[发明专利]用于矿井下多巷道任意角度耦合的水害漫延方法

说明书

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。

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