巷道火灾模拟分析与矿井应急救援系统开发

SIMULATIONOFROADWAYFIREANDDEVELOPMENTOFMINEFIREEMERGENCYRESCUESYSTEMADissertationsubmittedinfulfillmentoftherequirementsofthedegreeMASTEROFShUniversityofScienceandLISupervisor:ProfessorCAOCollegeofMingandSafetyJune本人呈交给山东科技大学的这篇，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。Ideclarethatthisdissertation,submittedinfulfillmentoftherequirementsfortheawardofMasterofPhilosophyinShUniversityofScienceandTechnology,iswhollymyownworkunlessreferencedofacknowledge.The摘择Dijkstra算法作为生成最优路径的基本算法，采用VisualBasic6.0编程实现。基于矿井VisualBasic6.0为开发工具，研制了矿井火灾应急救援信：矿井火灾；数值模拟；最优路径；应急救援；信息系Minefireaccidenthasextremelydestructiveeffect,easilyleadingtodisastrousconsequences.Italsocausedwidespreadconcerninthecommunity.Thispaperbasedontheysisofdeveloprocessofminefiretoresearchingthebestpathwhichtoavoiddisasterrescueinformationsystemofmine,assistingtherescuedecisiontoquicklygraspavarietyoffireemergencyrescueinformationbymeansofinformationtechnology,allocatingrescueresourcesofemergencybyvariousways,formulatingscientificandefficientdisposalprogramofemergencyrescue,sothatthelossescausedbythefirecanbeeliminatedorreducedingreatestThepaperysedanddiscussedthecharacteristicsofburning,thestateofairflowandcharacteristicsofsmokeintheminefireperiod,establishingatypicalmodeloftunnelin"T"type,usingtheFluentsoftwareofnumericalsimulationtosimulateandyzethevelocity,temperatureandconcentrationdistributionoffiretunnelindifferentwindspeed.Accordingtothechangingrulesofroadwayfireandtheinfluencingfactorsofroadwaytraffic,thesafetyareaoffireescapeisdetermined.Accordingtoysisandcomparisonofseveralshortestpathalgorithm,itselectedtheDijkstraalgorithmasthebasicalgorithmtogeneratetheoptimalpath,usingBasic6.0Visualprogramming.Basedontheactualdemandofminefireemergencyrescue,aminefireemergencyrescueinformationsystemwasdevelopedwithBasic6.0Visualasthedevelotooltoachievesevenfunctionalmodules,includingmanagementcontingencyns,institutionalframework,escaperoute,simulationexercise,trainingandeducation,combinatorialqueryandSystemhelp.Itcanbeusedfortheimplementationofscientificandeffectivemanagementofminefireemergencyrescue,butalsocanbeusedtocarryoutscientificandintuitivetrainingandeducationofstaff.Inthispaper,takingGETingcoalmineofDonghuaShenergywithlimitedliabilityasanexample.Thepaperdiscussedthepracticalvalueofminefireemergencyrescuesystem.:mine;fire;numericalsimulation;optimalpath;emergencyrescue;绪 研究背景及意 国内外研究现 研究内容、方法及技术路 矿井火灾燃烧及巷道变化规律研 矿井火灾燃烧特 巷道火灾紊乱规律分 烟流逆转临界风速分 巷道火灾烟流温度变化规 本章小 基于FLUENT的巷道火灾数值模拟研 FLUENT软件简 火灾模拟的数学模型分 巷道火灾数值模拟研 本章小 矿井火灾时期应急避灾最优路径选 矿井火灾应急避灾路径选择原 应急避灾路线的可通行 人员逃生及巷道通行影响因 最优路径的计算和选 本章小 矿井火灾应急救援信息系统开发研 矿井火灾应急救援体 矿井火灾应急救援预 矿井火灾应急救援系统设计与实 矿井火灾应急救援系统功能与应 本章小 结论与展 结 展 参考文 致 攻 期间取得的科研成 Backgroundand CurrentResearchatHomeand ResearchContentand TheResearchofMineFireBurningandRoadwaywindcurrentChange CharacteristicsoftheMineFire TheysisofRoadwayFireDisorder TheysisofTemperatureChangeRuleofRoadwayFireSmoke TemperatureChangeRuleofRoadwayFireSmoke Chapter NumericalSimulationResearchforRoadwayFireBasedon BriefIntroductionofFluent TheysisofFireSimulationMathematical TheysisofRoadwayFireNumerical TypicalModelofthe"T"Type Chapter OptimalRouteSelectionforContingencynsforDisasterDuringthePeriodofRoadwayFire TheRuleofOptimalRouteSelectionforContingencynsforRoadwayFire TheTrafficabilityofOptimalRouteSelectionforContingencynsfor TheInfluencesofnelEscapeandfRoadway TheCalculationandSelectionoftheOptimal Chapter ThedevelopmentofInformationSystemforMineFireEmergency TheSystemofMineFireEmergency TheContingencynofMineFire TheDesignandImplementationoftheMineFireEmergencyRescue TheFunctionandApplicationoftheMineFireEmergencyRescue Chapter Conclusionand MainWorkand MainInnovationand TheMajorAchievementsduringthe 绪研究背景及意由于受我国煤炭资源地质赋存因素等各方面限制，我国的煤炭开采大部分采用矿井开采方式据显示目前我国在采的矿井中56%的矿井采的是易燃煤层因此矿火灾事故是我国煤矿生产中的一个主要隐患[1]。