CN113870645A - 一种矿山采掘工作面透水灾害虚拟仿真应急救援演练方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿山应急救援技术领域，具体公开了一种矿山采掘工作面透水灾害虚拟仿真应急救援演练方法。包括以下步骤，实地采集步骤：实地采集矿井各类模型的基础参数，构建参数数据库，场景构建步骤：根据参数数据库中的基础参数，建立应急救援的演练场景的虚拟三维模型，模拟透水步骤：模拟透水灾害的完整过程，灾害生成步骤：在演练场景中生成模拟的透水灾害，救援演练步骤：将救援人员投放至演练场景中，并获取救援人员在演练场景中进行救援演练的行为，综合评分步骤：根据救援人员在演练场景中的行为，给出救援人员对于透水灾害处理流程的综合评分。从而解决目前因演练演习环境与实际矿井差距较大，所导致的透水灾害演练演习效果不佳的问题。

Description

一种矿山采掘工作面透水灾害虚拟仿真应急救援演练方法

技术领域

本发明涉及矿山应急救援技术领域，具体涉及了一种矿山采掘工作面透水灾害虚拟仿真应急救援演练方法。

背景技术

煤矿透水是发生在采煤工作面后方采空区、超前支护区域、巷道矿山压力增高区等地点，因邻近煤岩层存在老窖水、高压含水层、暗河和溶洞，未能及时超前探放水，在采动作用影响下，大量矿井水通过倒水裂缝涌入采掘空间淹没巷道、冲毁设备，有时夹杂有害有毒气体的透水事故，此类透水事故发生原因与含水层层位、断层分布、采动压力、废弃矿井等因素密切相关，难以发现控制，需要提前做好开采掘进前的水害超前钻探工作，及时进行探水防水工作。

煤矿采掘工作面透水事故一旦发生，矿井涌水快速进入采掘空间，并顺着地势，沿着巷道由高处流往低处，并在巷道低处快速聚集，淹没巷道，加之有些老空窖水质呈酸性，夹杂有毒有害气体，极易引发毒倒人员、有毒有害气体爆炸、冒落等次生灾害，应急救援工作只有专业的矿山救援队携带特种救援设备展开前期人员搜救、排水堵漏通风等灾害处置工作。

目前，矿井井下透水事故培训的方法主要是具有资质的人员课堂讲授进行培训，培训过后进行考核。但是课堂传授的效果并不理想，而矿井事故涌水量大、涉及范围广、排抽水及封堵工作困难，难以在现实环境中进行模拟训练。虽然大部分救援队都设置有模拟巷道，定期开展救援演练演习，但是却只是针对一般性矿井涌水的练习，用水量较小，仅简单进行抽排水作业，与实际矿井错综复杂透水救援环境相差较大，导致透水灾害演练演习的效果不佳。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种矿山采掘工作面透水灾害虚拟仿真应急救援演练方法，解决目前因演练演习环境与实际矿井差距较大，所导致的透水灾害演练演习效果不佳的问题。

本发明提供的基础方案：一种矿山采掘工作面透水灾害虚拟仿真应急救援演练方法，包括以下步骤：

实地采集步骤：实地采集矿井各类模型的基础参数，构建参数数据库；

场景构建步骤：根据参数数据库中的各类基础参数，建立应急救援的演练场景的虚拟三维模型；

模拟透水步骤：给定透水灾害的模拟数值，根据模拟数值模拟透水灾害的完整过程；

灾害生成步骤：根据模拟结果，在演练场景中生成模拟的透水灾害；

救援演练步骤：在生成透水灾害后，通过VR设备，将救援人员投放至演练场景中，并获取救援人员在演练场景中进行救援演练的行为；

综合评分步骤：根据救援人员在演练场景中的行为，给出救援人员对于透水灾害处理流程的综合评分。

本发明的原理及优点在于：通过实地采集矿井下的模型基础参数，构建参数数据库，将基础参数通过VR虚拟现实技术还原矿井下真实场景作为演练场景，而后给定透水灾害的模拟数值，模拟出在演练场景中透水灾害蔓延扩散的完整过程，模拟结束后，根据模拟的结果在演练场景中生成透水灾害。演戏的救援人员通过VR设备进入所构建的演练场景中，展开透水灾害的救援演练，同时获取并记录救援人员在演练场景中的行为，根据救援人员的行为，对救援人员的演练过程进行评分。

