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专利号: 2021105504866
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 土层或岩石的钻进;采矿
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种矿井巷网热动力灾害演化预测救援方法,包括评估系统,其特征在于:所述评估系统包括灾变信息采集模块,所述灾变信息采集模块的输出端与巷网模型构建模块的输入端连接,所述巷网模型构建模块和起火、起爆源点位置研判模块的输出端均与灾害演化过程预测模块的输入端连接,所述灾害演化过程预测模块的输出端与救援与逃生路径规划模块的输入端连接,所述救援与逃生路径规划模块的输出端与救灾决策方案生成模块的输入端连接,所述灾害演化过程预测模块的输入端分别与灾情预测修正模块和灾变信息采集模块的输出端连接;

所述预测救援方法为:爆炸发生时的物理模型以火‑风‑烟的网络特性作为基础,且灾害发展演变过程的预测主要是针对矿井火风压演变、温度演变、通风情况演变、构筑物损坏演变、有毒有害气体的产生与积聚,快速锁定高温及有毒有害气体积聚区域,生成控风排烟方案且包括以下步骤:S1、当发生火灾时,首先根据常态监测系统与风网实时解算技术快速确定灾害影响范围和风流参数;假设巷道内的风流是一维非稳态流动,任意分支i的风量为qi,风阻为Ri,压降为Hi,则动量守恒方程为:其中hri表示热风压;

对于水平巷道,热风压可由下式计算:

其中ρi表示风流的平均密度;

对于水平巷道,热风压包含火风压,可由下式计算:

式中:Ti,0、Ti,f‑分别为在分支i上火灾发生前后的温度值,θ‑巷道倾角,g表示引力常数;

由于通风系统解算是实时的,由解算结果可知矿井火灾时期,任一时刻t、任一分支i上风流的平均密度:式中Li‑分支i的长度,Δx‑差分节点间的间距,nj‑分支i上离散单元的数目、ρi,k‑在分支i上的离散差分点k的风流密度值,风流的平均温度:式中:Ti‑巷道分支i上风流温度,Ti,k‑在分支i上的离散差分点k的风流温度值;

S2、然后,根据控风模型制定灾变风流的控制方案,控风排烟,既要强调不发生烟流紊乱、又能顺利把烟排走,还应当考虑其他区域的风量能不能保证人员逃生和救援,在短路排烟和反风排烟时;

风流控制的初级目标是防止风流紊乱,避免风流逆转,即临界风速uc:

式中,k‑温度衰减系数,Q‑火源热释放速率,ρ0‑环境空气密度,cp‑空气比热,T0‑环境空气温度,W‑巷道宽度,g表示引力常数;

风流控制的响应时间是一个重要参数,从灾变初始时刻t0开始,到某一时刻t*,在允许*的误差范围内需要使风量达到临界风速以上,或达到预设的空风量q ,根据最优控制论,下面的泛函取极值:式中q=(q1,q2,...,qn‑m+1),hRi表示自动风门的局部阻力,hFi表示通风机压力;

S3、最后通过已安装的控风设施和风机进行调控,按照烟流最小污染范围原则将其导入回风巷,为遇险人员逃生、救护队员应急救援创造条件,使风烟流从灾变危险状态快速地恢复为安全状态;

所述灾害演化过程预测模块与灾情预测修正模块是通过爆炸发生时的物理模型作为基础,结合所确定的灾害发生地点,运用相关数学模型进行灾害发展演变过程的预测,是动态且非单次预测,首次预测完成后,快速筛选出冲击波破坏、有毒有害气体区域,再进行反演推算,利用反演结果与真实结果相比较,修正方程再次预测,随着灾变演化改变灾害影响区域,多次预测更正,直至救援结束,并且通过爆炸发生后各个传感器采集的数据与预测数据进行对比,在可接受误差范围内时认为预测结果是准确的,当实际采集数据与预测数据差距不在可接受范围内时,参考受灾信息融合数据平台中的相近历史数据,分析成因,通过优化数学模型、添加相关限制参数,对整个预测模型进行调整使得预测结果更加接近现实,灾害演化预测分为火灾热烟流演化预测和冲击波作用下的热烟流演化过程预测;

所述冲击波作用下的热烟流演化过程预测主要是针对矿井超压演变、温度演变、通风情况演变、构筑物损坏演变、有毒有害气体的产生与积聚,通过预测快速锁定高温、有毒有害气体积聚区域,主要有以下步骤:a、建立冲击波衰减数学模型:

以独头直巷中瓦斯爆炸为基础,建立瓦斯爆炸冲击波衰减模型,选取显著影响因素,得到煤矿井下瓦斯爆炸冲击波超压沿直巷衰减的数学表达式:ΔP=f(E0,S,dB,β,R,P0,ρ0)

其中,E0:瓦斯爆炸总能量、S:巷道断面面积、dB:水力直径、β:巷道粗糙程度、R:机理爆源的距离、P0:初始大气压力、ρ0:初始空气密度;

采用相似理论中π定理进行分析后引入大数据进行回归分析,得到独头直巷爆炸冲击波的衰减模型:一般巷道中爆炸冲击波会双向传播,按照能量相似定理,推演得到一般巷道中瓦斯爆炸冲击波的衰减模型:同样的可以得到一般巷道中气流速度衰减模型:

b、将复杂巷网划分为简单区域:

以巷道分叉和断面改变处作为节点,将矿井复杂巷网划分为多个简单计算区域,巷道按起火、起爆源点位置从近致远以A、B、C……,依次命名,各巷道端点以同样规则以巷道名称加数字1、2、3……命名,简单区域内部单独计算预测超压与速度分布,各相邻节点间通过衰减系数相关联;

c、依次计算简单区域冲击波演化:

从起火、起爆源点位置代入初始条件进行初始区域爆炸冲击波解算,到达区域巷道末端时,按照末端冲击波压力与速度值除以衰减系数k作为下一区域初始值,按照巷道名称排列顺序依次计算各区域爆炸压力与速度分布情况,字母小的巷道数字小的端点优先计算,最终得到整个矿井复炸网络的爆炸压力与速度分布云图,分叉处衰减系数按衰减系数图取值,断面改变处衰减系数计算公式为其中,式中S、S0分别为大断面巷道面积和小断面巷道面积;

d、确定冲击波破坏情况:

选取超压19.6kPa和冲击气流速度17.1m/s作为衡量人体所能承受的临界超压和临界气流速度,划分爆炸直接危险区域,根据通风构筑物可以承受最大超压,依次计算通风构筑物的损坏情况;

e、有毒有害气体扩散预测:

依据步骤d计算出通风构筑物损坏情况,重新构建通风网络图,按照新的风流状态和爆炸过程中有毒有害气体的产生位置,将相关参数代入火灾作用下的热烟流演化预测模块进行灾害影响范围分析。

2.根据权利要求1所述的一种矿井巷网热动力灾害演化预测救援方法,其特征在于:所述灾变信息采集模块主要采集包括煤尘、瓦斯爆炸性集电缆、胶带的可燃性信息表征,矿井巷道布置拓扑关系、各巷道三维参数、巷道支护方式、固定设备及井下构筑物情况、各通风构筑物失效特征、传感器布置位置,同时收集矿井历史受灾情况的详细数据以及相近条件矿井的受灾情况,建立受灾信息融合数据平台。

3.根据权利要求1所述的一种矿井巷网热动力灾害演化预测救援方法,其特征在于:所述巷网模型构建模块中为依据所采集的基本信息中有关矿井物理尺寸及空间关系的相关数据,与固定设备及井下构筑物情况作为整体进行动态构建,物理模型可根据通风构筑物开闭情况以及采煤机械运动情况进行更改,所述救援与逃生路径规划模块是根据修正后的灾变波及范围分析评估结果,结合井下人员位置以及受伤预测情况,利用元胞自动机模型,演算最佳逃生路线,以及救援路线,使得救援更加具有时效性与针对性,大大提高逃生效率与救援的成功率,所述救灾决策方案生成模块是在综合分析灾情演变、受灾范围以及逃生救援路线规划后得出综合救援方案,大大提高救援成功效率。

4.根据权利要求1所述的一种矿井巷网热动力灾害演化预测救援方法,其特征在于:所述起火、起爆源点位置研判模块是利用布设在巷道中的红外传感器、压力及烟雾传感器,对高温点及异常烟雾进行监测,确定灾害源的起始位置,并选定起始点作为坐标原点,采集原点处各项参数。

5.根据权利要求1所述的一种矿井巷网热动力灾害演化预测救援方法,其特征在于:所述巷网模型构建模块中巷网灾变信息交叉验证是通过各个传感器的交叉耦合验证,确定灾害类型为爆炸或火灾,从而代入不同的灾害预测模型进行分析,当传感器压力数值无突变,红外感受到温度变化或烟雾传感器感受到烟雾,确定为火灾,当压力传感器压力数值突变,则判定为爆炸。