CN115659877B - 矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及井下透水监测技术领域，提供了一种矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法及系统，该方法包括：获取矿井透水的实际属性数据，实际属性数据包括水中的离子浓度、水压力大小、发生透水时pH值；将实际属性数据与数据库中对应的标准属性数据进行比对，以确定矿井是否发生透水；当矿井发生透水时，确定透水位置、矿井透水漫延过程的关键参数，关键参数包括水位高度、水流速度、水流扩散到任意位置的时间；根据透水位置、关键参数，在预构建的矿井模型中模拟矿井水流动过程；本申请能够根据矿井发生透水时的透水位置、关键参数，在矿井模型中模拟出来，从而可以在后台服务器生动形象的显示出透水的过程，也更好地起到应急作用。

Description

矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法及系统

技术领域

本申请涉及井下透水监测技术领域，尤其涉及一种矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法及系统。

背景技术

矿井透水灾害是最常见的矿井灾害之一。矿井透水不仅危害大，而且灾害延续时间长。特别是近年来随着开采深度、强度、速度、规模的增加和扩大，矿井透水水害日益严重，已成为仅次于瓦斯的第二大灾害。当地下水涌入矿井且超出井下最大排水量时就会造成煤矿透水事故的发生，对矿区带来巨大的经济损失，而井下工作人员的生命也面临威胁。因此，矿井防治水研究工作迫在眉睫。

如申请号为“CN202111204418.0”的发明专利申请，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。但是该专利方案中，仅仅只是简单地根据透水量、涌水区域，模拟透水灾害发生等。而巷道内的环境复杂，对透水量、透水速度等都有着很大的影响，所以该方案并不能够较好的模拟出透水动态过程。

而目前存在的技术中，也没用比较好的方式，能够准确地将矿井透水的过程模拟出来。

发明内容

本申请提供了一种矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法及系统，旨在通过对实时监测数据的分析处理，确定矿井是否发生透水，当发生透水时，通过确定透水位置，以及矿井透水漫延过程的关键参数，模拟出水漫延流动的过程，从而能够实现巷道中矿井透水水流漫延过程的三维可视化。

第一方面，本申请实施方式提供了一种矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法，所述方法包括：

获取矿井透水的实际属性数据，所述实际属性数据包括水中的离子浓度、水压力大小、发生透水时pH值；

将所述实际属性数据与数据库中对应的标准属性数据进行比对，以确定矿井是否发生透水；

当发生透水时，确定透水位置，以及矿井透水漫延过程的关键参数，所述关键参数包括水位高度、水流速度、水流扩散到任意位置的时间；

根据所述透水位置、所述关键参数，在预构建的矿井模型中实时模拟矿井水流动过程。

第二方面，本申请还提供了一种矿井透水动态漫延过程三维仿真分析系统，包括：

获取模块，用于获取矿井透水的实际属性数据，所述实际属性数据包括水中的离子浓度、水压力大小、发生透水时pH值；

比对模块，用于将所述实际属性数据与数据库中对应的标准属性数据进行比对，以确定矿井是否发生透水；

关键参数模块，用于当发生透水时，确定透水位置，以及矿井透水漫延过程的关键参数，所述关键参数包括水位高度、水流速度、水流扩散到任意位置的时间；

确定模块，用于根据所述透水位置、所述关键参数，在预构建的矿井模型中实时模拟矿井水流动过程。

相比于现有技术，本申请实施例提供的矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法中，获取矿井透水的实际属性数据，所述实际属性数据包括水中的离子浓度、水压力大小、发生透水时pH值；将所述实际属性数据与数据库中对应的标准属性数据进行比对，以确定矿井是否发生透水；当矿井是否发生透水时，确定透水位置，以及矿井透水漫延过程的关键参数，所述关键参数包括水位高度、水流速度、水流扩散到任意位置的时间；根据所述矿井透水的位置、所述关键参数，在预构建的矿井模型中实时模拟矿井水流动过程；本申请能够根据矿井发生透水时的透水位置、关键参数，在矿井模型中模拟出来，从而可以在后台服务器生动形象的显示出透水的过程，实现巷道中矿井透水水流漫延过程的三维可视化，也更好地起到应急作用。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施方式中将矿井巷道断面看成半圆弧和长方形的组合的结构示意图；