相比于现有技术，本发明通过实地采集矿井下的各类基础参数，构建出了高度还原及高精度的井下灾区模型，并且通过模拟透水灾害，精确模拟出不同采掘空间透水发生、扩展、蔓延的情况，结合VR虚拟现实技术，使救援人员在最接近真实矿井透水事故的环境下进行沉浸式的应急救援演练，比起现有的模拟演练方式，救援演练的环境更加复杂，更加贴近演练需求，演练的项目也更多，从而更能够帮助救援人员在救援演练过程中，提升自身的救援水平，达到更加高效的演练效果，以保证在真实的透水灾害发生时，提高被困人员获救几率以及救援人员的救援效率。并且在演练过程中记录救援人员的行为，根据救援人员在救援演练中的行为，为救援人员给出评分，帮助救援人员了解自身不足，以及需要精进的细节。

进一步，所述场景构建步骤包括以下步骤：

S1-1：从基础数据库中获取基础参数，所述基础参数包括巷道参数、机械设备参数、风门参数、采空区参数、工作面参数；

S1-2：根据获取到的基础参数建立演练场景中的巷道、机械设备、风门、采空区、工作面的三维模型，并为基础参数增加边界条件。

通过采集巷道、设备、风门、采空区、工作面的参数，在三维模型中还原真实的井下灾区模型，并通过增加边界条件，对部分模型的形状、大小进行修改，使得每次演练并不是千篇一律。

进一步，所述模拟透水步骤包括以下步骤：

S2-1：根据模拟数据，模拟透水灾害发生、扩散、蔓延的完整过程，所述模拟数据包括透水量、涌水区域以及透水类型；

S2-2：根据透水灾害过程，将透水灾害过程划分为若干个时段，评估在演练场景中不同时段，透水灾害的影响范围。

通过给定透水灾害的透水量、透水区域以及透水类型，模拟出随着时间推移，透水灾害发生、扩展、蔓延的整个过程，并了解到各个时间节点透水灾害的影响范围。

进一步，还包括有模型破坏步骤：根据不同时段的透水灾害影响范围，在不同时段模拟对应时段演练场景中的三维模型的破坏及冲毁程度。

在演练场景中，随着所生成的透水灾害扩散、蔓延，对演练场景中巷道、设备等模型进行冲毁、破坏，动态还原透水灾害下复杂的场景，使演练场景更加真实，并且也能更加有效地考验救援人员的救援能力及路线规划能力。

进一步，还包括有特效渲染步骤：通过VR虚拟引擎，在不同时段，根据透水灾害的影响范围，在演练场景中进行特效渲染，通过物理引擎，实现救援人员在演练场景中操作实现和匹配环境变化。

通过特效渲染，使演练场景更加真实。

进一步，所述救援演练步骤包括以下步骤：

S3-1：使用虚拟仿真计算机硬件，配合VR设备、同步互动控制系统、以服务器为核心搭建内部网络，使多台VR设备联通，借助矿井灾害虚拟仿真软件，在透水灾害初期将一个小队或者多个小队救援人员投放至演练场景中随机井下基地；

S3-2：获取各个救援人员进行救援演练的救援流程，以及进行救援流程的行为规范，所述救援流程包括灾前侦查、人员搜救、排水通风、现场标注、灾害处置以及灾区恢复。

在透水灾害初期时，将多个救援人员投放至演练场景中的多个井下基地，从而展开多人协同的应急救援演练，并获取各个救援人员在救援演练时的流程规范，为对救援人员评估提供数据支持。

