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1、计算机模拟与仿真在矿井火灾防治中的应用陈贤杰（西南科技科技大学 安全 1001 20100802）摘 要: 伴随着计算机模拟技术的发展，其在矿井火灾模拟方面的应用也变得逐步广泛和深入文章在论述矿 井火灾模型的分类及矿井火灾模拟技术的发展历程的基础上，介绍了矿井火灾模拟的研究现状与应用情况 提出了其中存在的不足与改进方法，并对新一代模拟软件提出了新的应用方向，最后，提出了矿井火灾实 时救灾体系的思想。关键词:矿井火灾; 模拟软件; 实时救灾application about Application ofComputer Simulation in Mine Fire Preventionchen
2、 xian jie（Southwest University of Science and Technology safety engineeringlOOl 20100802Abstract: With the development of computer simulation technology the application of fire simulation in the mine become gradually widely and deeply. Based on the statement of classification of the fire model and t
3、he development process of Mine fire simulation thisarticle describes the status of the research about mine fire simulation and the application of it put forwards the insufficient and improvement methods and the new application of new generation simulation software finally expounds the real 一 time re
4、lief system for mine fire.Keywords: mine fire; simulation software; relief system 矿井火灾是煤矿主要灾害之一，由于火灾灾变的灾难性以及矿井火灾所独有的复杂性， 救灾决策一般极为困难。自20世纪50 年代以来，计算机模拟逐步成为火灾研究与防治的 重要方法。相对于现场模拟，计算机模拟逐步凸显出安全、高效、成本低廉、结果易于分 析的优势，更重要的是，计算机模拟在矿井火灾救灾决策中发挥的作用是现场模拟无法达 到的。1 矿井火灾防治领域计算机模拟的发展1.1 矿井火灾防治领域火灾模型的分类及发展历程根据对火灾的简化程度以及
5、建模方法的不同，火灾模型可分为网络模型、区域模型和 场模型。20世纪50年代，从H 克劳斯法用于矿井通风网络解算起，计算机开始逐步应用 在矿井通风领域，用于矿井通风网络的自然分风解算和计算矿井火灾时期的风流状态。70 年代，区域模型的思想产生，矿井火灾稳态模拟、准稳态模拟计算机程序也依次 被开发出来。80 年代，国内研究单位先后开展了此领域的研究工作，编制出各具特色的矿井火灾 计算机模拟程序。同时，计算机模拟技术逐步应用于火灾时期矿工撤退可靠路线选择、最 优状态控制等方面。90 年代，矿井火灾动态模拟技术应用于矿井火灾时期的实时决策。近年来，混合模型的思想促进了各火灾模拟技术的结合，矿井火灾的
6、计算机模拟技术 进一步发展。1.2 现有矿井火灾模拟技术发展现状（国内外现状）目前，矿井火灾计算机模拟技术功能仅限于提供火灾时期各巷道风向、温度、烟 流浓度等参数的动态变化以及发生烟流逆转的时间、地点和烟流随时间变化的侵袭范围， 而当火情发展较严重时，无法提供有效的控风方案及人员疏散、避灾路线。 MFIRE 是一种 基于矿井火灾时期风流状态模拟技术理论和网络模型的矿井火灾模拟软件，包含矿井火灾 风流稳态、非稳态、准稳态模拟三个部分。对应于三个部分，该软件可为矿井火灾发生、 发展和稳定三个阶段的矿井通风网络各分支风量、风温、风压等参数的动态变化。目前， MFIRE己在现场得到较广泛的应用，但其只
7、能提供矿井火灾时期风流状态、各网络分支的 烟气浓度及分布等情况的变化，仅为火灾控风、避灾路线选择提供参考，而不能进行风流 控制的定量分析，直接提供最优的控风方案。2 矿井火灾计算机模拟发展方向2. 1 矿井火灾计算机模拟改进将混合模型的思想更加充分地融入新一代火灾模拟软件开发之中。伴随着计算水平 的逐步提高，场模型必将体现出它对火灾现象、火灾参数时空分布描述的精确性，因此我 们应将场模型的思想逐步应用到新一代软件的开发中。另外，尽管矿井火灾与地面火灾研 究重点不同，但地面火灾计算机模拟相对成熟，值得借鉴，例如火灾时期人员的疏散中人 与人、人与环境之间相互作用的模型等。加强矿井火灾燃烧特性的实验
