一种人疏-烟流动耦合仿真的矿井火灾风险评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于人疏‑烟流动耦合仿真的矿井火灾风险评估方法，所述方法包括矿井火灾烟气流动网络解算并获取全风网烟气参数；通过蒙特卡罗方法建立矿井巷道人员疏散模型；通过矿井实际情况选取火源位置，耦合火灾时期人员逃生和巷道烟气流动仿真，根据烟气有效毒剂量和人员感官耐受值来判断人员疏散是否有生命危险、能否安全逃散，根据人员伤亡情况评估矿井火灾危险性，从而减少人财损失。

【技术实现步骤摘要】
一种人疏-烟流动耦合仿真的矿井火灾风险评估方法
本专利技术属于煤矿安全
，尤其涉及一种人疏-烟流动耦合仿真的矿井火灾风险评估方法。
技术介绍
当矿井发生火灾时，火势传播速度快、燃烧激烈，产生大量有毒有害气体，加大了应急救援工作的困难。煤矿井下发生火灾时，燃烧产生的有毒有害气体将迅速蔓延到各个巷道，严重影响了人员安全疏散造成了额外的人财损失，针对井下火灾事故频发开展风险评估有利于全面掌握面临的人员疏散困难、存在的弱点、造成的影响以及做出有效的预防措施。矿井火灾风险评估方法，从最初的被动观测、防治技术到如今的科学管理和应急预案、高效的数值模拟等火灾风险评估的研究方法经过数年的发展而逐渐成熟。在火灾机理和规律已有知识的基础上，运用数值模拟、统计理论、随机过程理论和模糊数学理论的火灾风险评估方法已经开始被广泛应用。然而，现有技术针对矿井火灾风险评估提出的方法，大部分采用各类传感器探测火源以及火焰蔓延，数据的采集和处理还依靠火灾本身发展，技术上比较单一，依赖性较强；另一方面，大多数评估方法只关注人员疏散路径优化而忽略了人疏-烟流动耦合仿真的矿井火灾风险评估方法。
技术实现思路
本专利技术专利从分析矿井巷道火灾时烟气状态特性入手，利用蒙特卡罗方法建立了人员疏散模型，根据人体各感官对有毒气体最高允许容量值和火灾烟气、温度等毒量大小来判断人员在逃散过程中是否有生命危险、疏散是否成功。根据本专利技术的一种人疏-烟流动耦合仿真的矿井火灾风险评估方法，其包括以下步骤：一、计算矿井巷道发生火灾时烟气流动状态，并获取烟气流动状况和烟气状态参数；二、通过蒙特卡罗方法建立人员疏散模型；三、计算火灾烟气有效毒气量；四、计算确定人体生命健康值；五、耦合火灾时期人员逃生和巷道烟气流动仿真并判断人员疏散情况。作为优选，步骤一中，计算矿井巷道烟气状态参数，其包括以下步骤：通过矿井通风网络解算，单个巷道分支风流能量平衡方程为：（25）式中：表示平均速度作为空间和时间的函数，g是重力加速度；m/s；代表水平面，m；代表密度，kg/m3；代表压力，Pa；代表每单位长度的压降pa/m；代表局部阻力压降，Pa；代表风机压力，Pa；和代表狄拉克函数。通过积分获得回路平衡方程：（26）通过对上述公式作进一步简化可得简易数学形式：（27）式中：自然风压NVP可以表示为：（28）（29）式中：ami是通风网络图基本回路矩阵，aij是ami的转置矩阵。烟气浓度和温度是直接影响人员疏散安全的主要因素之一，其计算方法为：假设烟气浓度为烟气流量与空气流量的比值，即：（30）如果烟气排放与空气速度没有直接关系，可以通过增加新鲜空气的流量来控制烟气的浓度。烟气浓度和烟气流动存在一定关系，其烟气排放量为：（31）式中：D(s,t)代表弥散系数；ϭ(s,t)代表单位时间单位长度烟气排放量。根据烟流最高温度的能量守恒模型法，并结合差分法巷道烟流温度计算公式为：（32）式中：µ0-火区入风端风速，m/s；T-距火区xm处温度，k；T0-火区入风端风流的温度，k；ab-烟流与巷道物体间的不稳定传热系数，w/(m2·℃)；Ta-巷道围岩的原始温度，K；J-巷道坡度；m0-入风端风流的质量流量，kg/s；mm-出风端风流的质量流量，kg/s；x-距火区入风端的距离，m;cp-定压比热（风流1.004；烟流1.050），KJ/（kg.k）；U-巷道周长，m；Lr-火区长度，m；qr-燃烧强度，kJ/(m·s)。烟气污染范围内巷道烟气温度分布，其中：在水平巷道沿程烟流温度的计算公式为：（33）在倾斜巷道沿程烟流温度的计算公式为：（34）作为优选，步骤二中，蒙特卡罗人员疏散模型，其包括以下步骤：疏散人员路线的选择，人员选择出口的概率由以下公式求得：（35）式中：P是选择出口的概率，fp是与先前使用出口相关的因子，其值介于0和1之间；ff是与出口连接的下一个划分区域着火状况相关的因子；P0是使用出口的基本概率由疏散实际情况来确定。其中ff由以下公式计算求得：（36）式中：Ds是区域中烟雾的光密度；T和T0是此区间内分别为时间t和初始的温度；各个巷道内的矿工，其逃跑疏散速度由以下公式求得：（37）式中：fs是烟雾程度系数取值范围为0.5~1，fd是人员密度系数(1-0.2666d)/0.8537计算求得，d在0~1范围选取；S0是基速度，其值为0.8m/s；矿工疏散模型井下矿工在井下随意走动的运动状态，可以用一组数来描述即状态参数，这些参数包括：矿工的空间位置R、生命值E和运动方向Q，以S=（R,E,Q）表示；根据矿工运动速度、巷道烟气有效毒气量可以推算出人员在t时刻的运动状态,即St=（Rt,Et,Qt）；当井下发生危险时矿工开始逃跑，假定全巷道分成若干网格且矿工逃跑运动时直线运动以及方向不变，则走过每小格的运动状态序列可以记录为S0，S1，⋯，Sm-1，Sm至到运动结束；模拟运动过程确定初始状态，矿工在当前位置视为初始状态S0；确定下一次运动状态，已知状态Sm-1，要确定状态Sm,首先要确定下一个运动点的位置Zm，在相邻两次运动之间，运动路线长度L服从如下指数分布：（38）要从f(L)中确定L，就是要从积分中（39）解出L；对于单一人员：（40）则下一运动点位置：（41）式中：Zm表示人员路程。作为优选，步骤三中，计算火灾烟气中有效毒剂量FED计算公式为：（42）式中：（43）（44）（45）（46）（47）式中：C（x）代表该物质浓度，其单位是%。根据以上公式，当FEDTOTAL<0.01时，伤害较小，安全疏散不受影响；当0.01<FEDTOTAL<0.3时伤害大，但可以恢复；当0.3<FEDTOTAL<1时，伤害致残：当FEDTOTAL>1时，人员受害严重。作为优选，步骤四中，确定人体感官耐受值，其计算方法为：根据《煤矿安全规程》规定，矿井CO浓度为不超过24ppm（0.0024%），当CO浓度达到0.02~0.08%时，人体就会出现头痛、心跳加速、眩晕、恶心，当0.08~0.32%时，头痛、眩晕、半小时内有死亡危险，当CO浓度1.28%时，人几分钟就会死亡；CO2浓度为0.55~3%时，人体出现气闷、呼吸加深、头痛、恶心症状；当浓度3~7%时，人体出现呼吸急促、恶心、严重喘息、中毒等症状；7~11%时，人员10分钟内昏迷，数分钟内死亡；当温度39℃时，人体汗腺排不了汗，当40℃时，人体大脑机能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种人疏-烟流动耦合仿真的矿井火灾风险评估方法，其特征在于：包括以下步骤：/n一、计算矿井巷道发生火灾时烟气流动状态，并获取烟气流动状况和烟气状态参数；/n二、通过蒙特卡罗方法建立人员疏散模型；/n三、计算火灾烟气有效毒气量；/n四、计算确定人体生命健康值；/n五、耦合火灾时期人员逃生和巷道烟气流动仿真并判断人员疏散情况。/n

