礦井重大災(zāi)害動(dòng)態(tài)機(jī)理與救援技術(shù)信息支持系統(tǒng)研究.pdf

1、礦井重大災(zāi)害(水災(zāi)、火災(zāi)、爆炸)后果嚴(yán)重，災(zāi)變信息的匱乏對(duì)救災(zāi)產(chǎn)生致命影響，本文以災(zāi)變信息為研究對(duì)象，運(yùn)用爆炸學(xué)理論、水災(zāi)災(zāi)變理論、傳熱學(xué)和礦井通風(fēng)學(xué)理論，對(duì)礦井重大災(zāi)害動(dòng)態(tài)機(jī)理與災(zāi)害救援技術(shù)信息支持系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。論文主要內(nèi)容包括：全礦范圍內(nèi)沖擊波超壓計(jì)算的微段迭代理論，基于火源增溫與風(fēng)網(wǎng)解算迭代的整體煙流動(dòng)態(tài)模擬理論，建立于節(jié)點(diǎn)容量、水位割集概念之上的突水水位與巷道被淹范圍的計(jì)算理論，數(shù)字礦井制作維護(hù)與信息集成技術(shù)理論，礦井重大

2、災(zāi)害動(dòng)態(tài)模擬顯示技術(shù)理論。 論文根據(jù)CAD基本圖元數(shù)據(jù)模型的構(gòu)造、屬性與運(yùn)算算法，提出了三維數(shù)字礦井巷道實(shí)體的制作模型。根據(jù)三維巷道實(shí)體所需巷道斷面形狀(矩形、梯形和拱形)、斷面大小(巷高和巷寬)、巷道長(zhǎng)度和巷道方位(包括巷道水平角和巷道垂直角)等參數(shù)，通過(guò)參數(shù)化編程，對(duì)話(huà)框錄入?yún)?shù)，程序自動(dòng)完成三維巷道實(shí)體的制作，所制巷道實(shí)體可嚴(yán)格按照實(shí)際巷道形狀和空間姿態(tài)，具有真三維按比例、可任意視角觀看、任意比例出圖、色彩豐富真實(shí)感強(qiáng)、制

3、圖容易修改方便等特點(diǎn)。利用三維巷道實(shí)體制作技術(shù)，可快速完成真三維數(shù)字礦井通風(fēng)系統(tǒng)的制作，適于現(xiàn)場(chǎng)普通工程技術(shù)人員掌握使用。 通過(guò)對(duì)三維巷道實(shí)體與巷道信息的一體化處理，使可視化礦井中的各類(lèi)巷道均可攜帶所需信息，亦可與各類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可實(shí)現(xiàn)井下測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛鹊膭?dòng)態(tài)顯示，具有信息與巷道集成一體、所帶參數(shù)可隱可顯、巷道信息點(diǎn)之即來(lái)等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)數(shù)字礦井通風(fēng)系統(tǒng)的信息提取與巷道坐標(biāo)信息的提取，根據(jù)礦井巷道三維實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系，實(shí)現(xiàn)通

4、風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)生成與管理。通過(guò)不同傳播環(huán)境下瓦斯(煤塵)爆炸沖擊波超壓計(jì)算，獲得獨(dú)頭巷道與貫通巷道爆炸沖擊波超壓傳播規(guī)律，使用巷道分岔超壓衰減系數(shù)，獲得經(jīng)過(guò)不同角度的分岔巷道后沖擊波超壓的剩余量，根據(jù)沖擊波超壓、爆炸氣體體積(傳播范圍)、沖擊波傳播速度三者的依賴(lài)關(guān)系，采用微段定值迭代法，將微小時(shí)間段內(nèi)沖擊波的傳播速度視為定值，計(jì)算微小時(shí)間段內(nèi)沖擊波的傳播距離，及微小時(shí)間段末爆炸氣體體積，從而計(jì)算出微小時(shí)間段末爆炸沖擊波超壓，然后根據(jù)超壓計(jì)

5、算微段末沖擊波的傳播速度，并作為下一微段的始沖擊波傳播速度，繼續(xù)計(jì)算下一微段末沖擊波超壓，最終完成沿途沖擊波超壓的分布計(jì)算。只要時(shí)間微段足夠小，便能夠保證計(jì)算精度。 根據(jù)瓦斯煤塵爆炸沖擊波對(duì)人體傷害的嚴(yán)重程度和對(duì)井下通風(fēng)構(gòu)筑物的破壞程度，將井下災(zāi)區(qū)分為死亡區(qū)、重傷區(qū)(45.5cm的磚墻破壞)和輕傷區(qū)(風(fēng)門(mén)、風(fēng)橋、臨時(shí)密閉失效)，并對(duì)三區(qū)邊界的爆炸沖擊波超壓極限進(jìn)行了取值，為人員傷亡區(qū)的實(shí)際計(jì)算提供了依據(jù)。 根據(jù)爆炸后礦井

6、通風(fēng)構(gòu)筑物的損壞范圍，確定失效通風(fēng)構(gòu)筑物位置，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)解算，獲得瓦斯煤塵爆炸后有害氣體滯留區(qū)，根據(jù)瓦斯煤塵爆炸后井下的分區(qū)(有害氣體滯留區(qū)、有害氣體侵襲區(qū)和正常風(fēng)流區(qū))情況，按避災(zāi)人員的位置，通過(guò)不同區(qū)域避災(zāi)路線(xiàn)的計(jì)算，獲得以地面井口為目標(biāo)的最佳避災(zāi)路線(xiàn)。使用增加輔助節(jié)點(diǎn)的方法，將數(shù)字礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的巷道分成若干直線(xiàn)段，使用“巷道節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與風(fēng)速錄入系統(tǒng)”，將所增加的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)編號(hào)錄入系統(tǒng)，根據(jù)新增輔助節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)的關(guān)系及其在風(fēng)網(wǎng)中的

