于 丹，顏 偉,2

(1.山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東省青島市，266590；2.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東省青島市，266590)

煤炭是我國的基礎(chǔ)能源和主體能源，“雙碳”目標(biāo)下的煤炭開采已進(jìn)入深部開采階段，開采深度的增加將使得開采難度增大，開采環(huán)境也將變得復(fù)雜多變，極易發(fā)生煤礦災(zāi)害事故，不僅會給煤礦企業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，還會造成重大人員傷亡[1]。通過分析相關(guān)典型事故發(fā)生的原因，可以發(fā)現(xiàn)造成這種情況的主要原因是井下人員未能在第一時間從危險地帶撤離到安全區(qū)域所致。因此，如何讓井下人員在發(fā)生災(zāi)害之后，選擇最優(yōu)避災(zāi)路線，此類研究歷經(jīng)多年仍保持一定的熱度。

根據(jù)查閱的文獻(xiàn)，在煤礦常見的災(zāi)害事故中，眾多學(xué)者對礦井瓦斯爆炸、火災(zāi)、水災(zāi)3種突發(fā)事故發(fā)生后的最優(yōu)避災(zāi)路徑規(guī)劃問題進(jìn)行了較多研究，主要從不同因素對巷道通行能力的影響、最優(yōu)避災(zāi)路徑規(guī)劃模型構(gòu)建以及求解避災(zāi)路徑的算法3個方面進(jìn)行研究。筆者通過梳理煤礦井下避災(zāi)路徑規(guī)劃問題的研究進(jìn)展，分析現(xiàn)有研究可完善的內(nèi)容，并探討未來研究的趨勢，為解決煤礦事故避災(zāi)路徑規(guī)劃問題提供相關(guān)參考。

1 瓦斯爆炸事故避災(zāi)路徑規(guī)劃

1.1 瓦斯爆炸事故特性

瓦斯爆炸是威脅我國煤礦安全的極為嚴(yán)重的災(zāi)害之一，具有較強(qiáng)的突發(fā)性、破壞性，在造成群死群傷的同時，還會破壞通風(fēng)系統(tǒng)、引起火災(zāi)，或是引發(fā)多次連續(xù)性瓦斯爆炸，造成事故擴(kuò)大，給避災(zāi)路徑規(guī)劃增加了困難[2]。

1.2 研究進(jìn)展

以“瓦斯爆炸避災(zāi)路徑/路線規(guī)劃”或“瓦斯爆炸逃生路徑/路線規(guī)劃”為主題在中國知網(wǎng)進(jìn)行檢索，共檢索到1998-2018年的24篇文獻(xiàn)，具體統(tǒng)計如圖1所示。

當(dāng)前關(guān)于瓦斯的研究主要針對瓦斯突出預(yù)測及防治、瓦斯爆炸機(jī)理及風(fēng)險評估等方面的研究，而在瓦斯爆炸避災(zāi)路徑研究方面相對較少，目前學(xué)者們所取得的成果有：石永奎等[3]構(gòu)建以安全逃生時間最短的數(shù)學(xué)模型，并用Lingo編程求最短路徑；徐志奇[4]和楊林等[5]運用Dijkstra算法對巷道當(dāng)量長度進(jìn)行計算確定井下人員的最佳避災(zāi)路線；賈齊林等[6]針對瓦斯爆炸設(shè)計了煤礦緊急避險系統(tǒng)；黃運爽等[7]綜合考慮影響工作人員正常通行的因素，將巷道固有影響因素轉(zhuǎn)化為對巷道當(dāng)量長度的影響，將災(zāi)害因素轉(zhuǎn)化為對通行時間影響，以安全逃生時間最短為目標(biāo)構(gòu)建避災(zāi)模型；郭昕曜[8]通過分析瓦斯爆炸產(chǎn)生的災(zāi)害因素，以所選路徑權(quán)值最短構(gòu)建人群避災(zāi)模型，最后基于Flody算法求解最優(yōu)避災(zāi)路徑；蘆飛平[9]基于多智能體仿真技術(shù)，應(yīng)用Repast仿真平臺構(gòu)建煤礦事故安全避災(zāi)仿真模型，分別在位置選擇、方向選擇、鄰接矩陣和廣度優(yōu)先算法生成不同避災(zāi)路線等。筆者主要從影響巷道通行能力因素、避災(zāi)路徑規(guī)劃原則、研究方法3個方面總結(jié)瓦斯爆炸避災(zāi)路徑研究代表性文獻(xiàn)，見表1。