同世界上其他的产煤大国相比，我国在防控矿井火灾的技术上依然存在很大的差距，矿井火灾在我国的煤矿事故中发生率非常之高。这不仅会严重影响到煤炭的生产，还会给井下矿工的人身安全带来严重，甚至会造成重大人员伤亡以及财产损失；目前我国在防控矿井火灾事故方面存在的主要问题就是并没有完全弄清产生的机理，由于技术、经济及客观条件对产生机理的专项研究加以限制，我们的里没有条件模拟重现井下煤尘、瓦斯以及煤尘一瓦斯等一系列发生、发展和演化的过程，因而无法弄清矿井火灾发生的机理[2。国内外研究矿井火灾时期状态研究现流体力学等物理和化学规律在火灾燃烧过程与烟气流动过程中均有体现。波兰学者WLBudryk[5]在20世纪50年代提出了很大的学说和理论，其中，在过量烟气学说解的流动规律。英国的一些专家根据烟流的成分来区分火灾的蔓延方式，主要有WuBakar模型的预测值进行对比，最终得出该模型不适宜预测较高工况点下断出表达计算式由此可得出高温烟流通风阻力与火灾温度成正相关性、BkK-1Bk>1为判断烟气况。2070年代初，针对火灾早期的预测预报、烟气组成成分，火源的探测以及风流紊乱等问题波兰学者进行了多次矿井火灾实验研究[15]80年代我国也开始了对巷道火14次较大规模的巷道火灾实验发现出现节流效应的速度在1m/s以上，此时不会出现逆转但当速度在1m/s以下时节流效应和逆转的现象恰好相反通过这些现象确定了进入火区的临界速度是1m/s，并总结出了火灾时期产生的节流效应和逆流现象形成的环境[4]。中国矿业大学于19911994年期间，对巷道火灾进行了全面次的研究探寻了相关参数的变化特点并得出烟流放热及局部火风压等，在研究过程中他们在环境下模拟竖井火灾并对不同的燃烧物进行分析研究[16]矿井火灾时期数值模拟计算研究现70年他们又对MTU-BOM进行了更新，更新后的程序可以对输入有误的内容进行判断和检法国的斯蒙德(E.Smode)[20]实现了温度与火灾模拟的融合，模拟出了火灾温度瞬时状态。1985年波兰的鸠仁斯基(W.Dziurzynski)博士和特鲁特温(W.Trutwin)教授[21]编写了POZAR程序，该程序可以对不稳定的、火源及围岩热交换进行瞬息模拟。在国内，从1985年起，几所知名大学及煤炭先后对矿井火灾状态进行19881989MTUIBM4341中型机IBMPC[22]FIRES过将火灾的实验研究数据与计算机相结合的方式，模拟出火灾时期序，并把结果直接显示在通风网络图上。1992C语言，设计中的流动状态程序[23]。1995SIMPLE算法和二方程模式的湍流模型，速度分布情况[24]MTUCFIRE软件，以改进用户界面及快速插入模拟计算等方面[25]。1989HZD系统，该矿井应急避灾路径模拟现、[28]在《Dijkstra算法在井下逃生培训系统中的应用》中，结合矿井实际需等人[29]，针对井下巷道平面网络的特殊性对Dijkstra算法进行改进，即通过限制、间；在《K则最优路径在矿井水害避灾中的应用研究》一文中，成韶辉等人[30]基于巷道并利用C#编程语言实现了最优路径的获取；等人[31]在《基于Dijkstra的煤矿井下N条避灾路线；等人[32]在《基于避险设施的火灾救援及避灾路线算法》中，利用VC#.net、SQLServer和地理信息系统构建了基于避险设施的矿井火灾应急救援系统，实现了火灾的实Dijkstra算法中引入避险效率的等价权因子，通过该算法求解最优路径宗元元[35]《面向矿井突水避险的双向搜索多最优路径算法中，矿井火灾应急救援研究现1986年通过了应急救援律修，并于1987年设立了紧急事务管，其中应急救援体系构建方面海波[36]《中国应急预案体系结构与功能一文中，，从预案演练展示向发现问题改变[39]《我国应急体系建设中的问题探讨与对策》研究内容、方法及技术路本通过对矿井火灾相关文献、基础理论知识的分析及整理，拟采用计算机技术采用FluentDijkstra算法作为适用于矿井环境的相对最优路径算法，并利用计算机编利用程序设计语言VisualBasic6.0及数据库SQLServer，建立与实际需求相符合1.1影因影因矿井火灾数值模最优路径分通行最优路径算避灾路径选取原现场调相关理论基文献分矿井火灾特散规烧特矿矿井火灾最优避灾路矿井火灾应急救援管理体矿井火灾应急救援信息系软SQL数据矿井火灾应急救援理结果分Dijkstra算1.1Fig.1.1MainTechnical矿井火灾燃烧及巷道变化规律研矿井火灾燃烧特矿井火灾燃烧过形式来传递热量，进而保证继续燃烧，整个燃烧过程中生成的挥发分会被全部消完[43。富氧燃烧对氧气的需求比较小，火势小，火势蔓延比较慢并且所涉及的范围比较小，这造成了氧气剩余；富燃烧，火源燃烧的过程中，一方面会产生具有挥发对其他的可燃物产生影响，导致其温度升高。另一方面，通过一定的方式加热可的氧气量较少。高温预混可燃气体一般可作为火源下风侧烟流，如果在旁侧中含足量的氧气，很容易发生新的火源，即为“跳蛙现象”[44。矿井巷道火灾特矿井烟气产生与性CO、CO2、SO2、氮的氧化物和硫化氢。致通风系统出现，所以巷道火灾的危害性更大。巷道火灾紊乱规律分巷道火灾紊乱现象分在矿井发生火灾时，在火灾和烟气的共同作用下，巷道内的流动方向和流量发生改变导致有害的烟气混入中最终导致事故的进一步发展加重人员伤亡，此现象为紊乱。紊乱的基本形式主要有两种，即烟流逆退和逆转[48]。顶部围岩的阻碍而在顶部，并沿巷道方向蔓延，烟流的方向与进风方向相反时被称度随着垂直距离的增加由大变小，当垂直距离处于状态时，流速降为零。高温火烟653 21153426风段e1e3、e6、e7地面排烟，653 21153426（a）上行 （b）下行图2.1主干风路逆Fig.2.1Trunkventilationairductbackfiowof气体也 着巷道上风侧灭火的救护队员，使其不得不中断灭作；其中高有害气体极有可能进入风巷，导致可燃物产生回燃及现象，使事故的影响及损的气压，导致局部通风系统受到影响，而改变巷道内的方向。如果矿井分支内的风流方向发生逆转，会导致有害气体进入进风巷，引起火灾的蔓延，与此同时，的逆转会对救灾人员带来更大的。在矿井火灾时期，常见的逆转风路有旁侧支路和旁侧支路的逆巷道上行通风主干风路发生火灾后，一般主干风路不会出现逆转的现象，原因是火风压的作用风向与机械通风作用的方向是相同的，并且在火风压的作用下，在端的风量也会增加。但在其旁侧支，会经受相反的作用，端的风量减少甚至会出现逆转的现象。2.361为进风节点，e4为角联分支。若面，如图2.2(a)。显然火源所在的风路e1，e3，e6，e7，为主干风路，而其余的风路e2，支路e4的逆转。如图2.2(b)，旁侧支路e4的逆转火烟将波及e2，e5，危害更为严重，在上行火灾时，这种形式的紊乱最易发生。6653421653421（a）正常情 （b）发生旁侧逆图2.2旁侧支路的逆Fig.2.2Branchbypass下行通风主干风路的逆内的方向会发生变化出现逆转现象容易造成已窒息的火区的回燃甚至引起。2.3e4e4，e2，e1流53 216动如图2.3（a。但是，火势的迅猛发展使得着火巷道回风侧e4，e3，e1产生大量的高温2.3（b，53 2166653421（a）正常情 （b）下行图2.3下行通风主干风路的逆Fig.2.4Trunkdownwardventilationairflow因此，如果想要使在火灾发生过程中维持一定的稳定性，就必须避免方向巷道火灾紊乱原因分巷道火灾发生时产生的高温烟流与巷道壁面存在对流和辐射换热，使巷道内的火灾烟流出现复杂的不稳定流动、传热和传质的现象，造成巷道紊乱。都会引起矿井的紊乱[43]。火风压的数学Z

