掘進巷道火災(zāi)人員應(yīng)急疏散數(shù)值模擬研究

張 嬌，王筱冬

(榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

0 前 言

礦井掘進巷道存在很多電氣設(shè)備，并且還存在用火和爆破作業(yè)[1]，所以該場所是礦井火災(zāi)高發(fā)的區(qū)域，同時礦井掘進巷道也是人員密集度高的場所，所以礦井掘進巷道是礦井高風(fēng)險區(qū)域之一，通過對礦井掘進巷道火災(zāi)蔓延規(guī)律以及人員應(yīng)急疏散情況進行研究，從而改善礦井應(yīng)急避難硐室的布置，來提高人員的應(yīng)急疏散速度，對減少礦井掘進巷道火災(zāi)時人員的傷亡具有重要意義。目前對于礦井火災(zāi)的研究大多集中在工作面，掘進巷道火災(zāi)規(guī)律的研究尚少，大多是對掘進巷道通風(fēng)的研究；礦井井下避難硐室布置[2]和人員應(yīng)急疏散[3]的研究偏向于整個礦區(qū)，尚未對掘進巷道的人員疏散及避難硐室的布置進行細致、深入研究；1981年常心坦[4]首次研發(fā)出礦井火災(zāi)模擬MFIRE軟件，近些年大多學(xué)者采用FDS軟件對礦井火災(zāi)進行數(shù)值模擬[5]；1995年Helbing D等[6-7]首次提出社會力模型對人員疏散進行研究，近些年基于Agent-Based模型開發(fā)出的Pathfinder疏散仿真模擬軟件[8]被廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域的人員疏散研究。本文采用Pyrosim火災(zāi)仿真模擬軟件及Pathfinder人員疏散仿真模擬軟件對礦井掘進巷道仿真真實情況進行建模，研究掘進巷道的火災(zāi)蔓延規(guī)律，及不同避難硐室布置的情況下人員應(yīng)急疏散情況，提出礦井掘進巷道避難硐室設(shè)置的合理方案。

1 建模

1.1 火災(zāi)模型構(gòu)建

PyroSim是Fire Dynamics Simulator(FDS)的圖形用戶界面[9]。PyroSim可快速創(chuàng)建和管理復(fù)雜火災(zāi)模型的細節(jié)，使建模更加簡單、方便，可以準確的監(jiān)測火災(zāi)溫度、煙氣流動和有毒有害氣體濃度分布，現(xiàn)被廣泛的應(yīng)用于各領(lǐng)域火災(zāi)仿真模擬。

圖1 掘進巷道火災(zāi)模型

模型中為兩條同時施工的掘進巷道，且每隔50 m設(shè)置一個聯(lián)通巷，按照1∶1比例構(gòu)建一個深220 m、寬16 m同時掘進的兩條巷道；模型中共建立6個網(wǎng)格，其中2個是掘進巷道，尺寸為220 m×3 m×3 m，另外4個是聯(lián)通巷，尺寸為2 m×10 m×2 m，考慮到計算精確度及計算所需時間，網(wǎng)格大小設(shè)置為0.5 m ×0.5 m ×0.5 m，總共32960個網(wǎng)格；在獨頭巷道末端高為0.6 m的火源基座上設(shè)置個面積為1 m2的火源，火源類型設(shè)置為穩(wěn)態(tài)火源，熱釋放速率設(shè)置為1 055 kw/m2的中速火源[10]；巷道中風(fēng)速設(shè)置為1 m/s；在2條掘進巷道與4條聯(lián)通巷的交匯處分別設(shè)置8個高為1.6 m的煙霧探測器(SD0～7)，用于監(jiān)測煙霧濃度的變化；溫度設(shè)置為20℃；模擬時間為300 s；火災(zāi)模型的3D圖形見圖1所示。

1.2 人員疏散模型構(gòu)建

美國Thunderhead Engineering公司基于Agent-Based模型開發(fā)出Pathfinder疏散仿真模擬軟件，由于該軟件中賦予人員高智能，模擬結(jié)果較符合真實情況，被廣泛的應(yīng)用于各領(lǐng)域應(yīng)急疏散研究。