图2为构本申请实施方式提供的矿井巷道的结构示意图；

图3为本申请实施方式提供的构建的矿井模型的流程示意图；

图4为本申请实施方式提供的矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法的流程示意图；

图5为本申请实施方式提供的多因素监测设施的结构示意图；

图6为本申请实施方式提供的矿井透水动态漫延过程三维仿真分析系统的结构示意图；

图7为本申请实施方式提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

应当理解，为了便于清楚描述本申请实施例的技术方案，在本申请的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

为了能够解决背景技术中的问题，本申请提出了一种矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法，包括：获取矿井透水的实际属性数据，所述实际属性数据包括水中的离子浓度、水压力大小、发生透水时pH值；将实际属性数据与数据库中对应的标准属性数据进行比对，以确定矿井是否发生透水；当矿井发生透水时，确定透水位置、矿井透水漫延过程的关键参数，关键参数包括水位高度、水流速度、水流扩散到任意位置的时间；根据透水位置、关键参数，在预构建的矿井模型中模拟矿井水流动过程。本申请可以通过透水的位置、关键参数，确定水流蔓延状态及漫延流动规律，并能够准确地、形象地动态模拟显示矿井透水过程。

在介绍本申请方案之前，参见图1、图2、图3所示，图1为本申请实施方式中将矿井巷道断面看成半圆弧和长方形的组合的结构示意图；图2为构本申请实施方式提供的矿井巷道的结构示意图；图3为本申请实施方式提供的构建的矿井模型的流程示意图；先对预构建的矿井模型进行说明。

步骤S001、获取巷道的建模数据。

其中，可以从已有的巷道CAD图纸中提取巷道中线交叉点空间坐标、截面宽度及高度等建模数据；或者现场测量等手段，获取布设的巷道中线交叉点空间坐标、截面宽度及高度等建模数据。

步骤S002、根据所述建模数据，构建空间坐标系，确定巷道截面的关键点，将所述巷道截面的关键点连接形成封闭曲线，得到巷道的第一截面轮廓线、第二截面轮廓线；其中，所述第一截面与所述第二截面相对称。

首先，参阅图1所示，以点O为坐标原点，AB为x轴，巷道中线为y轴，点O垂直向上方向为z轴，建立空间坐标系；再计算巷道左帮点、右帮点坐标，以及确定巷道截面关键点位置；最后，将巷道截面各点按规律连接形成一条闭合曲线，即为巷道截面轮廓线。

关键点的选取，可以根据实际情况确定。优选的，在本申请实施例中，关键点可以是巷道里面是一些主要存在拐角的点。

多数情况下，一些现有的矿井模型构建系统中，为了方便构建，基本上将巷道默认为长方体的结构，也没有考虑到多个巷道连接处的弯曲过渡部分。现有的方式，即忽略了巷道实际顶部的拱形结构（拱形结构可以默认为半个圆柱），也忽略了部分弯曲的巷道，这就导致构建的模型可能存在一些误差，使得透水动态漫延过程三维仿真时效果不够好。

为此，可以参阅图1所示，在本申请实施例中，将矿井巷道断面看成半圆弧（对应半圆柱部分）和矩形（对应长方体部分）的组合，在半圆弧上可以每间隔一定弧度设置一个点。为了方便计算，在本申请实施例中，可以在半圆弧上可以每22.5度设置一个点，分别设置L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7七个关键点。

确定七个关键点后，然后以巷道中心交叉点O为坐标原点建立空间坐标系，其中C为巷道右帮点、D为巷道左帮点。

设原点O的坐标为（X0，Y0，Z0），由巷道宽度W和巷道长方体部分的高度H，可得到A、B、C、D四点的三维坐标。关键点Li（i=1，2，3…7）的三维坐标根据公式（1）得到：