hF

z2

g9.8ms2kgm3。②火风压形成的三个必要条件：密度变化差、重力场和垂直高差，三者火焰的局部阻烟流逆转临界风速分Danzier、KennedyHeseldenFroude数与实验数据推导Froude数来表征其运动状态：FgH g

2r2rFr

gQcc

0当Fr≤4.5，烟气逆流现象，同时考虑到坡度修正，即可得到Kennedy临界风 gQHvckgk 0cpATT

0cp

2

A 其中，vc为临界风速，m/s；cp空气的定压比热，J(molK；Qc对流换热量，kw0g重力加速度，ms2H为断面净高，m；TK；T是周围空气温度，gradekk=0.610巷道火灾烟流温度变化规1000具性、破坏性，会在一定程度上造成受困人员和救援人员的伤亡并对井下设备造成严重影响，因此研究巷道内火灾烟流温度的变化规律是十分重要的。能的损耗和质量的变化，建立最高温度的能量方程式为[2,48]：

Jmg

T

Jmg

exphULr

U p式中，T1—火区进风口的温度，KJLrmUmTaKm—的质量流量，KJsh—与巷道壁面的不稳定热传导系数，Wm2Kcp—的定压比热，KJKgKqr—单位长度、单位时间内进入的热量，KJms cpT11scpT2

式中，cp—定压比热，KJKgKT1、T2K；v1、v2ms；s—单位质量所吸收的热量，JKg。ssqL

式中，M—质量流量，KgsqJmsLm将其带入上式，在不考虑动能的影响下，确 温度增量为TTT

式中，T—流过火区的温度增加量，K

cpQJmsAm21—火区上风侧的密度，Kgm31本章小火灾规模呈正相关，同火区上侧速度、密度以及巷道截面面积呈负相关。基于Fluent的巷道火灾数值模拟研Fluent软件简Fluent是由Fluent公司于1983推出的CFD软件，是目前较为全面的流体计算软件。Fluent软件采用有限容积法，可选择一阶迎风、二阶迎风、中心差分、幂指数以QUICK等格式。Fluent是用C语言写的，具有很大的灵活性与能力，使用/Server结构，具有可以通过交互界面菜单界面来完成用户界面是用Scheme语言及LISPdialect写成的。Fluent可模拟流体流动、化学反应、传热传质和其他复杂物理现象，适用于各个领数值方法以及强大的处理功能。作为设计工具，Fluent在水利工程、土木工程、环境工Fluent3.1数数值模拟步前置处理it模拟软建立几何模导入并检网格文输出文件计算求初始化流设置边界条设置材料属输出网格文指定边界类及数学模划分网3.1FluentFig.3.1Solvingstepsof火灾模拟的数学模型分基本守方

i式中ii

量变化率与该流体在该段时间内受到力的总和相等。按照这一定律，可导出x、y和z三udivuˆdiv(gradu)-p

vdivvˆdiv(gradv)-

wdivwˆdiv(gradw)-p

p是流体微元体上的压力，guad()()