圖1 “瓦斯爆炸避災(zāi)路徑/路線規(guī)劃”或“瓦斯爆炸逃生路徑/路線規(guī)劃”主題文獻(xiàn)發(fā)表統(tǒng)計

表1 瓦斯爆炸避災(zāi)路徑研究代表性文獻(xiàn)

2 礦井火災(zāi)事故避災(zāi)路徑規(guī)劃

2.1 礦井火災(zāi)事故特性

礦井火災(zāi)是一種不受控制的燃燒，分為內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)兩種，可能發(fā)生在礦井井下或地面井口附近，礦井火災(zāi)的發(fā)生不僅會對礦井安全生產(chǎn)造成巨大威脅，還會因火災(zāi)產(chǎn)生的高溫、煙塵及毒害氣體嚴(yán)重威脅未能及時疏散的井下工作人員的生命安全。

2.2 研究進(jìn)展

以“礦井火災(zāi)避災(zāi)路徑/路線規(guī)劃”或“煤礦火災(zāi)逃生路徑/路線規(guī)劃”為主題在中國知網(wǎng)進(jìn)行檢索，共檢索到1994-2020年68篇文獻(xiàn)，具體統(tǒng)計如圖2所示。

在研究礦井火災(zāi)避災(zāi)路徑規(guī)劃方面，王金華等[10]根據(jù)井下傳感器實時檢測有害氣體、溫度、煙霧和風(fēng)向等數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)的井下避災(zāi)路徑規(guī)劃；趙海軍[11]通過設(shè)計混合變異策略和參數(shù)自適應(yīng)機(jī)制來改進(jìn)差分進(jìn)化算法，提高路徑搜索效率；姜媛媛等[12]構(gòu)建基于多元信息評估的礦井火災(zāi)路徑優(yōu)化模型，并運用Dijkstra算法得到最優(yōu)路徑；WANG Kai等[13]通過改進(jìn)元胞自動機(jī)模型來優(yōu)化避災(zāi)路徑規(guī)劃模型；劉怡[14]綜合考慮井下火災(zāi)的靜態(tài)和動態(tài)影響因素，引入信息熵模型來改進(jìn)巷道當(dāng)量長度計算公式，最后利用Dijkstra算法進(jìn)行最優(yōu)逃生路徑規(guī)劃；沈云鴿[15]根據(jù)火災(zāi)期間人員逃生的緊急性和環(huán)境危險性指標(biāo)建立了井下人員逃生路徑規(guī)劃模型，并基于Dijkstra算法將動態(tài)環(huán)境因素引入逃生路徑規(guī)劃中。筆者主要從影響巷道通行能力因素、避災(zāi)路徑規(guī)劃原則、研究方法3個方面總結(jié)礦井火災(zāi)避災(zāi)路徑研究代表性文獻(xiàn)，見表2。

圖2 “礦井火災(zāi)避災(zāi)路徑/路線規(guī)劃”或“煤礦火災(zāi)逃生路徑/路線規(guī)劃”主題文獻(xiàn)發(fā)表統(tǒng)計

表2 礦井火災(zāi)避災(zāi)路徑研究代表性文獻(xiàn)

3 礦井水災(zāi)事故避災(zāi)路徑規(guī)劃

3.1 礦井水災(zāi)事故特性

礦井水災(zāi)是指在煤礦建設(shè)和采掘過程中，發(fā)生的礦井局部或全部被淹沒的礦井涌水事故。據(jù)統(tǒng)計，有48%以上的國有重點煤礦礦井受到過各種水害的威脅。為減少礦井水災(zāi)帶來的損失，我國相關(guān)研究者對礦井水災(zāi)災(zāi)后避災(zāi)進(jìn)行了較多研究。

3.2 研究進(jìn)展

以“礦井水災(zāi)避災(zāi)路徑/路線規(guī)劃”或“煤礦水災(zāi)逃生路徑/路線規(guī)劃”為主題在中國知網(wǎng)進(jìn)行檢索，共檢索到2007-2021年的34篇文獻(xiàn)，具體統(tǒng)計如圖3所示。