（1）

其中，W表示为左侧岩壁到右侧岩壁的水平距离，即巷道宽度，H表示为底板到矩形巷道顶板的垂直距离，即巷道长方体部分的高度。

上述方法，可以得到巷道的第一截面的关键点三维坐标，关键点连接形成封闭曲线，得到巷道的第一截面的轮廓线。采用相同的方法，可计算得到巷道的与第一截面相对称的第二截面中对应的关键点以及L_i ^’、A^’、B^’、C^’、D^’的三维坐标，然后连线得到第二截面的轮廓线。

需要说明的是，本申请实施方式中所提到的巷道的第一截面、第二截面，是指出入口对应的截面。

步骤S003、将第一截面轮廓线的关键点，与第二截面轮廓线中的关键点连线，得到单条巷道模型。

如图2所示，截面各关键点三维坐标求得之后，将A与A^’、B与B^’、C与C^’、D与D^’、L与L_i ^’用直线相连，得到单条巷道模型。

步骤S004、获取矿井的全部巷道模型，以得到整个矿井模型。

对于全部巷道来说，包括了水平巷道，以及多个巷道连接处的弯曲过渡部分。

对于水平巷道，相邻的两个路段可以直接连一体。对于多个巷道连接处，为了使转弯处的巷道图形更加平滑、真实，在本申请实施例中，在每个转弯处，可以事先测量出转弯处的弧度，再通过步骤S001到S003的步骤处理，使巷道图形更加平滑、真实。

此外，在本申请实施例中，巷道模型是基于巷道中心线为基础构建的，具有与实际相符的固定空间位置。

将全部单条巷道通过重复步骤S001到S003生成，在生成全部单条巷道的同时，也完成了整个巷道网络构建。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参阅附图4，图4为本申请实施方式提供的矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法的流程示意图；本申请所提供的矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法，包括如下步骤S100-S400。

步骤S100、获取矿井透水的实际属性数据，所述实际属性数据包括水中的离子浓度、水压力大小、发生透水时pH值。

在本申请实施例中，可以通过多个监测器获取实际属性数据，也可以通过采集器获取实际属性数据。

为了方便理解步骤S100，可以参阅图5所示，图5为本申请实施方式提供的多因素监测设施的结构示意图；在本申请实施方式中，可以事先构建一个多因素监测设施，该多因素监测设施可以包括历史数据输入模块、计算器、存储系统、多路数据采集器、微处理器、超声波清洁器、报警装置。历史数据输入模块、存储系统、微处理器、报警装置分别与计算器通信相连，多路数据采集器与微处理器相连。

其中，所述多路数据采集器可以包括离子浓度监测器、水压力监测器、pH监测器。

因为矿井在发生透水前后其中所含离子浓度的大小、水压力大小、pH值大小是存在变化的，所以可以通过监测矿井中所含的离子浓度的大小能够确定矿井是否发生透水。然而通过单一的离子浓度监测准确性比较低。故在本申请实施例中，为提高判别的准确性，选用常见的多种离子作为判别指标。也就是，离子浓度监测器4可以包括Na⁺监测器、Ca²⁺监测器、Mg²⁺监测器、K⁺监测器、Cl^-监测器、SO4₂ ^-监测器、HCO₃ ^-监测器、CO₃ ^2-监测器、NO₃ ^-监测器、NO₂ ^-监测器，从而实现对多种水成分进行监测。

实际上，单独的水压或者单独的离子浓度是可以判断是否发生透水，但是单独的水压监控或者离子监控不一定能够保证矿井发生透水一定能够检测出来。为此本专利采用多离子浓度监测、水压大小监测、PH值监测等多重因素监测能够大幅度提高矿井是否发生透水的准确性。

不同的矿井所含离子浓度的多少、离子种类是不一样的，不同矿井的深度不同，发生透水时，水的压力、离子浓度、PH也可能不同。假如只选用一种离子浓度监测矿井是否发生透水，可能在A矿能够很好的监测出来，但是在B矿可能因为该离子浓度大小含量比较少就监测不出来；而离子不同，透水时的水的PH也会不同。因此选用多离子浓度监测能够很好的提高监测的准确性，并配合PH值、水压，可以更广泛的适用于多种煤矿。