7、位置，形成與數(shù)字礦井通風(fēng)系統(tǒng)具有相同拓?fù)潢P(guān)系，且具有節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)能夠較容易地找到數(shù)字礦井中與之對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)與節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，為礦井風(fēng)流的動(dòng)態(tài)模擬顯示奠定了基礎(chǔ)，成為動(dòng)態(tài)模擬顯示災(zāi)變過(guò)程與避災(zāi)路線(xiàn)的輔助系統(tǒng)。 根據(jù)木板(材)的燃點(diǎn)200℃～290℃，選取200℃為作為木質(zhì)通風(fēng)構(gòu)筑物耐受高溫?zé)熈鞯呐R界值，參照通風(fēng)構(gòu)筑物的耐火極限時(shí)間，根據(jù)煙流溫度計(jì)算，給出火災(zāi)時(shí)煙流溫度大于臨界值的范圍，根據(jù)火災(zāi)持續(xù)時(shí)間，判定高溫區(qū)木

8、質(zhì)通風(fēng)構(gòu)筑物失效，同時(shí)更新風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。 對(duì)井下不同巷道，采用不同的不穩(wěn)定傳熱系數(shù)，根據(jù)煙流進(jìn)入巷道的初始溫度計(jì)算巷道中煙流溫度的分布和各段巷道的火風(fēng)壓，從常溫開(kāi)始逐步提高火源溫度，重復(fù)進(jìn)行火源增溫、火風(fēng)壓計(jì)算與風(fēng)網(wǎng)解算的迭代循環(huán)，獲得不斷變化的礦井風(fēng)量分布，當(dāng)高溫?zé)熈?溫度大于木質(zhì)通風(fēng)構(gòu)筑物耐受的臨界溫度)區(qū)持續(xù)時(shí)間等于通風(fēng)構(gòu)筑物的耐火極限時(shí)間時(shí)，報(bào)廢高溫區(qū)的木質(zhì)通風(fēng)構(gòu)筑物，更新風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，繼續(xù)火源增溫與風(fēng)網(wǎng)解算的循環(huán)，直到火源溫度

9、達(dá)到預(yù)定值。從而完成煙流隨時(shí)空變化的動(dòng)態(tài)模擬，利用可視化技術(shù)將煙流動(dòng)態(tài)變化反映在數(shù)字礦井上，形成火災(zāi)時(shí)期巷道煙流侵襲范圍的動(dòng)態(tài)模擬顯示系統(tǒng)，為礦井火災(zāi)救災(zāi)提供信息支持。根據(jù)礦井火災(zāi)特點(diǎn)，將礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分成兩個(gè)子網(wǎng)：煙區(qū)子網(wǎng)和無(wú)煙區(qū)子網(wǎng)，根據(jù)兩子網(wǎng)的邊界節(jié)點(diǎn)，計(jì)算煙區(qū)內(nèi)避災(zāi)路線(xiàn)和煙區(qū)外避災(zāi)路線(xiàn)，獲得井下任意位置最佳火災(zāi)避災(zāi)路線(xiàn)。 利用可視化三維數(shù)字礦井通風(fēng)系統(tǒng)，通過(guò)礦井巷道可視化輔助系統(tǒng)，獲得巷道坐標(biāo)、巷道名稱(chēng)、風(fēng)速和風(fēng)流方向等參

10、數(shù)，根據(jù)礦井火災(zāi)的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)結(jié)果，通過(guò)火源點(diǎn)的識(shí)別與標(biāo)注，利用最短路計(jì)算程序，計(jì)算從火源點(diǎn)到各回風(fēng)節(jié)點(diǎn)間的最短時(shí)間，以確定該節(jié)點(diǎn)后各巷道分支中模擬煙流的啟動(dòng)時(shí)間，模擬煙流速度可以按煙流的真實(shí)速度，也可以設(shè)置顯示倍數(shù)，以加快模擬煙流的流動(dòng)，減少等待時(shí)間，根據(jù)巷道長(zhǎng)度、風(fēng)速、顯示倍數(shù)，計(jì)算模擬煙流每流動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)所需時(shí)間，根據(jù)各巷道煙流塊的坐標(biāo)按到達(dá)時(shí)間顯示于數(shù)字礦井之上，形成火災(zāi)災(zāi)變過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬顯示。 為便于突水范圍與突水水位的

11、計(jì)算，運(yùn)用增加節(jié)點(diǎn)的方法重構(gòu)巷道連通圖，將有上下起伏的巷道分成若干直線(xiàn)段，按連通關(guān)系將與目前巷道系統(tǒng)有水力聯(lián)系的采空區(qū)和廢棄巷道加入巷道系統(tǒng)，根據(jù)各巷道段實(shí)際標(biāo)高，將連通圖中的巷道段全部轉(zhuǎn)化為單向傾斜巷道段。 為獲得巷道中突水水位的變化規(guī)律，提出了節(jié)點(diǎn)容量、水位割集的概念，通過(guò)節(jié)點(diǎn)容量、水位割集的計(jì)算，得出井下任意地點(diǎn)突水后，給定突水量條件下的巷道被淹范圍，和一定突水強(qiáng)度下巷道淹沒(méi)范圍隨時(shí)間的變化規(guī)律，完成水災(zāi)時(shí)期巷道被淹范圍的