礦井重大災害動態(tài)機理與救援技術信息支持系統(tǒng)研究.pdf

1、礦井重大災害(水災、火災、爆炸)后果嚴重，災變信息的匱乏對救災產(chǎn)生致命影響，本文以災變信息為研究對象，運用爆炸學理論、水災災變理論、傳熱學和礦井通風學理論，對礦井重大災害動態(tài)機理與災害救援技術信息支持系統(tǒng)進行了深入研究。論文主要內(nèi)容包括：全礦范圍內(nèi)沖擊波超壓計算的微段迭代理論，基于火源增溫與風網(wǎng)解算迭代的整體煙流動態(tài)模擬理論，建立于節(jié)點容量、水位割集概念之上的突水水位與巷道被淹范圍的計算理論，數(shù)字礦井制作維護與信息集成技術理論，礦井重大

2、災害動態(tài)模擬顯示技術理論。 論文根據(jù)CAD基本圖元數(shù)據(jù)模型的構造、屬性與運算算法，提出了三維數(shù)字礦井巷道實體的制作模型。根據(jù)三維巷道實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)，通過參數(shù)化編程，對話框錄入?yún)?shù)，程序自動完成三維巷道實體的制作，所制巷道實體可嚴格按照實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、色彩豐富真實感強、制

3、圖容易修改方便等特點。利用三維巷道實體制作技術，可快速完成真三維數(shù)字礦井通風系統(tǒng)的制作，適于現(xiàn)場普通工程技術人員掌握使用。 通過對三維巷道實體與巷道信息的一體化處理，使可視化礦井中的各類巷道均可攜帶所需信息，亦可與各類數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)傳輸，可實現(xiàn)井下測點瓦斯?jié)舛鹊膭討B(tài)顯示，具有信息與巷道集成一體、所帶參數(shù)可隱可顯、巷道信息點之即來等特點。通過對數(shù)字礦井通風系統(tǒng)的信息提取與巷道坐標信息的提取，根據(jù)礦井巷道三維實體間的拓撲關系，實現(xiàn)通

4、風網(wǎng)絡的自動生成與管理。通過不同傳播環(huán)境下瓦斯(煤塵)爆炸沖擊波超壓計算，獲得獨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關系，采用微段定值迭代法，將微小時間段內(nèi)沖擊波的傳播速度視為定值，計算微小時間段內(nèi)沖擊波的傳播距離，及微小時間段末爆炸氣體體積，從而計算出微小時間段末爆炸沖擊波超壓，然后根據(jù)超壓計

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算。只要時間微段足夠小，便能夠保證計算精度。 根據(jù)瓦斯煤塵爆炸沖擊波對人體傷害的嚴重程度和對井下通風構筑物的破壞程度，將井下災區(qū)分為死亡區(qū)、重傷區(qū)(45.5cm的磚墻破壞)和輕傷區(qū)(風門、風橋、臨時密閉失效)，并對三區(qū)邊界的爆炸沖擊波超壓極限進行了取值，為人員傷亡區(qū)的實際計算提供了依據(jù)。 根據(jù)爆炸后礦井

6、通風構筑物的損壞范圍，確定失效通風構筑物位置，通過網(wǎng)絡解算，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)和正常風流區(qū))情況，按避災人員的位置，通過不同區(qū)域避災路線的計算，獲得以地面井口為目標的最佳避災路線。使用增加輔助節(jié)點的方法，將數(shù)字礦井通風系統(tǒng)中的巷道分成若干直線段，使用“巷道節(jié)點坐標與風速錄入系統(tǒng)”，將所增加的節(jié)點坐標、節(jié)點編號錄入系統(tǒng)，根據(jù)新增輔助節(jié)點與主節(jié)點的關系及其在風網(wǎng)中的

7、位置，形成與數(shù)字礦井通風系統(tǒng)具有相同拓撲關系，且具有節(jié)點坐標的網(wǎng)絡系統(tǒng)，通過該網(wǎng)絡計算機能夠較容易地找到數(shù)字礦井中與之對應的結構與節(jié)點坐標，為礦井風流的動態(tài)模擬顯示奠定了基礎，成為動態(tài)模擬顯示災變過程與避災路線的輔助系統(tǒng)。 根據(jù)木板(材)的燃點200℃～290℃，選取200℃為作為木質(zhì)通風構筑物耐受高溫煙流的臨界值，參照通風構筑物的耐火極限時間，根據(jù)煙流溫度計算，給出火災時煙流溫度大于臨界值的范圍，根據(jù)火災持續(xù)時間，判定高溫區(qū)木

8、質(zhì)通風構筑物失效，同時更新風網(wǎng)結構。 對井下不同巷道，采用不同的不穩(wěn)定傳熱系數(shù)，根據(jù)煙流進入巷道的初始溫度計算巷道中煙流溫度的分布和各段巷道的火風壓，從常溫開始逐步提高火源溫度，重復進行火源增溫、火風壓計算與風網(wǎng)解算的迭代循環(huán)，獲得不斷變化的礦井風量分布，當高溫煙流(溫度大于木質(zhì)通風構筑物耐受的臨界溫度)區(qū)持續(xù)時間等于通風構筑物的耐火極限時間時，報廢高溫區(qū)的木質(zhì)通風構筑物，更新風網(wǎng)結構，繼續(xù)火源增溫與風網(wǎng)解算的循環(huán)，直到火源溫度

9、達到預定值。從而完成煙流隨時空變化的動態(tài)模擬，利用可視化技術將煙流動態(tài)變化反映在數(shù)字礦井上，形成火災時期巷道煙流侵襲范圍的動態(tài)模擬顯示系統(tǒng)，為礦井火災救災提供信息支持。根據(jù)礦井火災特點，將礦井通風網(wǎng)絡分成兩個子網(wǎng)：煙區(qū)子網(wǎng)和無煙區(qū)子網(wǎng)，根據(jù)兩子網(wǎng)的邊界節(jié)點，計算煙區(qū)內(nèi)避災路線和煙區(qū)外避災路線，獲得井下任意位置最佳火災避災路線。 利用可視化三維數(shù)字礦井通風系統(tǒng)，通過礦井巷道可視化輔助系統(tǒng)，獲得巷道坐標、巷道名稱、風速和風流方向等參

10、數(shù)，根據(jù)礦井火災的動態(tài)模擬數(shù)據(jù)結果，通過火源點的識別與標注，利用最短路計算程序，計算從火源點到各回風節(jié)點間的最短時間，以確定該節(jié)點后各巷道分支中模擬煙流的啟動時間，模擬煙流速度可以按煙流的真實速度，也可以設置顯示倍數(shù)，以加快模擬煙流的流動，減少等待時間，根據(jù)巷道長度、風速、顯示倍數(shù)，計算模擬煙流每流動一個步長所需時間，根據(jù)各巷道煙流塊的坐標按到達時間顯示于數(shù)字礦井之上，形成火災災變過程的動態(tài)模擬顯示。 為便于突水范圍與突水水位的

11、計算，運用增加節(jié)點的方法重構巷道連通圖，將有上下起伏的巷道分成若干直線段，按連通關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)各巷道段實際標高，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)點容量、水位割集的概念，通過節(jié)點容量、水位割集的計算，得出井下任意地點突水后，給定突水量條件下的巷道被淹范圍，和一定突水強度下巷道淹沒范圍隨時間的變化規(guī)律，完成水災時期巷道被淹范圍的