步骤S200、将所述实际属性数据与数据库中对应的标准属性数据进行比对，以确定矿井是否发生透水。

微处理器可以将接收到的各种离子浓度、水压力大小、pH值分别与之前设置的判别值进行比较，若微处理器的数值超过设定的判别值，则判断有透水事故的发生；否则，则判断没有透水事故的发生。

例如：若离子浓度、水压力大小、pH值大小三者有一个大于设定的阈值时，就能说明很大程度上发生了透水；若三者中有两个或者三个都大于设定的阈值时，一定能说明发生了透水，要赶紧采取相应的救援措施。

因为不同地方的煤矿深度不同，此时透水的离子浓度、PH值等就会明显不同。例如，在矿井深度200m的地方发生透水时，此时的水压较小，离子浓度也可能存在Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺等。如果发生了瓦斯泄露，则透水里面还可能包括SO4^2-、HCO₃ ^-、CO3₂ ^-、NO₃ ^-、NO₂ ^-等。各个离子浓度、PH值、水压力大小，可以大概预估出发生透水的透水量大小。

此外，如果并非发生透水，只是现场因工人工作失误导致矿井产生了一定量的水，此时的水离子浓度与透水时的水离子浓度存在较大区别，PH值也可能存在一定的区别，从而可以判别出并未发生透水。

若微处理器判断有透水事故的发生，则会将报警信号通过计算机传给报警装置，实现矿井透水的实时监测预警。

进一步地，在本申请实施例中，微处理器还可以将监测到的水化学数据传输给计算器，计算器将数据进行分析归类再传输给储存系统，使矿井水化学数据库越来越丰富，同时，存储系统能够将不断丰富的水化学数据提供给计算器使用，以确定是否发生矿井透水。

具体的，步骤S200可以包括：

步骤S201、首先通过历史数据输入模板将矿井历年来透水水源数据输入计算器，计算器对输入的历年透水数据进行分析归类并确定各离子浓度、水压力大小、pH值、发生透水时的阈值。计算器将分析归类好的历年数据传输给储存系统，这样就建立了矿井透水水化学数据库。

步骤S202、通过离子浓度监测器、水压力监测器、pH监测器实时监测水化学数据，并将水化学数据传输给微处理器，从而确定各离子浓度大小、水压力大小、pH值。此外，还可以在微处理器中，将理论上发生透水时，各种离子的理论浓度数值大小的80%、理论水压力数值大小的80%、理论pH值数值的80%，分别作为矿井实际发生透水的判别值，这样也即得到了标准属性数据的数值。理论浓度、理论水压力、理论pH值为理论发生透水时的数值。

此外，本申请发明人还发现，透水的水流杂质比较多，当长时间使用后，监测器电极会被杂质包裹，影响监测的准确度。有鉴于此，在本申请实施例中，可以包括：

步骤S203、通过在离子浓度监测器、水压力监测器、pH监测器周围放置一个超声波清洁器，以保证监测器电极的洁净度，从而使监测的可靠度达到最高。

该矿井透水漫延过程三维仿真系统通过以上在矿井巷道中布置的各种离子浓度监测器、水压力监测器、pH监测器获取实时监测的水化学数据，基于实时监测的水化学数据，判断是否发生透水，以及透水的大概情况，方便初步判断透水的危险性。

为了能够更加准确地在计算机上实时显示矿井水流流动过程，本申请所提供的矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法，还包括步骤S300-步骤S400。

步骤S300、当发生透水时，确定透水位置，以及矿井透水漫延过程的关键参数，所述关键参数包括水位高度、水流速度、水流扩散到任意位置的时间。

通过确定透水位置、水位高度、水流速度、水流扩散到任意位置的时间等关键参数，就可以在矿井巷道网络模型中生成立体的水体图形，最终在计算机上实时显示矿井水流流动过程，以及在不同位置实时的水位高度和水流积水量，以便快速的判断矿井中的透水情况，方便及时开展相应的应急救援。

在本申请一实施例中，透水位置的确定方式可以包括：

通过在矿井巷道的顶板岩层和底板岩层中设置分布式光纤，当矿井发生透水时，顶板岩层或者底板岩层就会发生破坏，进而在其中设置分布式光纤就能通过监测岩层中应力的变化进行矿井透水位置的确定。

