摘要：矿井水灾作为矿山主要灾害之一，其动态发展规律的精准模拟对防灾减灾具有重要意义。本文基于真实矿井巷道信息，利用三维仿真软件构建井巷模型，结合 Fluent 流体模拟技术，研究不同透水位置的水灾发展特征，包括水流速度、淹没区域随时间的变化规律。研究结果表明，该方法能有效还原水灾动态演化过程，为矿井水灾应急救援提供可靠的理论依据。

关键词：矿井水灾；三维建模；数值模拟

一、引言

矿井水灾具有很强的突发性和破坏作用，对煤矿安全生成形成巨大的威胁，目前水灾模拟的方法很多，主要是软件建模进行数值模拟法[1-2]，矿井水灾模拟软件主要存在以下局限：三维巷道拓扑构建多依赖人工，易出错且更新滞后；水流动态扩散过程多为定性模拟，精细度不足；复杂工况（如涌出位置、涌水量突变）需高配硬件；多物理场耦合（如障碍物、通风、瓦斯、污染物）实现不足；数据来源多样，集成度差，实时联动与决策支持较弱 [3-5]。Fluent 在水灾模拟中具有高保真物理建模能力、工程化易用性与多场景适用性，尤其适合矿井水灾、洪水演进、淹没过程及多因素耦合等复杂工况。

本文通过三维建模与 Fluent 数值模拟相结合的方法，系统研究井巷不同位置透水后的水灾发展规律，为制定科学的避灾方案提供支撑。

二、研究方法与技术路线

2.1 三维井巷模型构建

基于矿井应急救援指挥编辑系统，依据真实矿井的巷道参数（包括长度、坡度、断面尺寸等），构建三维仿真模型。模型构建过程如下：

1. 收集巷道参数信息

本次仿真建模在矿井应急救援指挥编辑系统中进行，通过收集实际矿山巷道坐标点，构建三维巷道，具体坐标点（部分）如下所示。

表1 矿井实际坐标点

2. 仿真巷道生成

（1）三维巷道创建

通过获取的巷道坐标信息，通过软件单点创建、连续创建、坐标创建等构建，快速生成巷道。

（2）巷道属性赋值

依据实际巷道基本信息，可视化调整巷道属性，包括巷道形状、支护形式等内容。

（3）物品布置

按照实际巷道内的设备设施，进行布置，包括智能双滚筒采煤机、智能刮板输送机、液压支架、单体支柱、隔爆开关、带式输送机布等。

通过将巷道基础信息结合仿真软件，还原了巷道立体三维状态，为Fluent 水灾模拟提供了可视化平台。

2.2 Fluent 水灾模拟方案

采用 Fluent 软件进行水灾动态模拟，具体步骤包括：

（1）模拟参数确定

本文选择常见透水点，采煤工作面进行模拟，依据矿山实际情况，本次模拟透水点选择在工作面进风口上 20 米位置，突水点假定在距离工作面 20 米，垂直于煤层 10 米的地方，模拟老空水的透水。具体模拟设定参数如下：

表2 设定参数情况表

（2）几何建模与网格划分

以突水点为核心，按照煤层走向，设定与走向平行为 X 轴，与走向垂直为Z 轴。突水通道结构化六面体网格，尺寸 0.04m ，巷道中上部位，非结构化网格，尺寸 0.3m ，过渡网格为尺寸 0.2～0.3m 。模型类型选择湍流模型，近壁面采用标准壁面函数。时间步长 0.5s，迭代设置：每个时间步迭代25 次，压力- 速度耦合采用PISO 算法。

3. 模拟结果分析

10 分钟，水从预设的突水点快速涌出，进入巷道时，形成扇形射流，射流速度 4m/s , 在重力静压作用下，迅速沿着巷道流动，10 分钟，水向下流淌 20m ，向上蔓延 3.5m ，平均水深达到了 0.4m_⨀ 。

30 分钟，积水覆盖范围不断扩大，平均水深增加到 0.9m ，局部达到 1.3m ，水继续向进风方向快速延申，同时向下延申约 20m ，向上延申约 6m_⨀ 。

60 分钟，积水扩散稳定，从突水点向上扩散至 12m ，向下扩散至35m ，水深基本稳定，最深处达到 1.6m ，工作面主要设备被淹没。

2. 流速与压力分布

在突水通道里面，水流速度从突水点开始，呈现下降趋势，从最初的 3m/s ，降低到出口的 1.3m/s ，压里从大约 0.3MPa ，下降到巷道内大气压力。，

巷道积水区，底部流速大约 0.25-0.6m/s ，向下流动较快，水面空气由于静断面减小，风速变大。

空气压力：空气压力受积水挤压，压力有所上升，但上升幅度不大，没有压力聚集风险。

四、结论

本文以实际矿井为例，通过矿井仿真软件，真实呈现出矿井三维状态，在此基础上进行了透水事故的蔓延模拟，在 80m ³ ⟨h 持续突水条件下，工作面将在 30 分钟内水深已有实质危险，积水主要沿巷道底部逆风扩散，对通风系统影响有限但需警惕局部水汽积聚。

参考文献

[1] 叶子樱. 矿井水灾仿真系统设计与实现[D]. 华北水利水电大学 , 2021.

[2] 韩成基 . 矿井水灾事故的应急救援分析 [J]. 自动化应用 ,2020, (09): 153-154.

[3] 许宗正. 基于改进邻域搜索算法的矿井水灾模拟研究[D]. 山东科技大学 , 2018. DOI:10.27275/d.cnki.gsdku.2018.000979.

[4] 伍彦 . 基于 ArcGIS 三维建模技术的水灾模拟系统 [J]. 测绘与空间地理信息 , 2017, 40 (11): 94-96.

[5] 刘新立 . 随机过程与随机模拟在水灾风险管理中的应用研究[J]. 经济科学 , 2003, (01): 114-119.

课题来源：市教委科技项目

名称：基于三维仿真软件的矿井水灾发展规律与避灾路径研究编号：KJQN202203416

作者简介：黄文祥，男教授，研究方向，安全与事故应急救援