，S

TTdivTˆdiv(kgradT)T

cp是比热容，Tk

性作用流体机械能转换为热能的部分，有时简称

各组分遵守组分质量守恒定律表示在一个特定的系统内，多种化学组分式中，cs为组分s的体积浓度，cs为该组分的质量浓度，DsSs湍流模并用雷诺数（Reyllolds）来判定流体的流动状态，计算为：ReUL。当雷诺2300400023004000之间流体处于不稳定时期。研究表明：湍流是一种随机的、非定常三维有10001300之间。针对流体湍流状态的模拟，Fluent数值模拟软件中包含了很多湍流数学计算模型，3.2Fig.3.2Turbulencemathematicalmodeluuuiuj2

ukk

3ki t3k

xi

t

式中：t为涡粘系数；ui、uj为时均速度；ij为克罗内尔数；k为紊流动能。涡粘系数t由三个方程模型：零方程模型、一方程模型、两方程模型确定[55]。对比涡粘模型中的三种模型：标准k模型RNGk模型。标准k模型是通RNGk模型在很大程度上解决了这些问题，考虑了湍流漩涡，通过在方程中加一个条件，RNGk(k)(uik)

k

GY

x

keffx

j j(

(u

(GCG)C

R

x

effx 1

3

式中：C1=1.42，C2=1.68；和k是扩散方程和湍流动能方程的湍流数，S和组分输送及化学反应（燃烧）模火灾烟气是巷道火灾模拟的重要组成部分。Fluent5种模拟烟气变3.1。3.1组分输送及化学反应（燃烧）Table.3.1Transmissioncomponentsandchemicalreaction(burning)model巷道火灾数值模拟研物理模型的建输送模型处理，启用湍流模型、P1辐射模型，模拟火灾燃烧过程。设水平单巷道截面为半圆拱，巷道高为3m，宽为3m，巷道长度为80m。发火点位于距巷道20m处底部中点，火焰设定为半径为1m的圆形区域。简化后的几何3.3、3.4所示。3.3Fig.3.3Transverseprofileofroadway网格参

3.4Fig.3.43dmodelof巷道物理模型的建模和网格的划分置处理器Gambit中完成，由于巷道区域与行局部，细化火源微小区域，对梯度变化较小的巷道区域采用结构化网格（六面体网格）以达到计算精确性。网格总数为。如图.5、3.6所示：3.5Fig.3.5Meshingfor3.6Fig.3.6Meshingpartialencryptionfortunnel初始边界条件设1）边界条，速度分别设为1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s，温度为300K，物质为空气，表压力为0，考虑重力影响，加速度值取-9.81m/s2。由于巷道发生火灾时会出现紊2320，因此模拟时选用湍流模型。基于上文对湍流模FluentRNGk模型。处湍流参数计算如下：，k