模型中按照1:1比例構(gòu)建一個深220 m、寬16 m的掘進巷道系統(tǒng)，2條巷道長220 m、寬3 m，4條聯(lián)通巷道長10 m、寬2 m；礦井井下工作人員都為成年男性，人員肩寬設(shè)置為42.7 cm[11]，礦井井下能見度不好且道路凹凸不平，人員疏散最大速度設(shè)置為0.98 m/s[12-13]，由于掘進巷道施工人員較多在2條掘進巷道獨頭處分別密集設(shè)置15人，再在整個區(qū)域內(nèi)均勻分布51人，掘進巷道區(qū)域內(nèi)共81人，礦井井下的避難硐室相當(dāng)于人員疏散的出口，故根據(jù)避難硐室的情況設(shè)置疏散出口，永久避難硐室設(shè)置在主巷道，人員疏散模型圖見圖2所示。

圖2 掘進巷道人員疏散模型

圖3 50 s時3種避難硐室情況下人員應(yīng)急疏散情況

2 模擬結(jié)果

2.1 人員疏散模擬結(jié)果

為研究避難硐室的設(shè)置對礦井掘進巷道人員應(yīng)急疏散速度的影響，本文在此探討3種情況的避難硐室設(shè)置，對人員應(yīng)急疏散速度的影響，第1種情況為：只在礦井掘進巷道附近的主巷道設(shè)置一個永久性的避難硐室，第2種情況為：在礦井掘進巷道附近的主巷道設(shè)置一個永久性的避難硐室，在掘進巷道內(nèi)距離主巷道100 m處每條掘進巷道分別設(shè)置一個臨時避難硐室，第3種情況為：在主巷道設(shè)置一個永久性的避難硐室，在掘進巷道內(nèi)每間隔100 m每條掘進巷道分別設(shè)置一個臨時避難硐室，在這3種情況下分別設(shè)置對應(yīng)的邊界條件進行人員應(yīng)急疏散數(shù)值模擬，圖3中(a)、(b)、(c)分別為3種情況下數(shù)值模擬50 s時的人員疏散情況，由于模型空間尺寸大，圖中的小點代表還未疏散的人員，如圖3所示，情況1和情況2由于掘進巷道深處沒有避難硐室，應(yīng)急疏散至50 s時人員還在去往避難硐室的路上，掘井巷道深處人員滯留情況相同，情況2中掘進巷道深100 m左右至主巷道的人員在50 s內(nèi)都可以疏散完畢，情況3中人員應(yīng)急疏散至55 s時人員都可以疏散完畢；圖4為3種情況下未疏散人數(shù)隨時間變化曲線，情況1至情況3人員疏散速度依次增加，人員疏散時間依次減少，情況1所需疏散時間是情況2的1.9倍，是情況3的4.2倍；由此可見，掘進巷道在掘進過程中臨時避難硐室也要每間隔一定的距離同時進行修建，來提高災(zāi)難時人員疏散的速度。

圖4 未疏散人數(shù)隨時間變化曲線

2.2 火災(zāi)模擬結(jié)果

對掘進巷道火災(zāi)模型進行數(shù)值模擬，來研究掘進巷道火災(zāi)時煙霧的蔓延規(guī)律，如圖5所示，(a)、(b)、(c)分別為1 055 kw/m2熱釋放速率的穩(wěn)態(tài)火源下50，150，250 s時的煙霧蔓延情況，煙霧隨著時間的增加迅速的在掘進巷道內(nèi)蔓延開來。

圖5 礦井掘進巷道火災(zāi)蔓延規(guī)律

由于1.6 m是人員安全疏散的臨界高度，當(dāng)煙霧濃度低于1.6 m將威脅疏散人員的生命健康，故通過在掘進巷道內(nèi)高1.6 m處設(shè)置煙霧探測器，來監(jiān)測巷道內(nèi)各點的煙霧濃度隨時間的變化情況，如圖6所示，SD(1、2、3、5、6、7)為6個煙霧監(jiān)測點煙霧濃度隨時間的變化曲線，SD3在20s時瞬間增加到100%，SD2在70 s時瞬間增加到100%，SD6在165 s內(nèi)由于通風(fēng)影響煙霧濃度有兩次40%內(nèi)的波動，到165 s時快速的上升至100%，SD1、SD5、SD7煙霧濃度上升的較為緩慢；以20%的煙霧濃度為安全疏散的臨界值，各監(jiān)測點的可用安全疏散時間(TASET)如表1所示。由于300 s內(nèi)煙霧未蔓延至SD0和SD4處，故這兩點的煙霧濃度一直為零，在此不進行分析。

圖6 煙霧探測點煙霧濃度隨時間變化曲線

s

3 火災(zāi)對人員應(yīng)急疏散的影響

通過對比掘井巷道火災(zāi)蔓延情況與人員應(yīng)急疏散情況，可以得出礦井掘進巷道火災(zāi)對應(yīng)時刻人員應(yīng)急疏散的人員空間分布情況，可以預(yù)測出不同避難硐室設(shè)置人員的傷亡情況，從而提出掘井巷道臨時避難硐室設(shè)置的合理意見。