进一步，还包括有状态获取步骤：通过人体生理监测设备，获取救援人员生理状态，所述状态获取步骤包括以下步骤：

S4-1：获取救援人员的移动速度；

S4-2：获取救援人员的移动路线；

S4-3：获取救援人员的生理状态。

通过获取救援人员的移动速度和移动路线，了解到救援人员的行动轨迹，同时获取救援人员的人体生理状态，进行检测，了解到救援人员的健康状态。

进一步，所述综合评分步骤包括以下步骤：

S5-1：根据预设的评价规则以及救援人员在救援演练中的救援过程，给出专家裁判评分；

S5-2：根据救援人员在救援过程中的行为规范，给出演练评估评分；

S5-3：根据专家裁判评分和演练评估评分，给出救援人员的综合评分。

根据救援人员的救援过程给出专家评分，根据规范给出演练评估评分，使救援人员了解到自身还需要精进的环节。

进一步，还包括报告生成步骤：根据救援人员的救援过程以及综合评分，生成救援报告。

对救援人员的演练结果生成救援报告，以便评价分析救援效果，同时也便于后续队伍和学习提升应急救援效率。

附图说明

图1为本发明一种矿山采掘工作面透水灾害虚拟仿真应急救援演练方法实施例的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例基本如附图1所示：

实地采集步骤：实地采集矿井各类模型的基础参数，构建参数数据库；

具体的，在本实施例中，所采集的基础参数包括有巷道参数(巷道的宽度、高度、距离、坡度、支护类型)；机械设备参数(接线设备的类型、尺寸、数量、位置)；风门参数(风门的尺寸、位置、数量)；采空区参数(采空区的尺寸、位置)；工作面参数(工作面布置类型、尺寸)，通过这些参数构建参数数据库。

场景构建步骤：根据参数数据库中的各类基础参数，通过VR虚拟现实建立应急救援演练场景的虚拟三维模型；

所述场景构建步骤包括以下步骤：

S1-1：从基础数据库中获取基础参数，所述基础参数包括巷道参数、机械设备参数、风门参数、采空区参数、工作面参数；

S1-2：根据获取到的基础参数建立演练场景中的巷道、机械设备、风门、采空区、工作面的三维模型，并为基础参数增加边界条件。

构建演练场景时三维模型时，从参数数据库中获取到巷道参数、机械设备参数、风门参数、采空区参数、工作面参数，将实地采集的基础参数通过VR(Virtual Reality)虚拟现实技术构建出三维模型，还原的矿井下的真实场景，并且可以增添基础参数的边界条件，例如调节风窗调风、设置临时风障、采空区范围等。

模拟透水步骤：给定透水灾害的模拟数值，根据模拟数值模拟透水灾害的完整过程；

所述模拟透水步骤包括以下步骤：

S2-1：根据模拟数据，模拟透水灾害发生、扩散、蔓延的完整过程，所述模拟数据包括透水量、涌水区域以及透水类型；

S2-2：根据透水灾害过程，将透水灾害过程划分为若干个时段，评估在演练场景中不同时段，透水灾害的影响范围。

演练场景的三维模型构建完成后，首先对透水灾害进行数值模拟，通过给定透水灾害的透水量、涌水区域以及透水类型。模拟出透水灾害发生、扩散、蔓延的整个过程，并将透水灾害的整个过程划分为若干个时段，在本实施例中，具体为初期、中期、后期，模拟出透水灾害前期、中期以及后期的透水灾害涌入矿井水的扩展范围、矿井水淹没巷道区域以及有害气体顺风影响范围。

还包括有模型破坏步骤：根据不同时段的透水灾害的水流流经巷道以及影响范围，在不同时段，模拟对应时段演练场景中的三维模型的破坏及冲毁程度。

根据模拟的结果，在演练场景中生成初期的透水灾害，并且根据模拟结果，随时间推移使生成的透水灾害按照所模拟的影响范围扩展，并在对应的时段，对演练场景中的巷道进行淹没，以及对设施设备进行破坏，从而还原整个透水灾害的真实场景及过程，从而更加考验救援人员的救援能力以及路线规划能力。