当然，透水位置的确定方式也可以参照专利号为“CN114673559B”的专利文本，此处不再对透水位置的确定方式进行过多说明。

在本申请一实施例中，所述关键参数包括水位高度，确定矿井透水漫延过程的关键参数，包括：

当矿井巷道倾斜角度a为第一阈值，所述水位高度为第一高度：获取巷道底面宽度、巷道长度乘积（即巷道的底面积），然后获取所述巷道积水量与该乘积的比值。

具体的，当矿井巷道倾斜角度a为第一阈值时，水位高度可以通过公式（2）获取：

（2）

其中，h为巷道内的水位高度，即水平巷道底面到水面的垂直距离；Q为巷道内的积水量，可以通过计算得到；W为巷道底面宽度；H为巷道长方体部分的高度，L为巷道宽度。

当矿井巷道倾斜角度a为第二阈值时，所述水位高度通过如下公式计算得到：

（3）

其中，h为巷道内的水位高度；Q为巷道内的积水量，可以通过计算得到；W为巷道底面宽度；H为巷道长方体部分的高度。其中这里的水位高度h指的是垂直巷道的底面到水面的垂直距离。

在本申请的实施例中，巷道内的积水量Q计算采用多个流量计测量法得到。在巷道中设置多个流量监测器，综合多个流量监测器能够实时地监测矿井巷道水流量Q的大小，并将水流量大小实时地反馈给计算机。

上述方案中，第一阈值、第二阈值可以分别为0°、90°。

当所述矿井巷道倾斜角度a大于第一阈值小于第二阈值时，则所述水位高度可以通过如下公式计算：

（4）

其中，h为巷道内的水位高度；a为矿井巷道倾斜角度，a可以事先测量得到；Q为巷道内的积水量；W为巷道底面宽度；H为巷道长方体部分的高度；L为巷道长度，W、H、L都是事先可以测量得到的。

所述关键参数包括水流速度，确定矿井透水漫延过程的关键参数，包括：

1）当矿井巷道倾斜角度a为第二阈值时，获取巷道中的水力半径、巷道中的水力梯度；将水力半径的2/3次方、巷道中的水力梯度1/2次方进行计算得到乘积，并获取该乘积与巷道的粗糙系数比值，得到水流速度V。