目前在礦井水災(zāi)避災(zāi)路徑規(guī)劃研究中，在研究影響巷道通行能力因素方面，大部分學(xué)者都考慮突水災(zāi)害因素——水位高度和巷道類型、風(fēng)速風(fēng)向、坡度、局部障礙物(帶式輸送機(jī)、礦車、風(fēng)窗、風(fēng)門等設(shè)施)數(shù)量等井巷內(nèi)本身存在的影響避災(zāi)的因素，這些影響因素使得點與點之間的距離不再是絕對距離而是用當(dāng)量長度來表示。在最優(yōu)避災(zāi)路徑模型構(gòu)建及規(guī)劃研究方面，主要是朝著建立更符合現(xiàn)實情況的動態(tài)避災(zāi)路徑規(guī)劃模型以及對傳統(tǒng)算法的改進(jìn)2個方向進(jìn)行研究。趙作鵬等[16]為了避免擁擠，提出D-K算法來求解從突水點到其他所有逃生節(jié)點的前N條最優(yōu)路徑的新方法；張雪英等[17]提出一種新的離散螢火蟲算法來求解煤礦井下最短避災(zāi)路徑；周越等[18]提出阻滯型水中逃生速度曲線數(shù)學(xué)模型；苑亞南等[19]在此基礎(chǔ)上建立一種基于突水點水力學(xué)特性分析模型，并且運用改進(jìn)的D-K路徑搜索算法進(jìn)行研究；劉夢杰等[20]提出雙向A*算法，有效減少了路徑搜索范圍；蔡明杰等[21-22]通過對交叉、變異算子進(jìn)行重構(gòu)，在適應(yīng)度函數(shù)中加入安全通過概率來改進(jìn)傳統(tǒng)的遺傳算法，他還通過對松弛點入隊位置調(diào)整來優(yōu)化SPFA算法，從而提高算法搜索突水避險路線的效率；ZHAO Xiangwei等[23]建立三維礦井巷道網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合實時變化的水位及巷道的可通行性，運用Dijkstra算法實現(xiàn)了基于3D網(wǎng)絡(luò)模型的最佳避災(zāi)路徑搜索；王鵬等[24]將螢火蟲算法進(jìn)行改進(jìn)，并與A*算法進(jìn)行比較，結(jié)果表明：改進(jìn)后的螢火蟲算法規(guī)劃的路徑更優(yōu)，具有大范圍搜索優(yōu)化能力；中國礦業(yè)大學(xué)的武強(qiáng)團(tuán)隊[25-26]考慮實時水位高度變化對疏散時間的影響，通過改進(jìn)Dijkstra算法，提出了并行時變最早到達(dá)算法，生成安全迅速的井下人員最優(yōu)逃生路徑。筆者主要從影響巷道通行能力因素、避災(zāi)路徑規(guī)劃原則、研究方法3個方面總結(jié)礦井水災(zāi)避災(zāi)路徑研究代表性文獻(xiàn)，見表3。

圖3 “礦井水災(zāi)避災(zāi)路徑/路線規(guī)劃”或“煤礦水災(zāi)逃生路徑/路線規(guī)劃”主題文獻(xiàn)發(fā)表統(tǒng)計

表3 礦井水災(zāi)避災(zāi)路徑研究代表性文獻(xiàn)

4 常用算法總結(jié)

根據(jù)以上分析，可以得出進(jìn)行礦井/煤礦瓦斯/火災(zāi)/水災(zāi)避災(zāi)/逃生路徑/路線規(guī)劃研究常用的算法如圖4所示。由圖4可以直觀地看出，在研究煤礦井下避災(zāi)路徑規(guī)劃中運用Dijkstra算法最多，然后依次是蟻群算法、K則最優(yōu)路徑算法、A*算法、遺傳算法、粒子群算法、D-K算法、SPFA算法、螢火蟲算法。同時對各種算法進(jìn)行簡要歸納，列舉相關(guān)的改進(jìn)措施及優(yōu)勢，結(jié)果見表4。

圖4 “礦井/煤礦瓦斯/火災(zāi)/水災(zāi)避災(zāi)/逃生路徑/路線規(guī)劃”主題文獻(xiàn)所用算法所占比例

表4 常用路徑規(guī)劃算法對比表

5 案例應(yīng)用

結(jié)合以上3種事故類型的研究，筆者以礦井水災(zāi)為背景，研究五溝煤礦1035工作面避災(zāi)路徑規(guī)劃。由于井下環(huán)境具有特殊性，含有多種阻礙礦工通行的因素，一般用巷道當(dāng)量長度來表示巷道中兩點之間的距離。結(jié)合該礦井的巷道環(huán)境以及現(xiàn)場模擬分析，選取巷道類型、巷道坡度、風(fēng)速風(fēng)向、局部障礙物(帶式輸送機(jī)、軌道、風(fēng)橋、風(fēng)門等設(shè)施)數(shù)量以及水位高度，作為影響井下礦工逃生的主要影響因素，其影響系數(shù)分別記為ηt、ηs、ηv、ηr、ηw，影響巷道通行難易系數(shù)可以查閱文獻(xiàn)[16]。