8、研究，以便进行计算机模拟时有关参数的设定。相对 于地面火灾而言，矿井火灾发生后，烟气和热量更易积聚，进而引起井下风流的变化，给 营救带来困难。当前对井下火灾燃烧特性的研究还不够充分，例如对井下各类物品的燃烧 特性以及因空气对流和壁面导热所产生的热传导的研究还有待完善。加强软件模拟过程中的修正，更加准确地预测火灾的发展趋势。矿井火灾计算机模 拟的作用在于对火灾发展趋势的预测，其目的在于火灾发生时期为救灾人员控风和救灾决 策提供有效信息，便于最佳避灾路线的选择，甚至由软件直接实现最佳控风方案及避灾路 线的选择。然而准确预测火灾发展趋势的前提，就是实时修正软件模拟与实际情况的误差， 只有缩小了当前时
9、间下软件模拟的误差，才能更加准确地预测火灾下一时间的变化趋势。2. 2 新一代火灾模拟软件的应用伴随着计算水平的提高和新开发思想的应用，新一代矿井模拟软件对火灾模拟的准 确性将进一步提高，其主要应用依然是火灾时期的火灾发展趋势预测及人员避灾路线的选 择。另外，火灾模拟软件也可用于矿井结构的设计与评估。矿井火灾时期风流状态的控制 是救灾的重要措施，然而风流控制的成功与否取决于火灾形势、矿井开拓结构和通风设备 型号、位置的选择。因此，我们可以通过合理选择矿井开拓结构，布置通风设备的方法减 轻矿井风流控制的难度，使得火灾救灾相对容易。其评估的方法在于假定矿井某处发生火 灾，利用计算机进行模拟其发展趋
10、势，并进行风流控制，可以利用火灾从发生到稳定的时 间或者其他参数来衡量矿井结构的合理程度。3 矿井火灾实时救灾体系的建立3. 1 矿井实时救灾体系工作原理矿井火灾实时救灾体系是基于矿井通讯系统、自动喷淋防火系统、环境监测系统和 通风设备控制系统的，以矿井火灾模拟软件为核心的现代矿井火灾救灾系统（如图 1）。其 工作原理为:矿井火灾发生后，矿井环境监测系统得到触发，并将火灾信息传送至调度中心 调度中心通过通讯系统进行井下人员疏散，必要情况下启动自动喷淋防火系统，将火灾信 息输入矿井火灾模拟软件，启动通风设备控制系统进行风流控制，抑制矿井火灾的发展，影响矿井火灾状况，再由矿井环境监测系统将火灾状况
11、反馈至调度中心，进行下一步决策。矿井火灾模拟软件作为矿井火灾实时救灾系统的核心，实现灾情分析、预测的功能，伴随着性能的提升，也可承担最优控风方案的生成。妒1：小扌心.1 li奈rW图I矿井火元实时救龙体系“ 3幻汀芒:匸色壬辻紀臥恳齐；I我左状卍十半凤泮拧岂3.2 矿井环境监测系统矿井火灾在其发生和发展过程中，将在起火区域产生火焰、红外光、烟雾粒子、有 害气体等。矿井环境监测系统正是通过获取这些信息，实现对矿井火灾的临灾预警和灾害 变化倾向的预测，并将这些信息反馈至地面调度中心。 矿井环境监测系统的建立关键是传 感器类型、位置的选择和报警时间、界限的设定。矿井火灾传感器主要分为感温传感器、 燃
12、烧生成物传感器和电磁辐射能传感器三类，其中感温传感器和燃烧生成物传感器主要用 于矿井易发火区域的火灾预测，而电磁辐射能传感器可适当密度的布置在其他区域以检测 火灾的发展情况。3. 3 通风设备控制系统矿井火灾产生的浮力和节流效应将对矿井内风流产生逆转、逆退、滚退现象，不利 于井下人员的避灾和疏散。矿井火灾时期的风流控制是救灾的重要措施，风流控制的成功 与否则取决于通风设备的布置与控制。通风设备控制系统的关键技术是对风门、风机等通风设备的远程控制，并以风门控 制为主。尽管自动风门不管从驱动形式还是信号来源上多种多样，但若用于矿井灾变时期 的风流控制，仍存在着控制系统复杂、成本较高、灾变时期失效等
13、缺陷，其中关键的是尚 未实现地面控制。因此，风门的控制可通过井下救灾人员实现。3 .4 自动喷淋防火系统自动喷淋防火系统主要用于胶带输送机火灾的防治，以便火灾初期直接灭火或进行 火灾抑制。自动喷淋防火系统支持地面遥控、自动洒水、手动洒水三种控制模式，满足矿 井火灾实时救灾体系的需求。4 结语伴随着矿井火灾计算机模拟技术的发展和完善，其在矿井火灾防治与实时救灾方面 的作用也将逐步凸显。尽管当前计算机模拟技术己具备了一定的火灾及风流模拟能力，但 火灾燃烧机理等方面的研究还不够深入。然而，计算机模拟火灾与真实火灾还存在着差距， 只有认识到模型的适用范围与局限性，才能更加充分的发挥计算机模拟技术的优势
14、，应用 于矿井火灾领域。参考文献1 静元建筑火灾计算机模拟软件介绍Q 3西安建大科技，2009 (2) ;46-522 王德明，王省身，鲍庆国3矿井火灾计算机模拟研究Q中国安全科技学报，2012, 6(2) ;1-43 何学秋中国煤矿灾害防治理论与技术M 3徐州：中国矿业大学出版社,20084 张延松.煤矿爆炸火灾及其防治技术M 3徐州：国矿业大学出版社，20095 王省身，张国枢.矿井火灾防治M.中国矿业大学出版社,20086 邵启胤，刘云敏.KHJ 1型矿井火灾监测系统及自动灭火装置的研究煤炭工程师J，1992(2)7 邓军.国内外煤炭自然发火预测预报技术综述.西安矿业学院学J2009,19(4):293 2978 魏恒泰，陶云春.易燃厚煤层开采的防灭技术与实践M 中国矿业大学出版社,2008.119 甘仞初. 信息系统开发. 北京邮电大学出版社. 201010 王德明. 矿井火灾救灾决策支持系统的研究. 中国矿业大学博士学位论文,201111 谢旭阳；闫学文；杜红兵；周心权.面向对象技术在矿井火灾中的应用M .201012 薛二龙矿井火灾的虚拟过程研究M 太原理工学报.200313 刘天明矿井通风计算机模拟系统M煤矿机械201214 王宇王伟 矿井火灾数值模拟与分析M煤炭技术2012