1CDkin20.03,CD

00.03m2.5W/m2K。0C

nK

巷道火灾具有非常复杂的化学反应过程，基于本主要研究烟流在巷道中的扩散处理为水力直径lm的恒定高温烟流，污染混合物成分为CO、CO2、HCL，火源温1000K。巷道火灾模拟结果分c火源热释放率和火灾规模满足u1.97Q1558]20MWc巷道模型高度为3m，环境密度为1.2巷道面积为12.14m2，定压比热容为1010J/(kg·K)，坡度因子为1，水力高度为3m，环境温度为298K，火源无量纲为0.133，根据第二章临界风速计算得出临界风速为1.968m/s。Fluent90s内温度、速度、污染物浓度的分布及变化情况，并从横向和纵向分析对比模 3.71.0m/s时，10sFig.3.7Roadwaywindspeedis1.0m/s,velocityconditionsoftunnelafter10图3.7为风速为1.0m/s，纵断面X=0处火灾发生10s内的速度变化情况，由图可看出，火灾发生1s后，火区下风侧速度开始增大，火源中心最快速度达到10m/s，火源上风侧速度变化不明显。随着时间推移，火源对流经过高温区域时，受到高温烟流做功影响，火区上风侧速度逐渐开始增大，火区下风侧沿巷道顶板方向移动，且在接近顶板时风速达到最大，在其下方风速受高温 3.81.5m/s时，10sFig.3.8Roadwaywindspeedis1.5m/s,velocityconditionsoftunnelafter10图3.8为风速为1.5m/s，纵断面X=0处火灾发生10s内的速度变化情况，由图可看3s6m/s，火区下风侧风速微小增加，在2.0m/s~3.0m/s之间5s10s内，火源中心最高温度增大到9.6m/s，下风侧速度开始 3.92.0m/s时，10sFig.3.9Roadwaywindspeedis2.0m/s,velocityconditionsoftunnelafter103.9为风速为2.0m/s纵断面X=0处火灾发生10s内的速度变化情况由图可知， 3.101.0m/s时，10sFig.3.10Roadwaywindspeedis1.0m/s,temperatureconditionsoftunnelafter10如上图3.10所示，由风速1.0m/s，巷道10s内温度云图可知，火源中心在1s时达到3s时到达巷道顶板3m处，且鉴于速度较小，导致烟流在火区上风侧和下风侧 3.111.5m/s时，10sFig.3.11Roadwaywindspeedis1.5m/s,temperatureconditionsoftunnelafter101.5m/s，10s3.1高温度点开始向火区下侧移动，火焰沿顶板向火源两侧偏移，且方向温度变化梯度较大，温度在整个巷道内呈现分层现象，从顶板到底面温度逐渐降低，接近顶板处的温700量传递给巷道壁，此时巷道内烟流温度降低。 3.122.0m/s时，10sFig.3.12Roadwaywindspeedis2.0m/s,temperatureconditionsoftunnelafter10如图3.12所示，根据风速2.0m/s，巷道10s内温度变化云图可得，火源在此风速的作用下最高温度区域较小，且沿着方向偏离原始发火位置。在10s时烟气回流现象不明显，基本随方向移动，火源下侧烟区温度有所下降，因此可推断出当通风速度 3.131.0m/s时，10sFig.3.13Roadwaywindspeedis1.0m/s,pollutantsconcentrationconditionsoftunnelafter103.131.0m/s10sCOHCLCO2是烟气中的主要成分，通过污染物浓度分布情况可以反映出烟气在巷道中的扩散规 3.141.5m/s时，10sFig.3.14Roadwaywindspeedis1.5m/s,pollutantsconcentrationconditionsoftunnelafter10由上图3.14可知，风速为1.5m/s时，巷道火灾发生10s内，烟气沿顶板扩散，火灾10s时出现分层。 3.152.0m/s时，10sFig.3.15Roadwaywindspeedis2.0m/s,pollutantsconcentrationconditionsoftunnelafter10图3.15为风速2.0m/s，火灾发生10s内的污染物浓度变化情况，由图可知，烟气在风速的作用下基本沿顶板向方向偏移，并在10s时污染物浓度有明显降低。 3.16不同巷道风速，30sFig.3.16Differentwindspeedofroadway,velocityconditionsoftunnelcenterafter30 3.17不同巷道风速，60sFig.3.17Differentwindspeedofroadway,velocityconditionsoftunnelcenterafter60 3.18不同巷道风速，90sFig.3.18Differentwindspeedofroadway,velocityconditionsoftunnelcenterafter90当巷道风速分别取1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s，纵向断面X=0T=30s、T=60s、T=90s及火区下风侧，巷道上部风速的增加。当速度为1.0m/s，T=30s时火区下风侧沿巷道顶板方向出现一段高速区速度达到5.5m/s当速度为1.0m/sT=60s时，区域最高速度在4.5m/s左右；当速度为1.0m/s，T=90s，火区上风侧高速区的风速增加到5.0m/s，火区下风侧高速区的风速降低至4m/s，但随着巷道处风速的增大，巷道整体速度呈现递减趋势，高速区的速度都有所减小，同时火源中心位置处 3.19不同巷道风速，30sFig.3.19Differentwindspeedofroadway,temperatureconditionsoftunnelcenterafter30 3.20不同巷道风速，60sFig.3.20Differentwindspeedofroadway,temperatureconditionsoftunnelcenterafter60 3.21不同巷道风速，90sFig.3.21Differentwindspeedofroadway,temperatureconditionsoftunnelcenterafter903.19、3.20、3.2130s时，烟气主要存在700KT=90s500K左右。对比三个不同速度，当1.0m/s20m1.5m/s时，当风速取2.0m/s时，烟流回流现象明显减弱，烟气基本沿方向向火区下风侧扩散。因此，可得出当巷道通风速度增大时，烟气回流现象减轻，若速度继续增大到一定水平“T”型巷道火灾模进风巷长度为50m，回风巷长度为50m，独头巷长度为50m。发火点位于距巷道入口25m处底部中心，火焰面积设定为水利直径为1m的恒定高温烟气。简化后的几何模3.22、3.23所示。3.22Fig.3.22Transverseprofileofroadway3.23Fig.3.233dmodelof 。如图.24、3.25。3.24Fig.3.24Meshingfor3.25Fig.3.25LocalrefinementgridofT=30s，T=60s，T=120s时速度、温度和污染物的分布情况。3.26T=30s,Y=1.5Fig.3.26Velocitydistributionin3.28T=30s,Y=1.5Fig.3.28TemperatureVelocitydistributionin

3.27T=30s,X=0Fig.3.27Velocitydistributionin3.30T=30s,Y=1.5Fig.3.30Pollutantsconcentrationin 3.29T=30s,X=0Fig.3.29TemperatureVelocitydistributionin

3.31T=30s,X=0况Fig.3.31Pollutantsconcentrationin30s，5处速度分布图、温度分布图、污染物浓3.26-3.31着巷道的延伸呈现规律性逐渐递增趋势，且从巷道顶板到巷道底面越来越大，并在巷道5.46m/060m~80m1670K960K30s域，且浓度在此区域呈现由逐渐递增到逐渐递减的趋势，有明显的分层现象，即巷道上1m1.35%。3.32T=60s,Y=1.5Fig.3.32Velocitydistributionin

3.34T=60s,Y=1.5Fig.3.34TemperatureVelocitydistributionin3.33T=60s,X=0Fig.3.33Velocitydistributionin3.36T=60s,Y=1.5处污染物浓度分布情况Fig.3.36Pollutantsconcentrationin