假設(shè)節(jié)點Vi和Vj間巷道Eij的實際長度為l(Eij)，將巷道的各因素影響系數(shù)加權(quán)到其對應(yīng)的實際長度中，得到該條巷道初始當(dāng)量長度值L(Eij)為：

(1)

式中：n——巷道Eij上障礙物數(shù)量；

ηrm——第m個局部通行障礙物影響巷道正常通行的系數(shù)。

以五溝煤礦1035工作面實際巷道布置圖為基礎(chǔ)，簡化其節(jié)點，選出50個關(guān)鍵節(jié)點形成巷道網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行案例分析，1035工作面巷道網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，其中V48、V49、V50是該礦井的井口，將這3個節(jié)點設(shè)為安全節(jié)點。根據(jù)該礦井水文地質(zhì)資料、采掘工程資料得知V1易發(fā)生突水，所以將節(jié)點V1設(shè)為突水點。

假設(shè)V1突水點的水位高度達(dá)到普通成人膝蓋處的高度，首先根據(jù)該工作面實際巷道環(huán)境情況，計算每條巷道的各個影響系數(shù)值，然后根據(jù)式(1)計算出每條巷道的當(dāng)量長度，見表5(限于篇幅只列舉部分?jǐn)?shù)據(jù))。

最后基于Python平臺，使用Dijkstra算法分別計算突水點V1到3個安全節(jié)點V48、V49、V50的最短路徑，然后對這3條路徑按照路徑當(dāng)量長度從小到大排序，結(jié)果見表6。

圖5 1035工作面巷道網(wǎng)絡(luò)

表5 井下礦工逃生的影響系數(shù)及對應(yīng)的巷道當(dāng)量長度

表6 Dijkstra算法的仿真結(jié)果

由于研究的是在同一個工作面工作的礦工人員逃生，人數(shù)相對來說不是很多，所以從這3條中選取1條最優(yōu)的路徑作為逃生路徑即可，則從突水點到安全節(jié)點的最優(yōu)逃生路徑為：V1→V3→V5→V9→V13→V14→V15→V19→V24→V26→V34→V40→V49，路徑當(dāng)量長度最短為2 212.55 m。

6 結(jié)論

(1)礦井瓦斯爆炸事故避災(zāi)路徑規(guī)劃研究中，毒害氣體(CO 、H2S等)、瓦斯爆炸沖擊波、高溫、耗氧為主要的災(zāi)害因素，路徑權(quán)值最短和安全逃生時間最短為主要構(gòu)建模型的原則，相對火災(zāi)、水災(zāi)事故來看，由于瓦斯爆炸事故環(huán)境較復(fù)雜，所以該主題相關(guān)研究比較少。

(2)礦井火災(zāi)事故避災(zāi)路徑規(guī)劃研究中，溫度、毒害氣體(CO等)、煙霧濃度為主要的災(zāi)害因素，路徑權(quán)值最短為主要構(gòu)建模型的原則，運用Dijkstra算法和蟻群算法求解最優(yōu)避災(zāi)路徑的研究較多。

(3)礦井水災(zāi)事故避災(zāi)路徑規(guī)劃研究中，水位高度為主要的災(zāi)害因素，路徑權(quán)值最短為主要構(gòu)建模型的原則，運用Dijkstra算法、蟻群算法、K則最優(yōu)路徑算法求解最優(yōu)避災(zāi)路徑的研究較多。

整體來看，國內(nèi)研究礦井災(zāi)害領(lǐng)域避災(zāi)路徑相關(guān)論文總量較多，國外較少；在研究內(nèi)容上，很少考慮災(zāi)害環(huán)境對人體健康損失度、人的心理狀態(tài)的影響，且運用改進(jìn)算法求解實時避災(zāi)路徑的研究較少，值得進(jìn)一步發(fā)展和探索。