具体的，可以如公式（5）所示；

（5）

其中，R为水力半径，J为水力梯度，n₁为巷道的粗糙系数；第二阈值可以为0度，说明此时为水平巷道；通过公式（5）求出的速度为水平巷道水流漫延速度。

对于水力半径R的计算，可以根据公式（6）求取：

（6）

式中，W为巷道的宽度；h为巷道内的水位高度。

对于水力梯度J，可以根据公式（7）计算：

（7）

式中，ΔH为等水位线两点的水位高程差，L为等水位线两点的水平距离。其中，ΔH可以通过巷道中水位高度进行计算。

2）当矿井巷道倾斜角度a为第二阈值时，获取巷道首尾两端的标高差值；根据所述巷道首尾两端的标高差值以及重力加速度，确定水流速度V。具体可以如公式（8）所示：

（8）

其中，第二阈值为90度，h₁表示巷道首尾两端的标高差值，可以事先测量得到。此时通过公式（8）求出的速度为垂直巷道的水流漫延速度。

所述关键参数包括水流速度，确定矿井透水漫延过程的关键参数，包括：

若巷道倾斜角度a小于第三阈值并大于第一阈值时，则可以根据公式（9）进行水流速度计算；

（9）

其中，第三阈值可以为45°，即此时的巷道倾斜角度a在0-45度；为倾斜角度小于45°的巷道影响系数；n₁为巷道的粗糙系数；

若巷道倾斜角度a大于第三阈值并小于第二阈值时，即此时的巷道倾斜角度a在45-90度，则可以根据公式（10）进行水流速度计算：

（10）

其中，为倾角大于45°、小于90°的巷道修正系数，该部分数值都可以事先计算得到。

进一步的，在本申请实施例中，所述关键参数包括逃生时间，确定矿井透水漫延过程的关键参数包括：

获取巷道的长度、获取巷道中水流的速度；根据巷道的长度与水流的速度，确定水流到达任意位置的时间，得到第一时间。

获取第二时间、第三时间，其中，所述第二时间为报警响应时间；所述第三时间为工人到达安全地点的时间；将所述第一时间、第二时间、第三时间求和，得到逃生时间。

具体的，在本申请的实施例中，可以根据公式（11）测算工人逃生时间T：

T=t1+t2+t3（11）

式中，t1为水流向下扩散到任意位置的时间，即第一时间，可以通过公式计算，l_i为巷道i的长度；V_i为巷道i内的水流速度；t2为报警响应时间；t3为工人到达安全地点的时间。

在本申请一实施例中，所述关键参数还可以包括单位时间总透水量，确定矿井透水漫延过程的关键参数包括：

获取巷道长度以及巷道内水流断面面积；将每个巷道的巷道长度，与对应的水流断面面积乘积并累加，得到总透水量；获取所述总透水量与总时间的比值，得到单位时间总透水量。

具体的，单位时间的总透水量可以通过公式（12）计算得到；

（12）

式中，Q₀为单位时间总的透水量，单位为m³/h；li为巷道长度，单位为m；Si为巷道内水流断面面积，单位为m²，Si可以通过h乘以巷道宽度计算得到；t为透水发生的总时间，单位为h，当报警装置报警时，后台系统可以自动开始计时，直到不再透水为止，从而获得总的透水时间t。

在本申请的实施例中，根据Q₀可以判断透水事故等级。若Q₀小于等于1m³/min，则为小透水事故；若Q₀大于1m³/min小于等于10m³/min，则为中等透水事故；若Q₀大于10m³/min小于等于30m³/min，则为大透水事故；若Q₀大于30m³/min，则为特大透水事故。通过不同的透水事故等级，方便用户采用不同的应急措施。

此外，在本申请一实施例中，所述关键参数还可以包括水流扩散到任意位置的时间，确定矿井透水漫延过程的关键参数，包括：

获取巷道长度以及巷道内水流断面面积；将每个巷道的巷道长度，与对应的水流断面面积乘积并累加，得到总透水量；获取单位时间总透水量与矿井巷道排水能力、巷道内壁渗水水量的差值，得到矿井巷道透水能力；获取总透水量与矿井巷道透水能力的比值，得到水流扩散到任意位置的时间。

具体的，将单位时间总透水量与矿井巷道排水能力、巷道内壁渗水水量的差值作为矿井巷道透水能力，通过计算矿井突水总量除以矿井巷道透水能力即是矿井突水水流扩散到任意位置的时间。

综上，也即可以通过公式（13）可以计算水流扩散到任意位置的时间t₄：

（13）

式中，l_i为巷道长度；Si为巷道水流断面面积；n为矿井中巷道的数量，n为正整数；Q₀为单位时间总透水量，Q1为矿井巷道排水能力；Q2为巷道内壁渗水水量。其中Q1和Q2都是在发生透水前通过人工进行测定。

上述方案中，水流速度的大小是为了确定水流向其他巷道流动的快慢；逃生时间为矿井工人发生透水时何时逃离巷道提供理论支持。根据水流流速大小、水流扩散到任意位置的时间和逃生时间可以很好的为矿井工人制定合理的逃生方案。通过计算单位时间的总透水量可以大致判定该次透水事故属于哪种等级的事故，根据等级的严重性及时采取相应的救援措施，从而更好地保证员工的安全。

步骤S400、根据所述透水位置、所述关键参数，在预构建的矿井模型中实时模拟矿井水流动过程。

当确定了矿井中的透水位置、水位高度、水流速度、水流扩散到任意位置的时间，根据这些信息，在矿井模型中模拟水流动过程，既可以实现在后台服务器上实时显示水流动过程。

上述实施例公开的矿井透水蔓延过程三维仿真分析方法及系统，通过各种监测器硬件设施的布置，能够实时多因素的监测矿井水流的变化，并将监测的数据实时反馈给地上的计算器。通过矿井三维模型的建立以及实时数据的输入能够在计算机上呈现出矿井水体的漫延过程、透水速度、巷道断面水流量分布等情况，实现了在巷道中矿井透水水流蔓延过程的三维可视化，极大提高了矿井透水实时监测的准确性，保证了矿工安全。