通過查看Pathfinder人員疏散過程的3D結(jié)果，記錄下各位置處人員疏散所需安全疏散時間(TRSET)，在表2中，僅列出3種避難硐室設(shè)置情況下Pyrosim模型中各煙霧監(jiān)測點位置處人員應(yīng)急疏散的TRSET。

要實現(xiàn)人員安全進行應(yīng)急疏散，就需要人的疏散速度比煙霧蔓延的速度快，所以礦井掘進巷道人員能夠從火災(zāi)中安全疏散，則需要滿足公式(1)：

TASET>TRSET

(1)

將表1中礦井掘進巷道火災(zāi)時各煙霧濃度監(jiān)測點的TASET，與表2中礦井掘進巷道中人員應(yīng)急疏散時各監(jiān)測點位置的TRSET進行比較，發(fā)現(xiàn)只有情況3下的避難硐室設(shè)置才能滿足公式(1)。所以只有像情況3一樣在掘井巷道修建避難硐室，火災(zāi)時人員才能夠全部進行安全疏散。

表2 各監(jiān)測點位置人員所需安全疏散時間 s

4 結(jié) 語

1)采用Pyrosim火災(zāi)仿真模擬軟件，仿照礦井掘進巷道真實的空間結(jié)構(gòu)、通風(fēng)、火源設(shè)置等一系列邊界條件進行建模，采用Pathfinder人員疏散仿真模擬軟件，仿照礦井掘進巷道真實的空間結(jié)構(gòu)、人員參數(shù)設(shè)置、人員空間分布，且根據(jù)實際情況設(shè)置3種情況的避難硐室；火災(zāi)及人員疏散的數(shù)值模擬結(jié)果將與真實結(jié)果接近，可信度高。

2)3種避難硐室設(shè)置下，情況3的人員疏散速度最快，情況2的人員疏散時間是情況3的2.2倍，情況1的人員疏散時間是情況3的4.2倍。

3)根據(jù)TASET > TRSET的要求，只有情況3的避難硐室設(shè)置滿足，故礦井掘井巷道避難硐室的修建要跟上掘進巷道深度的推進，且避難硐室的間距應(yīng)控制在100 m以內(nèi)。

[1] 方炳堃. 湘潭錳礦內(nèi)因火災(zāi)產(chǎn)生機理研究與防治的實踐[J]. 中國錳業(yè), 1994, 12(4):14-19.

[2] 張恩強, 王麗, 劉名陽, 等. 探討井下避災(zāi)硐室在礦井中的應(yīng)用[J]. 煤礦安全, 2009, 34(7):90-92.

[3] 黃運爽, 劉陽, 張良良. 礦井采場災(zāi)害人員疏散模型及避災(zāi)硐室布置[J]. 煤礦安全, 2017, 48(6):112-115.

[4] 常心坦. 礦井火災(zāi)通風(fēng)的模擬計算[J]. 煤礦安全, 1991, 4(4): 22-29.

[5] 李義杰, 鄔長福, 高宗杰, 等. 礦井巷道火災(zāi)煙氣流動影響因素模擬分析[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2017, 37(2):18-21.

[6] Helbing D, Farkas I, Vicsek T. Simulating dynamical features of escape panic[J]. Nature, 2000(407): 487-490.

[7] Helbing D, Molnar P. Social force model for pedestrian dynamics[J]. Physical Review E, 1995(51): 4282-4286.

[8] 王莉. 基于Pathfinder的公共場所人員疏散行為規(guī)律及仿真模擬[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報, 2017, 37(3): 385-364.

[9] Kevin M. Fire dynamics simulator (version 5) technical reference guide[M]. NIST Special Publication, 2001.

[10] 馬洪亮, 周心權(quán). 礦井火災(zāi)燃燒特性曲線的研究與應(yīng)用[J]. 煤炭學(xué)報, 2008, 33(7):780-783.

[11] GB 10000-1988中國成年人人體尺寸[S].

[12] Thompson P, Nilsson D, Boyce K, et al. Evacuation models are running out of time[J]. Fire Safety Journal, 2015(78): 251-261.

[13] Peacock R D, Hoskins B L, Kuligowski E D. Overall and local movement speeds during fire drill evacuations in buildings up to 31 stories[J], Safety Science, 2012, 50(8): 1655-1664.