还包括有特效渲染步骤：通过VR虚拟引擎，在不同时段，根据透水灾害的影响范围，在演练场景中进行特效渲染，通过物理引擎，实现救援人员在演练场景中操作实现和匹配环境变化。

具体的，还通过VR虚拟引擎，根据不同时段透水灾害的影响范围，在演练场景中进行视觉、触觉、听觉上的特效渲染。例如在透水灾害的初期，在采掘工作面接近积水区的地方，产生由煤岩裂缝强烈挤压与两壁摩擦而发出的斯斯叫声，以及巷道壁“挂红”。

同时，在救援人员在实施操作后，通过物理引擎，对救援人员的操作匹配对应的环境变化，例如救援队员在进行了现场标注后，在演练场景中渲染出对应的标注。

所述救援演练步骤包括以下步骤：

S3-1：使用虚拟仿真计算机硬件，配合VR设备、同步互动控制系统、以服务器为核心搭建内部网络，使多台VR设备联通，借助矿井灾害虚拟仿真软件，在透水灾害初期将一个小队或者多个小队救援人员投放至演练场景中随机井下基地；

S3-2：获取各个救援人员进行救援演练的救援流程，以及进行救援流程的行为规范，所述救援流程包括灾前侦查、人员搜救、排水通风、现场标注、灾害处置以及灾区恢复。

救援演练步骤：在生成透水灾害后，通过VR设备，将救援人员投放至演练场景中，并获取救援人员在演练场景中进行救援演练的行为。

具体的，在搭载好演练场景后，在演练场景中生成透水灾害的初期，通过多塔VR硬件设备、输入设备、人体生理监测设备、环境特效设备以及服务器系统，将多个救援人员投放至演练场景中多个井下基地待命，展开多人在同一场景下的虚拟场景操作协同交互的救援演练。通过VR硬件设备，救援人员在救援场景中，能够真实感受到随着时间变化的透水灾害的水势扩展、设施设备破坏，以及所渲染的视觉、触觉、听觉上的特效，使救援人员在演练场景中全沉浸式体验矿井透水事故的动态发展、蔓延，并与其他人员协同进行应急救援演练的全过程，获得接近真实矿井透水灾害的体验，从而达到良好的应急救援演练和高效的培训效果。

还包括有状态获取步骤：通过人体生理监测设备，获取救援人员生理状态，所述状态获取步骤包括以下步骤：

S4-1：获取救援人员的移动速度；

S4-2：获取救援人员的移动路线；

S4-3：获取救援人员的生理状态。

通过人体生理监测设备，实时获取救援人员的移动速度、移动路线以及生理状态，在本实施例中，所获取的生理状态包括有心跳、脉搏。

还包括有设备模拟步骤：根据救援人员的请求，为救援人员生成模拟的救援设备。

救援人员在演练场景中，根据需求，可以发出调用设备的请求，在获取到救援人员申请设备的请求后，为救援人员生成模拟的救援设备。

救援人员需要在演练场景中，按照规程进行完整的救援流程，在本实施例中，救援流程包括有灾前侦查、人员搜救、排水通风、现场标注、灾害处置、灾区恢复。在救援人员展开救援演练时，获取到救援人员救援流程的动作、移动路线、移动速度、生理状态，从而评估救援人员的是否完成了整个救援过程以及救援过程是否完成了整套的救援过程，以及救援过程是否符合规范。

