矿井突水应急救援三维模拟

李 伟，朱希安，刘德民，王占刚

(1.北京信息科技大学 信息与通信工程学院，北京 100101；2.华北科技学院 安全工程学院， 北京 101601)

0 引言

突水事故的数量随着采矿事业的发展在逐年增加，严重威胁着井下矿工的生命安全。2010年王家岭矿发生透水事故，造成38名矿工遇难[1]。为了保证灾难事故发生时，能够有效并且快速地展开救援，将事故造成的人员伤亡、经济损失尽可能地降到最低限度，必须建立合理、完善的事故模拟救援系统；对井下矿工人员做好安全教育和培训工作，以对事故预防和事故发生后紧急处理积累经验。因此对于矿井突水漫延过程及矿井应急救援过程的模拟对保证矿工人身安全具有重要意义[2]。

当前利用虚拟现实技术模拟矿井突水救援过程的研究较少。本文通过实采王家岭巷道资料，利用3dmax 和Converse 3D软件进行三维巷道模型，将巷道模型导入ConverseEarth开发平台，借助虚拟现实技术对老窑突水漫延过程及突水事故应急救援完整过程进行三维可视化模拟。实现了在巷道某一具体位置突水后，模拟水位上涨的实时情况，从而获得整条巷道的淹没情形。模拟了矿工发现突水事故后发出紧急求救信号，当外部接到求救信号后，建立打孔排水过程，最后利用救援设备成功搭救被困人员的完整过程。

1 应急救援系统模型

1.1 内域自救和外域营救的划分

根据矿井灾害发生的实际情况，可以从宏观上将灾害区划分为两大区域:受到突发事件直接影响的区域为内域，不受突发事件影响并且为内域提供营救工作的区域为外域。

内域和外域的结构有时也会因为突发情况的变化而产生变化[3]。若仅存在自组织情况，会浪费大量宝贵时间和资源，造成救援过程无法顺利进行甚至中断，最终导致不可挽回的损失。本文将突水事故应急救援的完整过程分为内域自救和外域营救。内域自救是指在灾害发生时受灾人员的自我营救方式。外域营救是指外部采取的各种紧急营救措施。两个子系统在时间和空间里相互协同，相互作用于突发事件，使整个应急救援系统达到完善[4]。图1是内、外域协同合作框架。

图1 内、外域协同合作框架

1.2 应急救援三维模拟流程建立

本文将王家岭矿特大底板透水事故作为研究对象。结合参考文献[5]以事故的发展、演化和应急救援为主线，筛选整理所得要素和数据，并做归类研究和梳理，采用多案例分析方法提取了矿井水害事故的属性，并进一步将其分为时间变化类型、关键属性、从属属性、环境属性和危害属性的集合形式[5]。本文将矿井水灾结构化描述为：煤矿水害事故={{渐变型}，{突水水源，突水通道，突水位置}，{被困人员数量，被困人员位置，生存空间}，{水位，水量，淹没范围}，{人员伤亡，财产损失} }。把煤矿水害事故演化过程划分为4个阶段：潜伏阶段、发展阶段、救援阶段、消亡阶段。本模型可对矿井水害事故进行情景演化，为“情景—应对”提供应急决策支持。

实际救援过程中，情景要素处于动态变化中。针对每个阶段的情景要素，将突发事故信息导入到情景数据库和矿井水灾案例库中，借鉴已有矿井水灾事故的案例，得到各阶段满意的救援方案。该机制的理清，为矿井水灾应急决策方案生成及推演优化研究打下坚实的基础[6]。图2为完整的应急救援流程。

图2 应急救援流程

2 仿真模型建立

2.1 底板突水模型建立

本文以王家岭断层裂隙带突水模式为例。为了方便模拟底板突水漫延，将巷道环境简化：①假设巷道为平整直巷道，并且巷道没有坡度；②突水点的突水断面不会随水流突水事件发生变化,以固定突水面积进行突水模拟；③地层水压稳定。建立突水机理数学模型[7]：

(1)

(2)

(3)

整理可得

(4)

2.2 粒子系统的动态水仿真模型建立

粒子系统以大量带有基本属性的小粒子图形作为基本元素,粒子系统仿真分为“产生”、“运动”、“消亡”三个阶段。粒子的属性随着时间的变化而变化，确保能够体现出模糊属性物体的动态特征和随机特点，将这些元素集合起来绘制成带有模糊特性的对象。本文利用粒子的外部属性和运动规律等特征，形成水流的动态模型；对水粒子进行定量的描述，一帧一帧呈现出所需的动画效果[9]。

