CN105740588B - 用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延方法 - Google Patents

Abstract

一种用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延方法是对巷道耦合边界的所有点进行坐标变换，对边界附近的点进行筛选，完成对这些点的赋值以及计算，每次迭代之后，网格各个节点的宏观密度以及速度物理量，采用基于GIS技术开发的软件平台可以高亮显示从开始突水到漫延完成的动态过程。实现两个巷道任意角度耦合的模型搭建，对于多巷道耦合采用两两耦合的模型进行。本方法对多个巷道的耦合进行数值模拟，针对巷道任意角度分块耦合算法输出的实时速度、突水所漫延到的位置加载到水害漫延图层中，并以高亮显示。

Description

用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿井下水害漫延的仿真方法，具体是一种用于煤矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延的实现方法。

背景技术

煤矿事故频繁发生，其中水害事故是仅次于瓦斯事故的煤矿“第二杀手”，但它有其自身特点，从事故发生后抢险救援、恢复生产难度和事故造成的经济损失来看，水害比瓦斯事故远远严重；且随着开采深度逐渐加大以及下组煤大规模开发，水患问题将更加突出。国内外关于煤矿水灾的发明研究主要集中于突水预测，水灾的灾情评估和水文地质的研究等方面，对水灾发生后水流在矿井中狭窄的巷道内蔓延趋势和灾情演变情况的研究较少。系统地研究水在地下复杂拓扑结构巷道的蔓延规律，可得出水害蔓延路径，能够在发生灾害前制定有效的避灾路线，最大程度保证矿工生命安全，减少煤矿损失。

水害反演的计算，多采用微积分方程描述，数值求解的方法。研究流体力学的时候，为了使得能够用数学的方式解决，学者们建立了流体流动所普遍遵循的Navier-Stokes方程。流体运动所遵循的物理规律的数学表达式，用来研究流体运动中各物理量间的变化关系和求解流场中各物理量的分布。为了求解科学技术和工程实践中的流体力学问题，首先应对问题中的流体性质和运动现象进行简化，提出反映问题本质的理论模型，并运用基本的物理定律和反映此模型特点的特殊规律建立流体力学基本方程组。方程组应该是封闭的，即方程的个数要与其中出现的未知物理量的数目相等。然后，根据具体问题的初始条件和边界条件，求解方程组，计算流场内各物理量的分布。在流体力学方程组中，自变量可以取拉格朗日变量（物质坐标和时间），也可以取欧拉变量(空间坐标和时间)。为了便于计算物理量在流场中的分布，一般多采用欧拉变量。

Lattice Boltzmann Method(LBM)是使用空间和时间完全离散化的介观模型来模拟宏观流体的运动规律的方法。该方法直接从离散模型出发，应用物质世界最根本的质量守恒、动量守恒和能量守恒规律，在分子运动论和统计力学的基础上构架起宏观与微观、连续与离散之间的桥梁，从一种全新的角度诊释流体运动的本质问题。经过近几十年发展，已经成为非常成熟的数值模拟方法，广泛应用于解决模拟磁场对热液的影响、微观尺度的流动、物理塑性流动等方面，该方法求解物理问题的基本流程如图1所示。

发明内容

本发明要解决的具体技术问题是如何实现煤矿井下的多巷道任意角度的数值耦合模拟，对虚拟巷道模型每点的宏观速度进行直观显示，并提供一种用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延方法。

上述用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延方法，所述方法是按下列步骤进行的：

（1）对相邻巷道耦合边界所有的点进行坐标变换

在平面直角坐标系绕坐标原点旋转角进行一个线性变换，若原坐标轴上一点坐标为，经过坐标变换，在新坐标轴上的坐标位置就是，其中为变换矩阵，变换矩阵如下：

选取相邻巷道的坐标系为，其中的正向为沿相邻巷道的方向，的正向为垂直于正向；选取相邻巷道的坐标系为，其中的正向为沿相邻巷道的方向，的正向为垂直于正向，O点为两个坐标系的公共坐标原点，通过坐标变换将坐标系上的某一点转换到坐标系中，与耦合边界AB直线进行比较，确定该点是AB直线的哪一侧；