3.35T=60s,X=0Fig.3.35TemperatureVelocitydistributioninT=60s,X=03.37T=60s,X=0Fig.3.37Pollutantsconcentrationin60s，5处速度分布图、温度分布图、污染物浓度分布图如上图3.32-3.37所示由图可以看出此刻巷道内速度沿着方向逐递增，在出口处速度达到最大，但与30s时巷道内速度相比，整体风速变化范围6.29m/s图可以看出，中心处速度要高于接近壁面处速度，且越接近巷道出口中心处速度越高。独头巷道区域内风速为0。随着时间的推移，高温区域扩大，其影响范围沿方向向60m150-1630K之间。由温度横截面图可以看出，在巷道“366-432K污染范围也有所扩大，在巷道出口处靠近地面位置污染物浓度达到最大，且浓度范围在1%~1.26之间。 3.38T=120s,Y=1.5Fig.3.38Velocitydistributionin3.40T=120s,Y=1.5处温度分布情况Fig.3.40TemperatureVelocitydistributionin3.42T=120s,Y=1.5处污染物浓度分布情Fig.3.42Pollutantsconcentrationin

3.39T=120s,X=0Fig.3.39Velocitydistributionin3.41T=120s,X=0Fig.3.41TemperatureVelocitydistributionin3.43T=120s,X=0Fig.3.43PollutantsconcentrationinT=120sX=0，Y=1.5处速度分布图、温度分布图、污染物浓度分布图如3.38-3.4360s时有所减小，高速6.3m/s左右。“T60s时巷道温度变化情况相差不大，最高温度保持在1500K-1630K之间，但从横向切面图上可以看出，巷道“T”形连1.24%。本章小90s内风速、温度以及污染物浓度的分布情况，从纵向和横向分析对比火源随时间的变化规律以及烟流扩散特点；同时还建立了水平“T”型巷道物理模型，模拟风速1.5m/sT=30sT=60s，T=120s时的发展变化过程。巷道火灾的数值模矿井火灾时期应急避灾最优路径选矿井火灾应急避灾路径选择原应急避灾路线的可通温度作为影响巷道可通行的关键条件，可以以“军事化矿山救护队战斗行动准则”第802min；9mi5mi℃5mi[]根据上述规定，得到允许通行时间和巷道温度的曲线方程为：式中t

=601.85e0

t

1.812e0

人员逃生及巷道通行影响因巷道通行难易度影响系易度影响系数i：井下受灾区域人员密度系数巷道截面宽度与高度影响系数巷道中物个数对通过难易程度影响系数巷道火灾烟气浓度影响系数温度对通行影响的难易度系数风速对通行影响的难易度系数泥泞程度对通行影响的难易度系数巷道坡度对通行影响的难易度系数计算出各巷道在影响因素下所对应的通行难易度影响系数i(Eij)[61]：

)T(Eij)t(Eij

t(Eij式中：T(EijEij所用时间；t(Eij在无该因素影响下通过巷Eij所用时间。计算巷道当量长Eij的实际长度为l(EijEij所对应通行难易度影响系数为i(EijEij的当nLEijl(Eij)i(Eijn

矿井火灾逃生安全地点的选出全部的4.14.1Table.4.1Passageoftunnelfire前后存在尚可通行的巷没有可通行的巷下的紧急避险设备一方面尽快杜绝外来的高温烟气有害的气体另一方面，最优路径的计算和选最优路径算法简DijkstraDijkstra的。该算法可以求出给定的赋权有向图G(VE,W)中任意两点间具有最小权的路径。s号设为pjlj)其中正整数pj是从起点s到点j的目前最短路径中j点的前一点，lj是从起点sj的最短路权（P标号）或最短路权的上界（T标号。Pj表示从起点s到点j最短路权的固定标号，Tj表示从起点sj最短路权上界的临时标号，Si表示在第iPs到有向图中其它各点的最短路径算法的基（1）初始化。令SiS0s

ps为空，P(sls0；所有其他点设置为Tjlj,pjskskP

k,

EjSijkj的距离，若TjP(klkj，则令TjP(klkj,pjk。式中，lkj是从点k到j的直接连接距离（权重。标记下一个点。从所有未标记的节点中，选取T(j)T(tminTj)。t点就是被选为要标记的点，如果T(t，则把点t的T标号，即令T(tP(t，同时令Si1SiUt，对k找出点的tt的点t*ptt*如果所有的点都己标记，即SiV，此时ljPj，则算法结束；否则，跳转DijkstraDijkstra执行，不断重复此步骤直至搜索完图中的所有顶点。可以看出Dijkstra算法的执行效率路径图，则Dijkstra算法的执行效率就会相对较低。由于路径图中的每个顶点都需要被Dijkstra算法最大的弊端。具有盲目性及缺乏针对性，工作量大大减少。A*算法用表示为f(n)g(n)h(n)，其中f(n)是从初始点经由节点n到目标点的估价函数g(n)是在状态空间中从初始节点到n节点的实际代价，h(n是从nFloydFloyd算法是一种用于寻找给定的图中多源点之间最短路径的算法，其求得的FloydFloyd算法的基本原理如下[64-设n阶邻接矩阵Dd(i,j)，d(i,j代表两个节点之间的距离i和j不直接相连，则d(i,j)=，同时规定d(i,j)0。由于最优路径必定会经过n个节点当中的部分点，因此该算法的思想是依次从这n个节点中选择节点k假定最优路径经过节点k则比d(ijd(ikd(kj)的大小（d(ik)d(k,j)是已经求得的最优路径，若d(ijd(ikd(kj，则保持d(i,j)的值不变，继续搜索下一个节点，若d(ijd(ikd(kj，则将d(i,j)d(ikd(k,j，并记载最优路径上的点k，继续考,Floyd算法只可用于任路径排序不合实际，演变进程中可出现不合法通过模拟自然界蚂蚁通过无意识寻优行为来优化其生存状态以适应生存环境需要[66]。，物蚁群中的通信和协调依靠一种叫做信息素（Pheromone）的化学物质来进行蚂蚁，矿井火灾最优路径算法与数学模结合上述对各种最优路径算法优缺点的分析，以及矿井火灾的实际情况，选择DijkstraGwnwnwLw

