第11期 赵怡晴等：地下矿水灾场一体化构模及可视化仿真技术 ·1437· 在巷道内的漫延过程进行了二维仿真及动力学分 时空变化的规律.矿井水灾场模型是多属性构成 析：周耀东、李翠平等4-采用改进的Dijkstra算 的复杂模型，其中包括：描述模型空间分布的空间 法和广度优先算法等，初步实现了矿井突水三维动 属性：描述模型中矿岩成分及地质构造的地质属 态漫延过程的仿真.但是，地下矿水灾场一体化建 性：描述勘探钻孔、井巷工程与采空区等的各种几 模、可视化技术、突水动态过程再现等主要问题仍待 何形体及其相关的工程属性；描述模型地下固、 深入研究 液、气多相介质以及各种力学结构及其行为的状 本文以矿山复合场理论为基础叨，对地下矿水 态；描述模型随时间序列变化的时序性.这五类属 灾场进行了一体化构模，利用三维仿真及可视化表 性之间相互制约并相互作用，共同构成了矿井水 达技术，以图形、图像等可视化方式在计算机屏幕上 灾场模型的主体 模拟井下生产及工程中的矿岩属性、水文地质、工程 (1)空间属性.空间属性主要指在矿山生命周 位置、事故隐患、灾害风险等状态、程度和演变过程 期内，模型内各种属性间的空间分布情况.空间属 等，便于生产及工程的技术与管理人员从各种角度 性主要描述为矿区范围内的各种地理环境、地表地 去观测、分析和对比多种情景和可能后果，洞察事故 形、各种地质界面、各种地质构造、矿体产状、围岩形 的潜在状态、发生原因、发展过程以及制定应急处置 态、地下开挖体、地下水体形状和各种监测数据在水 方案 灾场模型中的空间位置等。空间属性是构建水灾场 1地下矿水灾场一体化构模 模型的基础，同时也是其他属性间相互制约、相互作 用的纽带.在水灾场模型仿真过程中利用各种形态 1.1水灾场属性表征 (如地质体和井巷工程)的空间分布，使用点集、面 基于地下矿复合场理论，矿井突水灾害的产生、 片、三角柱、规则或非规则实体等空间几何表达手法 发展及周边空间影响因素（包括巷道布置、采矿活 进行三维可视化显示. 动、水文地质因素等)构成了地下矿水灾场.其属性 (2)地质属性.地质属性主要指矿井水灾场模 主要包括空间属性、地质属性、工程属性、状态与行 型中的各种地质属性参数，主要描述模型中地质 为以及时序性.其中，水灾场模型的空间属性即模 体（岩体、矿体等）和地质构造（断层等）空间分 型的空间坐标(x,y,z),它决定了模型的空间位置和 布、组分及其性状等.地质体是采矿作业的介质， 大小：地质属性则包含了水灾场内的地质信息，如地 地质构造是影响地质体空间分布的主要因素，两 表地形、地质体、断层、水源分布、隔水层和含水层； 者组成了水灾场模型中地质属性三维可视化的主 工程属性为水灾场内井下人员的活动区域，包括竖 要研究对象.通过分别对水灾场模型中各种地质 井、斜井、水平巷道和斜坡道等；状态与行为则表示 属性的各种参数表述，可以有效地了解地质体以 了模型在矿井突水事故中各项属性的变化和水流状 及地质构造间的分布状况及空间位置关系，从而 态.水灾场模型在某一时刻各属性间的相互关系如 实现仿真过程中各种地质形态间的单独或复合三 图1所示. 维可视化显示. 矿井水灾场模型以矿井地下水为研究对象， (3)工程属性.工程属性主要指矿井水灾场模 用于研究矿井突水在矿区地质环境和工程环境中 型中各种工程参数，如钻孔参数和井巷参数.井巷 y= 工程是矿山作业人员的主要作业环境，同时也是研 究矿山安全的主要研究对象，在三维可视化仿真过 空间属性 程中，通过面绘制和体绘制的方法实现各种井巷工 ★ 地表地形 程的描述，以及井下状态和井下人员活动等的描述， 属性状态 状态与 地质体 水灾场 地质属性+ 完成对模型工程属性的表达， 水流 行为 断层 (4)状态.在矿井水灾场模型中，包含各种物质 水体 工程属性 状态（如固态、液态、气态和混合态）、应力分布、节 理情况以及破碎程度等环境状态信息，模型中还具 竖 有许多围岩的扰动信息、突水点的涌水量信息、井巷 道 中的水流信息等水灾过程信息.在三维可视化仿真 过程中，对于具有具体形态的固态、液态对象如地质 图1水灾场属性关系图 Fig.I Attribute relationship of water inrush modeling 体、水体等物质，其状态可以在面绘制构造其三维表第 11 期 赵怡晴等: 地下矿水灾场一体化构模及可视化仿真技术 在巷道内的漫延过程进行了二维仿真及动力学分 析; 周耀东、李翠平等［14 － 16］采用改进的 Dijkstra 算 法和广度优先算法等，初步实现了矿井突水三维动 态漫延过程的仿真． 