例如，救援人员在到达透水灾害区域后，需要先选择距离透水区域较近、地势较高且安全的地点设置井下基地，安装通信设备，准备救援物质，救援人员从井下基地出发后，遇到巷道交叉口需要测试气体并进行现场标注，遇见伤员需要先通过通信设备向井下基地进行汇报，在得到井下基地回复后，需在伤员周围进行气体监测，敲帮问顶保证伤员周围环境安全，在确定安全后再检查伤员并施救，简单处理后将伤员抬到担架上，沿原路返回井下基地，若遇见瓦斯超标区域，需先向井下基地汇报，后申请风排瓦斯，可返回基地取风机、风筒等设备，或者等待基地人员送上风机设备，架设风机、连接风筒，接电后开机通风，同时还需定时进行空气检测，保证瓦斯浓度低于规定值后继续侦查，遇到透水淹没的巷道，先进行气体检测，确保环境安全后，从后方调来特种排水泵，等积水排空。同时遇透水区域，还需进行注浆堵水等操作，注意巷道是否被水完全堵死，排水前必须搭设风障，保证排水后原有的通风格局不会发生变化，防止有毒有害其他进入作业区域。

综合评分步骤：根据救援人员在演练场景中的行为，给出救援人员对于透水灾害处理流程的综合评分。

S5-1：根据预设的评价规则以及救援人员在救援演练中的救援过程，给出专家裁判评分；

S5-2：根据救援人员在救援过程中的行为规范，给出演练评估评分；

S5-3：根据专家裁判评分和演练评估评分，给出救援人员的综合评分。

在演练结束后，根据获取到的救援人员的行为对救援人员的救援演练进行评分，专家裁判评分的评分规则是救援人员在救援过程中是否完成了灾前侦查、人员搜救、排水通风、现场标注、灾害处置、灾区恢复这一整套的整套救援流程，每成功完成一个流程便得到该流程对应的分数。而演练评估评分的评分规则则是在救援演练过程中的行为是否符合规范，例如，若在遇见伤员时，没有进行气体检测和敲帮问顶，则是不符合规范，便扣减演练评估得分。最后根据专家裁判评分和演练评估评分得出救援人员的综合评分，在本实施例中专家裁判评分占80％，演练评估评分占20％。

还包括报告生成步骤：根据救援人员的救援过程以及综合评分，生成救援报告。

给出综合评分后，通过文字、图片的方式生成此次救援演练的救援报告，以便评价分析救援效果，便于后续队伍和学员提高应急救援效率。

实施例二

本实施例和实施例一的区别在于：

还包括演练优化步骤，所述演练优化步骤包括以下步骤：

S6-1：获取综合评分排名前百分之十的救援人员的综合评分，并分别获取这部分救援人员的演练评估评分；

S6-2：根据预设的分数阈值，若这部分救援人员的演练评估评分低于分数阈值，则将其标记为直播人员；

S6-3：在直播人员进行救援演练时，向其他未进行救援演练的救援人员直播直播人员的救援演练情况。

由于排名前百分之十的救援人员，都是分数较高。而若其中有救援人员的演练评估评分低于分数阈值，说明该救援人员虽然在救援演练中任务完成得好，但是却不怎么注重演练过程的规范，因此在他进行救援演练时，向其他待命中的救援人员直播他的演练情况，当他知道自己的一举一动有他人进行监督，便会更加注意规范。

并且，即使因为他的规范做得较差，导致演练评估评分较低，但是他的综合评分仍然进入了前百分之十，说明他在救援演练中的任务完成情况做得非常好，以使得他的专家裁判评分非常高，才能够进入排名前百分十。因此向其他救援人员直播他的救援演练的情况，能够使其他救援人员学习他的救援演练的过程进行学习，取其精华，从而得到进步。

通过这种方式，帮助能者更进一步，也能够帮助他人学习能力较强者的优点。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种矿山采掘工作面透水灾害虚拟仿真应急救援演练方法，其特征在于：包括以下步骤：

