金屬礦井火災(zāi)疏散路徑模擬與研究

姜培根 蔚登峰 劉新龍 甘明日 姚 奇 張永亮

(1.山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司,山東 煙臺(tái) 265409;2.青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,山東 青島 266520)

深井火災(zāi)是金屬礦山業(yè)重要危險(xiǎn)因素之一。礦井火災(zāi)嚴(yán)重威脅著地下工人和工業(yè)財(cái)產(chǎn)的安全[1-3]。一旦發(fā)生地下火災(zāi),礦山井巷將形成高溫?zé)煔猸h(huán)境,其中含有毒窒息氣體和有害煙霧顆粒[4-6]。由于礦井巷道為受限空間,火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣和熱量難以及時(shí)排出,高溫?zé)煔庠谙锏纼?nèi)迅速蔓延至整個(gè)礦井,大量的煙氣會(huì)逐漸降低井下的能見度,地下空間的疏散風(fēng)險(xiǎn)也在逐漸增加,極大地影響井下工作人員對(duì)逃生路線的判斷,導(dǎo)致井下工作人員無法進(jìn)行安全疏散,嚴(yán)重威脅井下工人的生命[7-8]。因此,對(duì)金屬礦山火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)及安全疏散路線的研究尤為迫切。

國內(nèi)外的專家學(xué)者們采用數(shù)值模擬、構(gòu)造模型等方法對(duì)礦井火災(zāi)和人員疏散進(jìn)行了大量研究。許多學(xué)者從風(fēng)速、巷道分岔角度、熱釋放速率等角度對(duì)巷道火災(zāi)的煙氣流動(dòng)、風(fēng)流控制等方面進(jìn)行了大量研究。Zhao等[9]通過對(duì)縱向通風(fēng)隧道中的煙氣分叉流的研究,提出了一種可以預(yù)測煙氣分岔流的特征長度的模型;Huang等[10]通過建立火源功率為1.72～6.04 kW的小型實(shí)驗(yàn)來研究分支巷道的頂板溫度,并提出了將無量綱通風(fēng)速度分為兩部分的預(yù)測模型。

對(duì)于人員疏散的研究,為了更準(zhǔn)確地預(yù)測在緊急疏散中花費(fèi)的時(shí)間,許多學(xué)者使用很多不同的模型來對(duì)此進(jìn)行研究。Li等[11]通過對(duì)兩種行為傾向(熟悉度與攻擊性)的研究,提出了一種基于擴(kuò)展CA的行人疏散仿真模型;Hua等[12]提出了一種危險(xiǎn)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的聯(lián)合概率模型并建立了改進(jìn)后的二維CA模型,將危險(xiǎn)區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)概率與演化規(guī)則進(jìn)行耦合來模擬疏散過程。Cheng等[13]通過模擬了幾種基于社會(huì)力量模型(SFM)的場景,以評(píng)估中國北京“奧林匹克公園站”的行人疏散風(fēng)險(xiǎn)為例,開發(fā)了一種集行人踩踏概率和行人傷亡為一體的定量行人疏散風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。Gai等[14]考慮了疏散預(yù)警傳播的影響和健康后果的計(jì)算,提出了一個(gè)基于區(qū)域毒云釋放疏散模型的疏散預(yù)警評(píng)估框架;Wang等[15]使用Pyrosim與Pathfinder進(jìn)行模擬,對(duì)現(xiàn)有的疏散風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型進(jìn)行了改進(jìn),提出了一個(gè)多出口火源—地點(diǎn)選擇模型。

通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的分析,對(duì)于疏散風(fēng)險(xiǎn)的研究多應(yīng)用于學(xué)校、公寓、高層建筑、地鐵等場所,目前對(duì)地下礦井火災(zāi)的研究較少。由于地下礦井的疏散過程與地上建筑不同,所以建立地下礦井火災(zāi)疏散風(fēng)險(xiǎn)模型至關(guān)重要。此外,本文提出了一種新的地下礦井火災(zāi)疏散風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,并對(duì)疏散風(fēng)險(xiǎn)模型進(jìn)行了改進(jìn),能夠直觀地展示井下不同巷道的疏散風(fēng)險(xiǎn)分布。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件Pyrosim建立金屬礦山模型模擬礦井火災(zāi)并觀察其溫度、CO濃度、煙氣可見度在礦井中的變化,基于溫度、CO濃度對(duì)礦井每個(gè)區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,利用Pathfinder進(jìn)行火災(zāi)疏散模擬,得出若干疏散路徑,對(duì)得出的若干條疏散路徑的風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算比較得出最佳(風(fēng)險(xiǎn)值最低)的一條路徑。