（2）对相邻边界附近的点进行筛选

设相邻巷道耦合边的点用A，B，C来表示，其中A，B为边界点，C为其他点；设相邻巷道耦合边的点用a，b，c来表示，其中a，b为边界点，c为其他点；

对相邻巷道位于直线AB下方的点也存在于相邻巷道中，舍去相应的点，再在剩余点中选取到相邻耦合边界的直线的距离d小于或等于的网格节点，其中，为两个相邻巷道的夹角，为网格的步长；

（3）完成对这些点的赋值

对相邻边界节点a、b处理是根据分块耦合算法完成赋值，对于c点的处理是选取距离c点最近的ab线段上的节点；

对于相邻巷道的C点来说，相邻耦合边界的密度分布函数未知，根据边界唯一性，通过相邻巷道对应的c点完成该赋值，即， =4，7，8；

对于相邻巷道的耦合边界c点的未知密度分布函数，通过相邻巷道的对应点完成赋值，即，得到每一点的密度分布函数之后，计算各个点的速度、密度和压力；

实现相邻两个巷道任意角度耦合的模型搭建，对于多巷道任意角度耦合，采用两两耦合的模型进行。

在上述方案中，所述方法是在一台或多台PC机运行，使用windows 7系统作为程序开发软件环境，使用Microsoft Visual Studio作为程序开发平台；所述方法是在计算机计算结果后，实现在GIS平台进行可视化，GIS平台可视化是针对巷道任意角度分块耦合算法输出的实时速度、突水所漫延到的位置加载到水害漫延图层中，并以高亮显示；所述方法的系统是由多个客户端、突水漫延子系统、多个无线传感器终端、多个人工PC机输入端以及数据库服务器通过网络连接构成；并由数据库服务器存储传感器坐标信息、矿井采掘位置信息、巷道线状走向信息、巷道长度宽度信息和巷道障碍物位置信息；无线传感器终端和人工PC机输入端将现场监测或人工采集的上述信息传输给数据库服务器；突水漫延子系统用于向数据库请求实时更新的上述信息同步加载到GIS空间图层中，实现与数据库服务器的同步，运用井下多巷道任意角度耦合的LBM方法，获得巷道实时水害漫延图层；客户端同步接收来自数据库服务器的图表数据和突水漫延子系统返回的巷道实时漫延图层，一个或多个客户端共享信息，及时掌握井下实时情况；所述突水漫延子系统是采用c#语言编写的基于GIS技术的程序，所述程序是一井下多巷道任意角度耦合的水害漫延系统，所述系统是采用上述多巷道任意角度分块耦合算法对煤矿井下巷道进行分块，然后将分块计算的巷道在边界耦合的方法。

实现上述本发明所提供的一种用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延方法，与现有技术相比，能够对平面上多个任意角度的巷道进行突水漫延数值模拟，该方法能够对多巷道任意角度耦合的巷道系统进行突水漫延仿真，针对煤矿错综复杂的井下巷道系统漫延仿真研究更具有普遍性，能够在实际的煤矿现场中得到应用和推广。该方法所依托的系统为传感器硬件系统、计算机软件系统和巷道漫延仿真模型的结合，实现了集数据采集、实时传输、历史数据分析保存、敏感信息瞬时反应等功能于一体的全面仿真技术，能够及时、有效、广泛地提取地图中的关键信息以用于煤矿突水漫延规律、事故发生规律的研究，有利于煤矿内部数据共享，这项系统的研究在一定程度上满足了矿山信息化建设的需求。