粒子系统仿真的完整步骤为：

1)输入粒子的具体数目到系统。

2)给予粒子属性，并进行初始化。

3)伴随新粒子的生成，自动删除已完成生命周期的粒子。

4)根据粒子状态，对粒子属性进行更改。

5)在VC编程软件中绘制并显示粒子所组成的动态图形。图3为基于粒子系统的突水仿真效果图。

图3 基于粒子系统仿真的突水效果图

3 应急救援三维模拟情景演示

3.1 三维救援过程制作流程

3.1.1 角色制作

三维场景中所有的模型物体(包括粒子特效)都可以归纳为角色，每个角色都有相应的动作与之对应，用来表达其特定的行为。演员的某些动作会触发与之对应的触发器，触发器下可以挂载一系列的行为动作，从而使得整个流程按照“规则”有序地进行。矿井人员等角色均由贴图来展现场景,由converse 3D将可识别的贴图导入到ConverseEarth开发平台中,converse 3D将图片格式转换为平台可识别的c3d模型格式,然后将角色贴图共同放到一个model资源库中,实现巷道内部不同角色执行不同行为的三维动态效果。

3.1.2 三维场景编辑

角色制作完毕后将converse 3D工程文件导出为ConverseEarth可识别的.ceProj工程文件,呈现出已经建完的三维巷道模型。

为了更好地呈现突水应急救援过程,首先将每个救援场景划分为小事件,然后将不同场景所需的角色按照时间和空间顺序放入到小事件中。通过各自场景的编辑，一旦命令触发，角色会随着时间轴所部署的行为进行各种动作演示。图4是人员逃生编辑模块。

图4 逃生事件情景编辑模块

图5为打开排水系统编辑模块。

图5 打开排水系统编辑

通过上述突水场景及救援场景的编辑，当时间到达系统预设时间后触发控制命令按钮，已经添加好的角色和救援资源等决策行为将会依次展开工作，实现整个突水救援过程。

3.2 突水应急救援完整过程三维模拟

点击“打开功能对话框”，在“资源部署”中的“视图设计”工作栏内分为演员、动作、触发、编程、模块5部分。这5个部分具有相应的层级关系，具体表现为：动作只可挂载在演员和编程中的条件之下，编程中的条件、选择和演员可以挂载在触发之下，模块是这一系列的节点结合。其中演员的节点与其特有的动作节点相对应。

文本演示的三维模拟情景即为演员、动作、触发、模块功能结合的过程。通过打开.ceProj工程文件,查看真实坐标下王家岭矿井的三维模拟效果图。图6是突水救援模拟起点效果图。

图6 突水应急救援三维模拟起点效果图

3.3 内域自救行为建模

1)首先模拟矿工巡逻过程，巡逻过程中发现巷道底板突水，由于水流较大，初步判断是老窑水。图7是矿工发现矿井内部发生突水事故。

图7 突水效果图

2)发现突水后，矿工人员观察周围情况，判断最优逃跑方向，选择往高处逃生并向外域发出求救信号后等待救援。图8为被困人员向安全地点逃生效果图。

图8 被困人员逃生效果图

3)被困人员在逃跑过程中打开巷道内部的排水按钮，继续等待救援，但是发现水位下降得较慢，且排水系统随着井底压力的增大排量变小。

3.4 外域救援行为建模

外部收到来自内部的求救信号，立刻制定救援计划：

1)打孔排水：1，2号处打井。由于在井下二氧化碳的密度增大，导致井底压力增大，1号井打通后，水向上喷涌。水位得以迅速下降。图9为打孔设备进行打孔排水救援效果图。

图9 打孔排水模拟图

2)救援人员打通小口径的“保命孔”，向井下投放食物和饮水。现场工作人员成功打通3号“保命孔”，发现有被困幸存者并与其取得联系。同时排水系统排水量增大，水位降低[10],当水位下降到一定程度，放下皮划艇开展救援工作。将被困人员送到安全地点,整个救援过程实施完成。图10为救援设备搭救被困人员效果图。

图10 放置救援设施

4 结束语

本文利用ConverseEarth开发平台实现了巷道突水应急救援三维模拟演示过程。利用内部自救和外域营救的协同救援，应对紧急情况的发生。应急救援的三维模拟可用于对事故进行模拟培训演习。在模拟环境下，矿工可以模拟在巷道内部工作的场景，避免由于不当或违规操作导致的严重后果，培养矿工人员救援意识，提高矿工应对危险事故的处理能力，从而有效规避险情。

本文通过模拟演练场景获得真实的环境体验，弥补了现实生活中训练资源有限的情况，提高了事故发生时人员的能动性，能经济而有效地训练矿工人员的应变能力，有助于挽救更多的生命。

本文在水灾救援场景方面的设定尚不完善，下一步的研究致力于开发更加丰富的学习场景，力求应急救援方式往多元化方向发展。