GwLwLw

NLinw,nk,nwlw

NLi为通路Li的始点lw为火灾分支nk为lw的始节点nw为lw的末节点Dijkstra算法对有向图的假设GNL,W，NL表示分支示：GsGNiNj范围GsNjLsLsLs

NLinw,nw,nsls,nsNj,NjGs

LsD(Li

D(Li)D(Li1)...D(Ln),LiLs

Lmins

DminsD(Li),LiLs

DijkstraNi和安全区域内指定NjLs；D(LinwNsnwNs所有线路的当量长度；求解第一条最短路径L1，检查路段当量长度是否标记为无穷，如果标记，说明LsLi条路，将原路径网络GNL,W变为Gi，求取GiNiNjLsLsLsNs中的某点使nwNs加和当量长度为8NiNj本章小算法，A*算法，Floyd算法，生物仿生算法，分析对比它们存在的利弊，最后基于矿井Dijkstra法作为实现矿井火灾避灾路矿井火灾应急救援信息系统开发研矿井火灾应急救援体“5.1所示。应应急保法律机运行机组织机矿井火灾应急救援体规规标法条应应急救援实5.1Fig.5.1Rescuesystemoftheminefire顺利开展的重要依据。主要的构成包括机关通过的法律条例《安全生产矿井火灾应急救援预煤矿火灾应急救援预矿井地矿概从业人火灾事故类事故类型和害程度分危害程度分火灾应急置基本原矿组织机及职应急织体预防信息矿井地矿概从业人火灾事故类事故类型和害程度分危害程度分火灾应急置基本原矿组织机及职应急织体预防信息告程响应分应急响 响应程信息公处置措后期处应急资保 备保应急附 备保通风系统安 监测装备避灾路线行5.2Fig.5.2Prencontentoftheminefireemergency煤矿火灾处置基本原则及措及时对事故外逸的有害物质和可能影响火灾救援行动的物质予以清除排现场，消除隐患，防止次生事故的发生对人员的危害和对井下环境的污染；原因，发展经过以及事故性质，确定火灾等级，查明人员伤亡情况。煤矿火灾应急救援组织机构及职5.3应急应急救援组织机应急救现场应急救援指挥应急救援支持与保5.3Fig.5.3Organizationsofemergency表5.1应急救援职、Table.5.1Responsibilityofemergencyrescue、案是否启动制定营救人员和处理事故的计总工程师、安监处挥营救人员和处理事故的计划，完成应急救援动救护大队救、、

面指挥救护队和辅助救护队，根据人员营救和处理事故计划规定的任务，完成对灾区遇难人员的援救和事警 后 负责事故发生后的人员疏散 和维持秩序等工善后处理

负责伤亡人员家属安抚 、理通风 通风 安全撤退 生产调度指挥中心

生产调度指挥中心

医疗救护 后 负责对受伤人员的医疗救

后勤保障中

安全督导 煤矿火灾应急救援响应程

负 核实事故性质、原因，追查事故责任 5.4所示。故信息后及时将情况汇报给值班值班对灾情进行估测初步确定响应级别1人（含）以上轻伤的事故。Ⅱ级响应：造成1～2人重伤或的事故。警戒5.4Fig.5.4Emergencyresponseproceduresofmine5.4.1）为例，建立该矿火灾应急救援预案。④尽量防止向发火地点进行氧气的供应，可以采用均压等⑥对火区撤除时，必须注意避免火灾复燃CO m水平东A9煤层掘进面→石门→ m水平车场→混合提升斜迎头→7305顺槽→七采回风集中巷→七采回风联络巷→1307运顺联络巷→北1#联络巷→北翼一部机道→副井→地面东A6煤层采煤工作面→ m水平东A6煤层巷→石门→1915m水平车1303运顺巷→十采轨道集中巷→十采底车场→南翼轨道大巷→-430矿井火灾应急救援系统设计应急救援系统设计目VisualBasic6.0开发速度快，能很好的与其他应用程序进行信息传递的特点，选择VB6.0作为前台开发工具，通过SQLServer建立能稳定，CPU3G以上，拥有较大内存及硬盘容量，以防止数据的丢失。1.4G128M20G以上，最好具有SQLServer2000windows2000IE6.0以/（C/S模型一是实现避灾路径的巷道信息；二是利用ADO技术，通过数据库应急救援相VisualBasic6.0实现系统的应急救援管理，为软件工程提供了一种高效的、可的系统输查输查矿井火灾应急救援信息系界面VisualBasic6.0平