附图说明

图1是现有LBM求解物理问题的基本流程图。

图2是本方法的两个任意角度耦合的巷道图。

图3是本方法的两个任意角度耦合巷道网格图。

图4是本方法的两个巷道任意角度耦合巷道的一般耦合边界图。

图5是本方法的系统结构框图。

图中：1：主巷道；2：支巷道。

具体实施方式

下面对本方法的具体实施方式作出进一步的说明。

实施本发明上述所提供的一种用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延方法，是针对煤矿井下巷道错综复杂情况，先以平面两个巷道任意角度为夹角的情况为例，构建巷道的耦合模型。采用先把巷道进行分块，再划分网格的方法，如附图2所示，图中的1和2是主巷道和支巷道。

首先采用下面两种划分网格的方式进行划分。

（1）两个相邻巷道统一的坐标系划分方法，即主巷道1和支巷道2采用相同的坐标系。该方法的优点是主巷道1和支巷道2的耦合边界上的数据能准确的传递，缺点是支巷道2的其余边界数据计算比较复杂，而且随着巷道角度的减小，会造成计算资源的浪费；

（2）两个相邻巷道不统一的坐标系划分方法，即主巷道1和支巷道2采用不同的坐标系。该方法的缺点是主巷道1和支巷道2的耦合边界上对应点上的数据不能准确的传递，但是这种划分法的优点是巷道的其余边界数据计算比较简单，且不会随着角度的变化造成计算资源的浪费；

若采用第1种划分法，会造成计算资源的浪费，不适用于矿井中众多巷道耦合的情况。故采用主巷道1和支巷道2不同坐标系的方法划分网格，即每个巷道都沿着巷道的走向划分垂直的正方形网格。

附图3为采用第2种划分法对夹角为的两个巷道所划分的网格，可以看到在相邻耦合边界AB段上，边界网格点出现了不一致的情况。根据边界的唯一性原则，为使得数据尽可能地准确传递，本发明具体实施一种用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延方法，包括以下几个步骤：

步骤一、根据park变换对支巷道2耦合边界的所有点进行坐标变换。

步骤二、对边界附近的点进行筛选。

步骤三、完成对这些点的赋值。

步骤四、通过该方法的计算，得出每次迭代之后，网格各个节点的宏观密度以及速度等物理量。

步骤五、运用GIS技术将该方法计算得出的突水速度和压力结果制成属性信息表，与历史巷道空间信息一起，加载到突水漫延图层。

具体实施方法的步骤如下。

图3为采用第2种划分法对夹角为的两个巷道所划分的网格，可以看到在耦合边界AB段上，边界网格点出现了不一致的情况。根据边界的唯一性原则，为使得数据尽可能地准确传递， 本发明采用的技术方案为：一种适应于井下多巷道任意角度耦合的水害漫延仿真方法，包括以下几个步骤。

根据坐标变换(park变换)选取支巷道2耦合边界附近的所有点。

根据定理，平面直角坐标系若绕坐标原点旋转角，这个变换在欧式空间就是一个线性变换。如果原坐标轴上一点坐标为，经过坐标变换，在新坐标轴上的坐标位置就是，其中为变换矩阵，变换矩阵如下：

选取主巷道1的坐标系为，其中的正向为沿着主巷道1的方向，的正向为垂直于正向。同理，取支巷道2的坐标系为，其中的正向为沿着支巷道2的方向，的正向为垂直于正向，O点为两个坐标系的公共坐标原点。通过坐标变换把坐标系上的某一点转换到坐标系中，与耦合边界AB直线进行比较，可确定该点属于AB直线哪一侧。

对边界附近的点进行筛选。

设主巷道1耦合边的点用A，B，C来表示，其中A，B为边界点，C代表其他点。同理，设支巷道2耦合边的点用a，b，c来表示，其中a，b为边界点，c代表其他点。

对于支巷道2，位于直线AB下方的点也存在于主巷道1中，所以首先应舍去这些点。其次在剩余点中，选取到耦合边界的直线的距离d小于等于的网格节点，因为距离大于该值的点必定有相邻的点更接近耦合边界，如图4所示。其中，为两个巷道的夹角，为网格的步长。

