子的当前坐标为ｐ（ｘ ，ｙ ， ），则有： ①对于矩形巷道，设巷道体的长为Ｌ，宽为 ｗ，高为Ｈ，选取行导体最小坐标值作为参考点， 设坐标为Ｑ（ｘ。，ｙ。， ）则满足公式（２．２）说明此 粒子没有运动到边界，否则此粒子生命值为０。 ｆｚ０≤ｚ ≤ｚｏ＋Ｌ ｛Ｙｏ≤．ｙ ≤Ｙ０＋Ｗ （２） ｌ ｏ≤ ≤ ｏ＋Ｈ ②对于其他形状的巷道，如梯形、圆拱形巷道则 首先需要求出矩形其包围盒，然后再精确判断粒 子点是否在巷道体内。即分为２个步骤： ｓｔｅｐ１：根据所求的包围盒，按（ａ）的计算方法 进行判断，若粒子点不在包围盒中则转入ｓｔｅｐ２， 否则直接退出，说明此粒子已经超过巷道体边界， 此时粒子生命值为０； ｓｔｅｐ２：过粒子点向ＸＯＹ平面做铅垂线，然后 计算此铅垂线与巷道体各个面的交点个数，若交 点个数为奇数，则说明没越界，否则越界，粒子生 命值赋值为０。此问题归结为射线（铅垂线）与构 成巷道体的三角面的几何求交计算。 铅垂线的参数方程为： （ ）一Ｌ ，ｙ ，ｇｐＪ＋Ｅｏ，０，一Ｚｐ３ｔ（ｏ≤￡） （３） 结合３．６．１．３射线三角面相交算法即可得到交点 ４）颜色控制 在突出的过程中，其产生的物体的颜色是随 着时间而时刻变化的。因此对其混合物颜色的处 理是十分重要的。突出开始时混合物的颜色应该 以深黑色为主，随着时间的推移，随后变为浅黑 色，最后又渐变为雾状或粉末状的黑颜色。根据 突出的持续时间控制混合物颜色的变化。这里， 对粒子赋用不同的颜色来反映各个阶段突出量的 多少或浓度的变化。 一缺陷。凹凸纹理贴图是Ｂｌｉｎｎ于１９７８年提出 的，该方法能以较低的几何细节来获得非常逼真 的凹凸效果。 水面波动效果的实现。水面波动由两部分组 成：第一是动态凹凸纹理模拟波动的水面；第二是 通过一定数学模型对反射折射纹理坐标进行扰动 实现纹理扭曲，使得效果更贴近现实。 此外，为实现动画效果，采用了动态纹理技 术。动态纹理是指在不同时刻赋予模型的纹理坐 标或者纹理本身在不断变化。当这种变化是连续 的时候，就形成了动画效果．ｏ 动态纹理主要是通过改变纹理坐标来实现动 态纹理。实现纹理映射首先指定纹理映射到模型 上的坐标——纹理坐标，通过实时改变纹理坐标 可以实现动态纹理。纹理坐标的改变有多种方 式，，可以通过一定的函数对其进行扰动。最简单 的扰动函数是线性函数。利用这个特性，可以将 水面的图像映射到表示水域的模型表面，当纹理 坐标进行线性更新时就形成水的流动效果。即每 帧都对纹理坐标进行一个偏移操作，当这种偏移 连续时，就模拟了水面的流动效果。具体实 现为： ①用两个三角形图元组成的四边形来构建 水域。 ②通过映射动态凹凸纹理（Ｂｕｍｐ Ｍａｐｐｉｎｇ） 来描述水面的波动。 ③通过映射动态纹理和投影纹理（Ｐｒｏｊｅｃ— ｔｉｖｅ Ｔｅｘｔｕｒｅ Ｍａｐｐｉｎｇ）来描述水面的散射（Ｃａｕｓ— ｔｉｃｓ）效果。 ④通过映射Ｐ—ｂｕｆｆｅｒｓ技术获得的反射纹 理和折射纹理来描述水面的反射和折射效果、通 过一定的数学模型来扰动这些纹理从而获得水面 波动扭曲及突水量大小效果。 ⑤在突水过程中通过上面的碰撞算法检测 是否越界。 第３期 章 冲，等：矿井事故模拟仿真技术研究 ３１ ４ 系统实现 ４．１三维巷道模型的实现 三维巷道模型主要采用表面模型进行三角 格网剖分。三维巷道模型的建立主要包括 巷道、交叉巷道的贯通、巷道弯道的光滑处理 等，下面给出试验区的效果展示图，如图４ 所示： 图４三维巷逼模型 ４．２瓦斯突出事故仿真 瓦斯突出事故主要利用粒子系统进行其模 拟，粒子产生后，一帧接一帧的运动，直至死亡。 粒子的运动轨迹以巷道中心线为基础，在巷道体 内以用随机函数来控制，在运动过程中，可以改变 其颜色、透明度、大小、运动轨迹、生命值等。根据 粒子仿真瓦斯突出的实现方法，得到的效果如图 ５所示，左图表示开始的时候，此时粒子数量最 多，右图表示突出持续后期，此时粒子数量较少， 粒子浓度也相应地发生了变化。 图５瓦斯突出仿真 ４．３矿井突水事故仿真 对于突水过程的模拟，其难点是要解决突 水的突水过程中波动的产生，本文采用了Ｊａｖａ ３Ｄ多重纹理、凹凸纹理的技术来实现。突水效 果如图６所示，四幅图分反映了突水的渐变过 程，突水量由弱到强再到突水稳定。在这一系 列过程中，水的颜色也发生变化，它是通过纹理 映射来实现的。图中也反映了突水的波动及水 流的情况。 图６突水仿真 ５结 论 在三维巷道有界空间中，利用粒子系统．通 过对粒子数量、粒子生命周期、运动路径、粒子 颜色等控制，可以模拟仿真瓦斯突出及突水的 过程。结合在巷道拓扑构建基础匕的空间分析 技术，可以为事故决策处理提供了有力的技术 支持。 参考文献 ｌ 尚海涛．煤炭作为我国基础能源的重要地位不可动摇 ｒＪ］．中国煤炭，２００１（４）：５—９． ２何满朝．深部开采工程岩石力学的现状及其展望［Ｃ］． 第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集［Ａ］．北 京：科学出版社，２００４：８８—９４． ３晏玉书．我国煤矿软岩巷道围岩控制技术现状及发展 趋势［Ｍ ．北京：中国矿大出版社，１９９６：ｌ—Ｊ７． ４马洪滨，郭甲腾．一种新的多轮廓线重构三维形体算 法［Ｊ］．东北大学学报（自然科学版），２００７，２８（］）：１１１ １１４． ５ Ｒｅｖｅｅｓ ＷＩ１１ｉａｒｎ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓ ｔｅｒＴ ——Ａ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａ ｃｌａｓｓ ｏｆ｛ｕｚｚｙ ｏｂｊｅｃｔｓ［Ｊ］．ＡＣＭ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｒａｐｈｉｃｓ（ＳＩ（Ｘ ＡＰＨ８３）．１９８３，１７（３）：３ ９—３７６．