本申请还提供了一种矿井透水动态漫延过程三维仿真分析系统，参见图6所示，图6为本申请实施方式提供的矿井透水动态漫延过程三维仿真分析系统的结构示意图，包括：

获取模块301，用于获取矿井透水的实际属性数据，所述实际属性数据包括水中的离子浓度、水压力大小、发生透水时pH值；

比对模块302，用于将所述实际属性数据与数据库中对应的标准属性数据进行比对，以确定矿井是否发生透水；

关键参数模块303，用于当发生透水时，确定透水位置，以及矿井透水漫延过程的关键参数，所述关键参数包括水位高度、水流速度、水流扩散到任意位置的时间；

确定模块304，用于根据所述透水位置、所述关键参数，在预构建的矿井模型中实时模拟矿井水流动过程。

矿井透水动态漫延过程三维仿真分析系统可以用于实现上述的矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法，此处不再进行一一描述。

本申请实施方式还提供了一种电子设备，参见图7所示，图7为本申请实施方式提供的电子设备的结构示意图。电子设备50包括处理器（CPU、GPU、FPGA等）501，其可以根据存储在只读存储器（ROM）502中的程序或者从存储部分508加载到随机访问存储器（RAM）503中的程序而执行上述附图所示的实施方式中的部分或全部处理。在RAM503中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。处理器501、ROM502以及RAM503通过总线504彼此相连。输入/输出（I/O）接口505也连接至总线504。

以下部件连接至I/O接口505：包括键盘、鼠标等的输入部分506；包括诸如阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）等以及扬声器等的输出部分507；包括硬盘等的存储部分508；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分509。通信部分509经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器510也根据需要连接至I/O接口505。可拆卸介质511，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器510上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分508。

特别地，根据本申请的实施方式，上文参考附图描述的方法可以被实现为计算机软件程序。例如，本申请的实施方式包括一种计算机程序产品，其包括有形地包含在及其可读介质上的计算机程序，计算机程序包含用于执行附图中的方法的程序代码。在这样的实施方式中，该计算机程序可以通过通信部分509从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质511被安装。

附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施方式的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本申请实施方式中所涉及到的单元或模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的单元或模块也可以设置在处理器中，这些单元或模块的名称在某种情况下并不构成对该单元或模块本身的限定。

作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施方式所包含的计算机可读存储介质；也可以是单独存在，未装配入设备中的计算机可读存储介质。计算机可读存储介质存储有一个或者一个以上程序，程序被一个或者一个以上的处理器用来执行描述于本申请的矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法，其特征在于，所述方法包括：

获取巷道的建模数据；

根据所述建模数据，构建空间坐标系，确定巷道截面的关键点，将所述巷道截面的关键点连接形成封闭曲线，得到巷道的第一截面轮廓线、第二截面轮廓线；其中，所述第一截面与所述第二截面相对称；

将第一截面轮廓线的关键点，与第二截面轮廓线中的关键点连线，得到单条巷道模型；

获取矿井的全部巷道模型，以得到整个矿井模型；

获取矿井透水的实际属性数据，所述实际属性数据包括水中的离子浓度、水压力大小、发生透水时pH值；

将所述实际属性数据与数据库中对应的标准属性数据进行比对，以确定矿井是否发生透水；

当发生透水时，确定透水位置，以及矿井透水漫延过程的关键参数，所述关键参数包括水位高度、水流速度、水流扩散到任意位置的时间；

根据所述透水位置、所述关键参数，在预构建的矿井模型中实时模拟矿井水流动过程。

2.根据权利要求1所述的矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法，其特征在于，所述关键参数包括水位高度，确定矿井透水漫延过程的关键参数，包括：