完成对这些点的赋值

对边界节点a、b处理是根据文献提出的分块耦合算法完成赋值。对于c点的处理是选取距离c点最近的ab线段上主巷道1的节点，如果出现两个相同距离的点，则取平均值。

对于主巷道1的C点来说，耦合边界的密度分布函数未知。根据边界唯一性，可以通过支巷道2的对应的c点完成该赋值，即， =4，7，8。同理，对于支巷道2的耦合边界c点的未知密度分布函数，可通过主巷道1的对应点完成赋值，即， =2，5，6。

至此，两个巷道任意角度耦合的模型搭建完成。对于多巷道耦合的情况，采用两两耦合的模型，这里不再具体描述。

采用上述提到的多巷道任意角度分块耦合算法对地下矿巷道进行分块，然后分别计算每个巷道的突水漫延结果，只在耦合边界进行数据的传递。

最后输出计算结果，并用GIS软件进行可视化。运用GIS技术将该方法计算得出的平面多个巷道的突水速度和压力结果制成属性信息表，与历史巷道空间信息一道，加载到突水漫延图层。

本发明一种用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延方法所采用的系统，如附图5所示，该系统包括：多个客户端；突水漫延子系统；多个无线传感器终端和多个人工PC机输入端；以及数据库服务器，与多个无线传感器终端和多个人工PC机输入端连接，以存储传感器坐标信息、矿井采掘位置信息、巷道线状走向信息、巷道长度宽度信息、巷道障碍物位置信息等；无线传感器终端和人工PC机输入端将现场监测或人工采集的上述信息传输给数据库服务器；突水漫延子系统用于向数据库请求实时更新的上述信息同步加载到GIS空间图层中，实现与数据库服务器的同步，运用井下多巷道任意角度耦合的LBM方法，得出巷道实时水害漫延图层；客户端同步接收来自数据库服务器的图表数据和突水漫延子系统返回的巷道实时漫延图层，一个或多个客户端共享信息，及时掌握井下实时情况。

在上述系统中，所述多个无线传感器终端和所述多个人工PC机输入端是用于传输实时监测和人工测量、计算开采现场地质信息。

在上述系统中，所述数据库服务器是与所述多个无线传感器终端以及所述多个人工PC机输入端连接，以存储传感器坐标信息、矿井采掘位置信息、巷道线状走向信息、巷道长度宽度信息和巷道障碍物位置信息，并直接将信息输出到多个客户端或传输到突水漫延子系统。

在上述系统中，所述突水漫延子系统是从所述数据库服务器获取实时信息并结合GIS技术，将实时信息加载到巷道历史图层，对突水敏感信息采用井下多巷道任意角度耦合的LBM方法，得到水害漫延的空间和属性信息，反馈到多个客户端和数据库服务器；多巷道任意角度耦合的LBM方法构建突水漫延模型多个巷道的耦合进行数值模拟，并对虚拟巷道模型每点的宏观速度进行直观显示，为避灾路线提供依据。

在上述系统中，所述多巷道任意角度耦合的LBM方法是先将巷道进行分块再划分网格，根据park变换对所有巷道耦合边界的所有点进行坐标变换，对边界附近的点进行筛选，完成对这些点的赋值并计算，得出每次迭代之后网格各个节点的宏观密度以及速度等物理量，所述的GIS软件输出结果是运用GIS技术将该方法计算得出的平面多个巷道的突水速度和压力结果制成属性信息表，与历史巷道空间信息一道，加载到突水漫延图层。上述方法得出的速度，用来模拟巷道水流向前推移，结合巷道地理位置因素，在巷道岔口出得到巷道在哪条路径漫延，并最终反映到漫延结果GIS图中。