【技术特征摘要】
1.一种人疏-烟流动耦合仿真的矿井火灾风险评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
一、计算矿井巷道发生火灾时烟气流动状态，并获取烟气流动状况和烟气状态参数；
二、通过蒙特卡罗方法建立人员疏散模型；
三、计算火灾烟气有效毒气量；
四、计算确定人体生命健康值；
五、耦合火灾时期人员逃生和巷道烟气流动仿真并判断人员疏散情况。


2.根据权利要求书1所述的一种人疏-烟流动耦合仿真的矿井火灾风险评估方法，其特征在于：步骤一中，通过矿井巷道网络解算巷道火灾烟气流动状态，其步骤有：
通过矿井通风网络解算，单个分支巷道风流能量平衡方程为：

（1）
通过积分获得回路平衡方程：

（2）
通过对上述公式作进一步简化可得简易数学形式：

（3）
式中：自然风压NVP可以表示为：

（4）

（5）
式中：ami是通风网络图基本回路矩阵，aij是ami的转置矩阵；
式中：表示平均速度作为空间和时间的函数，g是重力加速度；m/s；代表水平面，m；代表密度，kg/m3；代表压力，Pa；代表每单位长度的压降pa/m；代表局部阻力压降，Pa；代表风机压力，Pa；和代表狄拉克函数；
烟气浓度与空气流量之比作为矿井巷道烟气浓度其表达式为：

（6）
矿井巷道火灾烟流排放量通过下式计算求得：

（7）
根据烟流最高温度的能量守恒模型法，并结合差分法巷道烟流温度计算公式为：

（8）
其中：在烟气蔓延范围内巷道烟流温度分布按下式计算：
在水平巷道沿程烟流温度的计算公式为：

（9）
在倾斜巷道沿程烟流温度的计算公式为：

（10）
式中：D(s,t)代表弥散系数、ϭ(s,t)代表单位时间单位长度烟气排放量、µ0-火区入风端风速，m/s，T-距火区xm处温度，k、T0-火区入风端风流的温度，k、ab-烟流与巷道物体间的不稳定传热系数，w/(m2·℃)、Ta-巷道围岩的原始温度，K、J-巷道坡度、m0-入风端风流的质量流量，kg/s、mm-出风端风流的质量流量，kg/s、x-距火区入风端的距离，m、cp-定压比热（风流1.004、烟流1.050），KJ/（kg.k）、U-巷道周长，m、Lr-火区长度，m、qr-燃烧强度，kJ/(m·s)。


3.根据权利要求书2所述的一种人疏-烟流动耦合仿真的矿井火灾风险评估方法，其特征在于：步骤二中，利用蒙特卡罗方法建立人员疏散模型，其步骤有：
蒙特卡罗方法，包括出口的选择、逃散速度、疏散模型等；
人员选择出口的概率由以下公式求得：

（11）
式...

【专利技术属性】
技术研发人员：高科，伊斯马伊力·艾依提，刘玉姣，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21