但是，地下矿水灾场一体化建 模、可视化技术、突水动态过程再现等主要问题仍待 深入研究． 本文以矿山复合场理论为基础［17］，对地下矿水 灾场进行了一体化构模，利用三维仿真及可视化表 达技术，以图形、图像等可视化方式在计算机屏幕上 模拟井下生产及工程中的矿岩属性、水文地质、工程 位置、事故隐患、灾害风险等状态、程度和演变过程 等，便于生产及工程的技术与管理人员从各种角度 去观测、分析和对比多种情景和可能后果，洞察事故 的潜在状态、发生原因、发展过程以及制定应急处置 方案． 1 地下矿水灾场一体化构模 1. 1 水灾场属性表征 基于地下矿复合场理论，矿井突水灾害的产生、 发展及周边空间影响因素( 包括巷道布置、采矿活 动、水文地质因素等) 构成了地下矿水灾场． 其属性 主要包括空间属性、地质属性、工程属性、状态与行 为以及时序性． 其中，水灾场模型的空间属性即模 型的空间坐标( x，y，z) ，它决定了模型的空间位置和 大小; 地质属性则包含了水灾场内的地质信息，如地 表地形、地质体、断层、水源分布、隔水层和含水层; 工程属性为水灾场内井下人员的活动区域，包括竖 井、斜井、水平巷道和斜坡道等; 状态与行为则表示 了模型在矿井突水事故中各项属性的变化和水流状 态． 水灾场模型在某一时刻各属性间的相互关系如 图 1 所示． 图 1 水灾场属性关系图 Fig． 1 Attribute relationship of water inrush modeling 矿井水灾场模型以矿井地下水为研究对象， 用于研究矿井突水在矿区地质环境和工程环境中 时空变化的规律． 矿井水灾场模型是多属性构成 的复杂模型，其中包括: 描述模型空间分布的空间 属性; 描述模型中矿岩成分及地质构造的地质属 性; 描述勘探钻孔、井巷工程与采空区等的各种几 何形体及其相关的工程属性; 描述模型地下固、 液、气多相介质以及各种力学结构及其行为的状 态; 描述模型随时间序列变化的时序性． 这五类属 性之间相互制约并相互作用，共同构成了矿井水 灾场模型的主体． ( 1) 空间属性． 空间属性主要指在矿山生命周 期内，模型内各种属性间的空间分布情况． 空间属 性主要描述为矿区范围内的各种地理环境、地表地 形、各种地质界面、各种地质构造、矿体产状、围岩形 态、地下开挖体、地下水体形状和各种监测数据在水 灾场模型中的空间位置等． 空间属性是构建水灾场 模型的基础，同时也是其他属性间相互制约、相互作 用的纽带． 在水灾场模型仿真过程中利用各种形态 ( 如地质体和井巷工程) 的空间分布，使用点集、面 片、三角柱、规则或非规则实体等空间几何表达手法 进行三维可视化显示． ( 2) 地质属性． 地质属性主要指矿井水灾场模 型中的各种地质属性参数，主要描述模型中地质 体( 岩体、矿 体 等) 和 地 质 构 造( 断 层 等) 空 间 分 布、组分及其性状等． 地质体是采矿作业的介质， 地质构造是影响地质体空间分布的主要因素，两 者组成了水灾场模型中地质属性三维可视化的主 要研究对象． 通过分别对水灾场模型中各种地质 属性的各种参数表述，可以有效地了解地质体以 及地质构造间的分布状况及空间位置关系，从而 实现仿真过程中各种地质形态间的单独或复合三 维可视化显示． ( 3) 工程属性． 工程属性主要指矿井水灾场模 型中各种工程参数，如钻孔参数和井巷参数． 井巷 工程是矿山作业人员的主要作业环境，同时也是研 究矿山安全的主要研究对象，在三维可视化仿真过 程中，通过面绘制和体绘制的方法实现各种井巷工 程的描述，以及井下状态和井下人员活动等的描述， 完成对模型工程属性的表达． ( 4) 状态． 在矿井水灾场模型中，包含各种物质 状态( 如固态、液态、气态和混合态) 、应力分布、节 理情况以及破碎程度等环境状态信息，模型中还具 有许多围岩的扰动信息、突水点的涌水量信息、井巷 中的水流信息等水灾过程信息． 在三维可视化仿真 过程中，对于具有具体形态的固态、液态对象如地质 体、水体等物质，其状态可以在面绘制构造其三维表 · 7341 ·