在上述系统中，所述突水漫延子系统的突水漫延方法是向数据库请求实时更新上述信息并同步加载到空间图层中，实现与数据库服务器的同步；以及用于将矿井动态信息和现场地质信息制成采掘平面图层形式展现到多个客户端；所述多个客户端用于同步接收来自数据库服务器的图表数据和突水漫延子系统返回的巷道实时漫延图层，多个客户端共享信息，及时跟进井下实时情况，利用客户端显示井下突水信息，同时建立人性化界面，从数据库服务器获取水害漫延图层，实现模拟水害流动的真实情况。

Claims (5)

1.一种用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延方法，所述方法是

按下列步骤进行的：

（1）对相邻巷道耦合边界所有的点进行坐标变换

在平面直角坐标系绕坐标原点旋转角进行一个线性变换，若原坐标轴上一点坐标为，经过坐标变换，在新坐标轴上的坐标位置就是，其中为变换矩阵，变换矩阵如下：

选取主巷道的坐标系为，其中的正向为沿相邻巷道的方向，的正向为垂直于正向；选取支巷道的坐标系为，其中的正向为沿相邻巷道的方向，的正向为垂直于正向，O点为两个坐标系的公共坐标原点，通过坐标变换将坐标系上的某一点转换到坐标系中，与耦合边界AB直线进行比较，确定坐标转换后的点在AB直线的哪一侧；

（2）对相邻边界附近的点进行筛选

设主巷道1耦合边的点用A，B，C来表示，其中A，B为边界点，C为其他点；设相邻支巷道2耦合边的点用a，b，c来表示，其中a，b为边界点，c为其他点；

对相邻支巷道2位于直线AB下方的点也存在于主巷道1中，舍去相应的点，再在剩余点中选取到相邻耦合边界的直线的距离d小于或等于的网格节点，其中，为两个相邻巷道的夹角，为网格的步长；

（3）完成对这些点的赋值

对相邻边界节点a、b处理是根据分块耦合算法完成赋值，对于c点的处理是选取距离c点最近的ab线段上的节点；

对于相邻巷道的C点来说，相邻耦合边界的密度分布函数未知，根据边界唯一性，通过相邻巷道对应的c点完成该赋值，即， =4，7，8。

2.如权利要求1所述的方法，所述方法是在一台或多台PC机运行，使用windows 7系统作为程序开发软件环境，使用Microsoft Visual Studio作为程序开发平台。

3.如权利要求1所述的方法，所述方法是在计算机计算结果后，实现在GIS平台进行可视化，GIS平台可视化是针对巷道任意角度分块耦合算法输出的实时速度、突水所漫延到的位置加载到水害漫延图层中，并以高亮显示。

4.如权利要求1所述的方法，所述方法的系统是由多个客户端、突水漫延子系统、多个无线传感器终端、多个人工PC机输入端以及数据库服务器通过网络连接构成；无线传感器终端和人工PC机输入端将现场监测或人工采集的传感器坐标信息、矿井采掘位置信息、巷道线状走向信息、巷道长度宽度信息和巷道障碍物位置信息，传输给数据库服务器并存储；；突水漫延子系统用于向数据库请求实时更新的上述现场监测或人工采集的信息同步加载到GIS空间图层中，实现与数据库服务器的同步，运用井下多巷道任意角度耦合的LBM方法，获得巷道实时水害漫延图层；客户端同步接收来自数据库服务器的图表数据和突水漫延子系统返回的巷道实时漫延图层，一个或多个客户端共享信息，及时掌握井下实时情况。

5.如权利要求4所述的方法，所述突水漫延子系统是采用c#语言编写的基于GIS技术的程序，所述程序是一井下多巷道任意角度耦合的水害漫延系统，所述突水漫延子系统是采用多巷道任意角度分块耦合算法对煤矿井下巷道进行分块，然后将分块计算的巷道在边界耦合的方法。