实地采集步骤：实地采集矿井各类模型的基础参数，构建参数数据库；

场景构建步骤：根据参数数据库中的各类基础参数，建立应急救援的演练场景的虚拟三维模型；

模拟透水步骤：给定透水灾害的模拟数值，根据模拟数值模拟透水灾害的完整过程；

灾害生成步骤：根据模拟结果，在演练场景中生成模拟的透水灾害；

救援演练步骤：在生成透水灾害后，通过VR设备，将救援人员投放至演练场景中，并获取救援人员在演练场景中进行救援演练的行为；

综合评分步骤：根据救援人员在演练场景中的行为，给出救援人员对于透水灾害处理流程的综合评分。

2.根据权利要求1所述的一种矿山采掘工作面透水灾害虚拟仿真应急救援演练方法，其特征在于：所述场景构建步骤包括以下步骤：

S1-1：从基础数据库中获取基础参数，所述基础参数包括巷道参数、机械设备参数、风门参数、采空区参数、工作面参数；

S1-2：根据获取到的基础参数建立演练场景中的巷道、机械设备、风门、采空区、工作面的三维模型，并为基础参数增加边界条件。

3.根据权利要求2所述的一种矿山采掘工作面透水灾害虚拟仿真应急救援演练方法，其特征在于：所述模拟透水步骤包括以下步骤：

S2-1：根据模拟数据，模拟透水灾害发生、扩散、蔓延的完整过程，所述模拟数据包括透水量、涌水区域以及透水类型；

S2-2：根据透水灾害过程，将透水灾害过程划分为若干个时段，评估在演练场景中不同时段，透水灾害的影响范围。

4.根据权利要求3所述的一种矿山采掘工作面透水灾害虚拟仿真应急救援演练方法，其特征在于：还包括有模型破坏步骤：根据不同时段的透水灾害影响范围，在不同时段模拟对应时段演练场景中的三维模型的破坏及冲毁程度。

5.根据权利要求4所述的一种矿山采掘工作面透水灾害虚拟仿真应急救援演练方法，其特征在于：还包括有特效渲染步骤：通过VR虚拟引擎，在不同时段，根据透水灾害的影响范围，在演练场景中进行特效渲染，通过物理引擎，实现救援人员在演练场景中操作实现和匹配环境变化。

6.根据权利要求5所述的一种矿山采掘工作面透水灾害虚拟仿真应急救援演练方法，其特征在于：所述救援演练步骤包括以下步骤：

S3-1：使用虚拟仿真计算机硬件，配合VR设备、同步互动控制系统、以服务器为核心搭建内部网络，使多台VR设备联通，借助矿井灾害虚拟仿真软件，在透水灾害初期将一个小队或者多个小队救援人员投放至演练场景中随机井下基地；

S3-2：获取各个救援人员进行救援演练的救援流程，以及进行救援流程的行为规范，所述救援流程包括灾前侦查、人员搜救、排水通风、现场标注、灾害处置以及灾区恢复。

7.根据权利要求1所述的一种矿山采掘工作面透水灾害虚拟仿真应急救援演练方法，其特征在于：还包括设备模拟步骤：根据救援人员的请求，为救援人员生成模拟的救援设备，所述救援设备包括医疗救援设备和特种救援设备。

8.根据权利要求6所述的一种矿山采掘工作面透水灾害虚拟仿真应急救援演练方法，其特征在于：还包括有状态获取步骤：通过人体生理监测设备，获取救援人员生理状态，所述状态获取步骤包括以下步骤：

S4-1：获取救援人员的移动速度；

S4-2：获取救援人员的移动路线；

S4-3：获取救援人员的生理状态。

9.根据权利要求8所述的一种矿山采掘工作面透水灾害虚拟仿真应急救援演练方法，其特征在于：所述综合评分步骤包括以下步骤：

S5-1：根据预设的评价规则以及救援人员在救援演练中的救援过程，给出专家裁判评分；

S5-2：根据救援人员在救援过程中的行为规范，给出演练评估评分；

S5-3：根据专家裁判评分和演练评估评分，给出救援人员的综合评分。

10.根据权利要求9所述的一种矿山采掘工作面透水灾害虚拟仿真应急救援演练方法，其特征在于：还包括报告生成步骤：根据救援人员的救援过程以及综合评分，生成救援报告。

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