当矿井巷道倾斜角度a为第一阈值，所述水位高度为：获取巷道底面宽度、巷道长度乘积，然后获取所述巷道积水量与该乘积的比值；

当矿井巷道倾斜角度a为第二阈值时，所述水位高度通过如下公式计算得到：

其中，h为巷道内的水位高度；Q为巷道内的积水量；W为巷道底面宽度；H为巷道长方体部分的高度。

3.根据权利要求2所述的矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法，当所述矿井巷道倾斜角度a大于第一阈值小于第二阈值时，则所述水位高度通过如下公式计算：

其中，h为巷道内的水位高度；a为矿井巷道倾斜角度，Q为巷道内的积水量；W为巷道底面宽度；H为巷道长方体部分的高度；L为巷道长度。

4.根据权利要求1所述的矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法，其特征在于，所述关键参数包括水流速度，确定矿井透水漫延过程的关键参数，包括：

当矿井巷道倾斜角度a为第二阈值时，获取水力半径、巷道中的水力梯度；

将水力半径的2/3次方、巷道中的水力梯度1/2次方进行计算得到乘积，并获取该乘积与巷道的粗糙系数比值，得到水流速度；

当矿井巷道倾斜角度a为第二阈值时，获取巷道首尾两端的标高差值；

根据所述巷道首尾两端的标高差值以及重力加速度，确定水流速度。

5.根据权利要求1所述的矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法，其特征在于，所述关键参数包括水流速度，确定矿井透水漫延过程的关键参数，包括：

若巷道倾角小于第三阈值时，通过如下公式计算水流速度V；

其中，a为巷道倾斜角度；为倾角小于45°巷道影响系数；n₁为巷道的粗糙系数；

若巷道倾斜角度大于第三阈值时，则通过如下公式计算水流速度V：

其中，为倾角大于45°小于90°的巷道修正系数，a为巷道倾斜角度。

6.根据权利要求1所述的矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法，其特征在于，所述关键参数包括逃生时间，确定矿井透水漫延过程的关键参数包括：

获取巷道的长度、获取巷道中水流的速度；

根据巷道的长度与水流的速度，确定水流到达任意位置的时间，得到第一时间；

获取第二时间、第三时间，其中，所述第二时间为报警响应时间；所述第三时间为工人到达安全地点的时间；

将所述第一时间、第二时间、第三时间求和，得到逃生时间。

7.根据权利要求1所述的矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法，其特征在于，所述关键参数包括水流扩散到任意位置的时间，确定矿井透水漫延过程的关键参数，包括：

获取巷道长度以及巷道内水流断面面积；

将每个巷道的巷道长度，与对应的水流断面面积乘积并累加，得到总透水量；

获取单位时间总透水量与矿井巷道排水能力、巷道内壁渗水水量的差值，得到矿井巷道透水能力；

获取总透水量与矿井巷道透水能力的比值，得到水流扩散到任意位置的时间。

8.根据权利要求7所述的矿井透水动态漫延过程三维仿真分析方法，其特征在于，获取单位时间总透水量，包括：

获取巷道长度以及巷道内水流断面面积；

将每个巷道的巷道长度，与对应的水流断面面积乘积并累加，得到总透水量；

获取所述总透水量与总时间的比值，得到单位时间总透水量。

9.一种矿井透水动态漫延过程三维仿真分析系统，其特征在于，包括：

矿井模型模块，用于获取巷道的建模数据；根据所述建模数据，构建空间坐标系，确定巷道截面的关键点，将所述巷道截面的关键点连接形成封闭曲线，得到巷道的第一截面轮廓线、第二截面轮廓线；其中，所述第一截面与所述第二截面相对称；将第一截面轮廓线的关键点，与第二截面轮廓线中的关键点连线，得到单条巷道模型；获取矿井的全部巷道模型，以得到整个矿井模型；

获取模块，用于获取矿井透水的实际属性数据，所述实际属性数据包括水中的离子浓度、水压力大小、发生透水时pH值；

比对模块，用于将所述实际属性数据与数据库中对应的标准属性数据进行比对，以确定矿井是否发生透水；

关键参数模块，用于当发生透水时，确定透水位置，以及矿井透水漫延过程的关键参数，所述关键参数包括水位高度、水流速度、水流扩散到任意位置的时间；

确定模块，用于根据所述透水位置、所述关键参数，在预构建的矿井模型中实时模拟矿井水流动过程。

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