中间数查数查SQLServer数5.5Fig.5.5Structurediagramof5.5所示。应急资应急资源信息火灾隐患管火灾预案录预案管预案文件管矿井火灾预辅助单位信应急成事故现场副指组织机全体人员职总指挥信息应急预案自动生模拟演应急响应程序上应急任务分避灾路径生避灾路避灾路径优软上点系统帮组系统帮组合查培训教Fig.5.6Chartofsystemfunction路径，同时以矿图形式清晰的呈现出根据应急救援预案而制定的避灾路径以及通过Dijkstra用于功能运行过程中产生的数据。系统数据库设计的关键问题在于找到合理有效其数据则使用数据库管理系统SQLServer来管理其部分数据内容见下表5.25.3、5.2Table.5.2DataattributesofthesystemofNot5.3Table.5.3InformationdataofNot5.4Table.5.4nelresponsibilitiesofemergencyNot5.5Table.5.5TableofemergencyNot5.6Table.5.6TableoftheemergencyresponseNotNot管理层人员可凭进入该系统进行操作控制管理普通用户只能查询和浏览相关信息，5.7。5.7Fig.5.7LogininterfaceoftheSever数据库引擎启动数据库数据源，部分代码如下：<li<li<ul<li><spanclass="left">用户名：</span<span<selectname="user"id="Text1"size="1"style="width:100px;<%get_user_options0<li><spanclass="left"></spanspan<INPUTclass="textBox"id="pwdtype="password"size="20"name="pwd">if(check($("#user"),"用户名不得为空"))returnif(check($("#pwd"),"不得为空"))returnfalse;return本系统通过VB编程技术和SQLServer数据库来系统实现系统各个功能模块，在系5.8VB编程页面来实现的，其中主要代码如下：DimmAsNewMathHelper\'somerotationandcalculationfunctionsDimlAsNewLineController\'thelineofviewhelperDimvAsNewVelocityController\'movementDimbCountAsBoolean\'flag,usedforthetimerdelay

\'calculatetheanglebetweenstartandendVal(Text3.Text),Val(Text4.Text)))\'calculatetheanglebetween2MsgBox"Distance:"&Format(d),,"Distancebetween2Points"printf("s:%d",for(i=1;i<VertexNum;if(Distance[i]==X)printf("*");elseprintf("%3d",Distance[i]);PrivateFunctionDrawLine(x1AsLong,y1AsLong,x2AsLong,y2AsLong)As\'drawsadiretlinefromx1,y1tox2,y2andreturnsfalse,iftheline\'throughwalls.Thelineispaintedredon是D是D(Li是否为否计算Ls中各当D(Li)NjGD(Li)i iss5.8Fig.5.8Theflowchartofsolvingtheemergencydisasteroftheoptimal矿井火灾应急救援系统功能与应井。2016年计划产量80万t，计划总进尺5000m，无开拓进尺；采煤工作面主要集中在70t3400m；采煤工作面主要集中在、、采区等地330、230采区等地点。201870t，计划总进1700m；采煤工作面主要集中在、、采区等地点，掘进工作面主要集中在730采区。，类型为复杂型，矿井属于瓦斯矿井，瓦斯绝对涌出量5.61m3/min、相对涌出量2.74m3/t，CO2绝对涌出量3.74m3/min、相对涌出量1.83m3/t，存在发生瓦斯的性；3煤层自然发火期为3-6个月，最短发火期31天，属Ⅱ类自燃煤层。矿井主提升系统为立井提升，提升任务重，主系统采用DT-100系列胶带输送机系统存在战线长、，5.9Fig.5.9Maininterfaceofthe灾隐患管理和应急资源的信息库。点击矿井火灾预案，就会出现下图框，在列表中word”按钮5.10所示。5.10Fig.5.10Interfaceoftheminefire5.11、5.12：5.11Fig.5.11Interfaceofminefirenfile5.12Fig.5.12Interfaceofuploadminefireemergency火灾预案录入栏主要是对矿井火灾动态、处理办法和预案进行及时更新，使人5.13：5.13Fig.5.13Interfaceofentringminefire用户处理火灾事故时，能找到相应，提高事故处理效率。对于该模块，管理员可5.14、5.15所示。5.14Fig.5.14Interfaceofchiefinformationof5.15Fig.5.15Interfaceofemployee的部分，主要将最优路径算法与VB技术相结合，通过简单操作，计算出最优化基于葛亭煤矿实际巷道参数及第四章巷道当量长度计算，可以得到各个巷道5.75.7Table.5.7Equivalentlengthof巷道名 巷 当代 长回风 集中大 回风平 回风 6

区段平 2 联络 回风 联络

25.7巷道当量长度（续Table.5.7Equivalentlengthofroadway 巷道名 巷 当代 长

代 长

巷道名 巷 当代 长辅运大辅运大 轨道上 中 辅运大 轨道上 区 辅运大 轨道上 区 总回风 联络斜 区 总回风 工作 联络 总回风 回风大 避难硐 总回风 联络 本文以葛亭煤矿工作面（53）5.165.16Fig.5.16Ventilationnetworkgraphof在避灾路径优选功能中，调运计算路径，通过导入信息按钮可以对巷道相关信5.17-5.21Fig.5.17Interfaceofimporting5.18Fig.5.18Interfaceofcalculatingtheoptimal5.19Fig.5.19Interfaceofentringroadway5.20Fig.5.20Interfaceofcalculatingequivalent5.21Fig.5.21Interfaceofpathoptimizationtoavoid避灾路径生成主要实现了在矿井地图上清晰呈现避灾路径的功能。该模块利用影响因素发生改变，而一般路径已避灾要求时，通过上述避灾路径优选而确定5.23。5.22Fig.5.22Interfaceofpathgenerationofemergencydisaster5.23Fig.5.23Interfaceofemergencydisaster5.24所示。5.24Fig.5.24Interfaceofemergencytask培训教育模块主要包括点播、、上传、培训资料上传和培训故发生时能对事故进行紧急处理的目的，而点播是一种更为形象、直观的培训教育5.25所示。图5.25点播界Fig.5.25Interfaceof援方案，同时，还可以实现会议，为煤矿安全管理工作提供方便。界面如5.26所示。图5.26界Fig.5.26Interfaceoflive本章小本章分析了矿井火灾应急救援管理体系，并以