[發明專利]一種礦井巷網熱動力災害演化評估系統與預測救援方法

有效

• 申請號: 202110550486.6
• 申請日: 2021-05-20
• 公開（公告）號: CN113309571B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 王凱;郭朝偉;蔣曙光;郝海清;吳征艷;奚弦;尹辰辰;邵昊
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: E21F17/18
• 分類號: E21F17/18;E21F17/00;E21F11/00;G06F30/20
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 黃雪蘭

1.一種礦井巷網熱動力災害演化預測救援方法，包括評估系統，其特征在于：所述評估系統包括災變信息采集模塊，所述災變信息采集模塊的輸出端與巷網模型構建模塊的輸入端連接，所述巷網模型構建模塊和起火、起爆源點位置研判模塊的輸出端均與災害演化過程預測模塊的輸入端連接，所述災害演化過程預測模塊的輸出端與救援與逃生路徑規劃模塊的輸入端連接，所述救援與逃生路徑規劃模塊的輸出端與救災決策方案生成模塊的輸入端連接，所述災害演化過程預測模塊的輸入端分別與災情預測修正模塊和災變信息采集模塊的輸出端連接；

所述預測救援方法為：爆炸發生時的物理模型以火-風-煙的網絡特性作為基礎，且災害發展演變過程的預測主要是針對礦井火風壓演變、溫度演變、通風情況演變、構筑物損壞演變、有毒有害氣體的產生與積聚，快速鎖定高溫及有毒有害氣體積聚區域，生成控風排煙方案且包括以下步驟：

S1、當發生火災時，首先根據常態監測系統與風網實時解算技術快速確定災害影響范圍和風流參數；假設巷道內的風流是一維非穩態流動，任意分支i的風量為q_i，風阻為R_i，壓降為H_i，則動量守恒方程為：

其中h_ri表示熱風壓；

對于水平巷道，熱風壓可由下式計算：

其中ρ_i表示風流的平均密度；

對于水平巷道，熱風壓包含火風壓，可由下式計算：

式中：T_i，0、T_i，f-分別為在分支i上火災發生前后的溫度值，θ-巷道傾角，g表示引力常數；

由于通風系統解算是實時的，由解算結果可知礦井火災時期，任一時刻t、任一分支i上風流的平均密度：

式中L_i-分支i的長度，Δx-差分節點間的間距，n_j-分支i上離散單元的數目、ρ_i，k-在分支i上的離散差分點k的風流密度值，風流的平均溫度：

式中：T_i-巷道分支i上風流溫度，T_i，k-在分支i上的離散差分點k的風流溫度值；

S2、然后，根據控風模型制定災變風流的控制方案，控風排煙，既要強調不發生煙流紊亂、又能順利把煙排走，還應當考慮其他區域的風量能不能保證人員逃生和救援，在短路排煙和反風排煙時；

風流控制的初級目標是防止風流紊亂，避免風流逆轉，即臨界風速u_c：

式中，k-溫度衰減系數，Q-火源熱釋放速率，ρ₀-環境空氣密度，c_p-空氣比熱，T₀-環境空氣溫度，W-巷道寬度，g表示引力常數；

風流控制的響應時間是一個重要參數，從災變初始時刻t₀開始，到某一時刻t_*，在允許的誤差范圍內需要使風量達到臨界風速以上，或達到預設的空風量q^*，根據最優控制論，下面的泛函取極值：

式中q＝(q₁,q₂,...,q_n-m+1)，h_Ri表示自動風門的局部阻力，h_Fi表示通風機壓力；

S3、最后通過已安裝的控風設施和風機進行調控，按照煙流最小污染范圍原則將其導入回風巷，為遇險人員逃生、救護隊員應急救援創造條件，使風煙流從災變危險狀態快速地恢復為安全狀態；

所述災害演化過程預測模塊與災情預測修正模塊是通過爆炸發生時的物理模型作為基礎，結合所確定的災害發生地點，運用相關數學模型進行災害發展演變過程的預測，是動態且非單次預測，首次預測完成后，快速篩選出沖擊波破壞、有毒有害氣體區域，再進行反演推算，利用反演結果與真實結果相比較，修正方程再次預測，隨著災變演化改變災害影響區域，多次預測更正，直至救援結束，并且通過爆炸發生后各個傳感器采集的數據與預測數據進行對比，在可接受誤差范圍內時認為預測結果是準確的，當實際采集數據與預測數據差距不在可接受范圍內時，參考受災信息融合數據平臺中的相近歷史數據，分析成因，通過優化數學模型、添加相關限制參數，對整個預測模型進行調整使得預測結果更加接近現實，災害演化預測分為火災熱煙流演化預測和沖擊波作用下的熱煙流演化過程預測；

所述沖擊波作用下的熱煙流演化過程預測主要是針對礦井超壓演變、溫度演變、通風情況演變、構筑物損壞演變、有毒有害氣體的產生與積聚，通過預測快速鎖定高溫、有毒有害氣體積聚區域，主要有以下步驟：

a、建立沖擊波衰減數學模型：

以獨頭直巷中瓦斯爆炸為基礎，建立瓦斯爆炸沖擊波衰減模型，選取顯著影響因素，得到煤礦井下瓦斯爆炸沖擊波超壓沿直巷衰減的數學表達式：

ΔP＝f(E₀，S，d_B，β，R，P₀，ρ₀)

其中，E₀：瓦斯爆炸總能量、S：巷道斷面面積、d_B：水力直徑、β：巷道粗糙程度、R：機理爆源的距離、P₀：初始大氣壓力、ρ₀：初始空氣密度；

采用相似理論中π定理進行分析后引入大數據進行回歸分析，得到獨頭直巷爆炸沖擊波的衰減模型：

一般巷道中爆炸沖擊波會雙向傳播，按照能量相似定理，推演得到一般巷道中瓦斯爆炸沖擊波的衰減模型：

同樣的可以得到一般巷道中氣流速度衰減模型：

b、將復雜巷網劃分為簡單區域：

以巷道分叉和斷面改變處作為節點，將礦井復雜巷網劃分為多個簡單計算區域，巷道按起火、起爆源點位置從近致遠以A、B、C……，依次命名，各巷道端點以同樣規則以巷道名稱加數字1、2、3……命名，簡單區域內部單獨計算預測超壓與速度分布，各相鄰節點間通過衰減系數相關聯；

c、依次計算簡單區域沖擊波演化：

從起火、起爆源點位置代入初始條件進行初始區域爆炸沖擊波解算，到達區域巷道末端時，按照末端沖擊波壓力與速度值除以衰減系數k作為下一區域初始值，按照巷道名稱排列順序依次計算各區域爆炸壓力與速度分布情況，字母小的巷道數字小的端點優先計算，最終得到整個礦井復炸網絡的爆炸壓力與速度分布云圖，分叉處衰減系數按衰減系數圖取值，斷面改變處衰減系數計算公式為

其中，式中S、S₀分別為大斷面巷道面積和小斷面巷道面積；

d、確定沖擊波破壞情況：

選取超壓19.6kPa和沖擊氣流速度17.1m/s作為衡量人體所能承受的臨界超壓和臨界氣流速度，劃分爆炸直接危險區域，根據通風構筑物可以承受最大超壓，依次計算通風構筑物的損壞情況；

e、有毒有害氣體擴散預測：

依據步驟d計算出通風構筑物損壞情況，重新構建通風網絡圖，按照新的風流狀態和爆炸過程中有毒有害氣體的產生位置，將相關參數代入火災作用下的熱煙流演化預測模塊進行災害影響范圍分析。