1 疏散風(fēng)險(xiǎn)模型

發(fā)生火災(zāi)時(shí),空間內(nèi)的人員能否安全疏散,取決于必須安全疏散時(shí)間(REST)和可用安全疏散時(shí)間(ASET),為保障人員能夠安全疏散,就必須要RSET≤ASET。ASET是指從火災(zāi)開始到火災(zāi)環(huán)境惡化到以至于井下人員再也無法疏散的持續(xù)時(shí)間,也可以認(rèn)為是從火災(zāi)開始到火災(zāi)產(chǎn)生的危險(xiǎn)因素威脅到人員無法疏散的持續(xù)時(shí)間,RSET是火災(zāi)發(fā)生后井下人員疏散到安全區(qū)域所需的時(shí)間。Zhang 等[16]提出可以用安全出口時(shí)間(ASET)與所需安全出口時(shí)間(RSET)的關(guān)系來表達(dá)疏散風(fēng)險(xiǎn)。它也可以被認(rèn)為是從火災(zāi)開始到危險(xiǎn)因素危及疏散的持續(xù)時(shí)間。需要RSET的火災(zāi)模型或現(xiàn)場模擬可以確定ASET?；馂?zāi)疏散風(fēng)險(xiǎn)研究主要包括火災(zāi)數(shù)值模擬、人員疏散模擬和疏散風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。首先,研究確定火災(zāi)場的溫度、一氧化碳(CO)等有害氣體在礦井中的濃度分布變化,通過Pyrosim模擬火災(zāi)確定各個(gè)區(qū)域的ASET。然后,通過Pathfinder模擬井下疏散,得到原本在不同區(qū)域的人員疏散情況,確定這些區(qū)域的RSET。最后,根據(jù)疏散風(fēng)險(xiǎn)來比較各個(gè)疏散路線的風(fēng)險(xiǎn)值來確定最佳逃生路線,該模型也可以計(jì)算礦井內(nèi)部人員的疏散風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 可用安全疏散時(shí)間(ASET)

礦井火災(zāi)中造成井下人員傷亡的主要因素是快速蔓延至大部分巷道的有毒煙氣。在這些有毒煙氣中,最致命的氣體是高濃度的CO、CO2,而往往當(dāng)CO2還沒達(dá)到致命濃度時(shí),CO就已經(jīng)達(dá)到致命濃度,因此井下人員必須在CO達(dá)到致命濃度前疏散。所以,本文以煙氣中CO濃度、溫度為指標(biāo)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)值。本研究認(rèn)為CO濃度到達(dá)500×10-6,溫度達(dá)到60 ℃是危險(xiǎn)的。本研究在前人的研究基礎(chǔ)上,將ASET的計(jì)算進(jìn)行了改進(jìn),引進(jìn)了火災(zāi)人員極限忍耐時(shí)間公式,提出了一種新的ASET計(jì)算方法。

式中,Tco為該區(qū)域的CO濃度首次達(dá)到臨界值5×10-4mol/mol的時(shí)間;Tt為該區(qū)域的煙氣溫度首次達(dá)到臨界值60 ℃的時(shí)間;tco為在該區(qū)域內(nèi)吸入最高濃度CO氣體的極限忍耐時(shí)間;tT為在該區(qū)域承受最高溫度的極限忍耐時(shí)間;ρco為該區(qū)域CO的濃度;T為該區(qū)域的溫度。

1.2 必須安全疏散時(shí)間(REST)

當(dāng)井下最后一個(gè)人員完成疏散,到達(dá)安全區(qū)域即整個(gè)疏散過程完成。REST可以分為識(shí)別時(shí)間、預(yù)動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作時(shí)間,如圖1所示。

圖1 火災(zāi)疏散時(shí)間Fig.1 Fire evacuation time

式中,Tr為識(shí)別時(shí)間,為火災(zāi)發(fā)生后人員識(shí)別所需要的總時(shí)間,即人員接收火災(zāi)報(bào)警器信號(hào)所需的時(shí)間;Tpre為井下人員開始采取行動(dòng)之前的一段時(shí)間,即從火災(zāi)通知發(fā)布到井下人員開始采取疏散行動(dòng)之間的一段時(shí)間;Tm為井下疏散開始到最后一個(gè)人員疏散至安全區(qū)域之間的時(shí)間。

疏散人員的反應(yīng)速度等多種因素都會(huì)影響預(yù)動(dòng)作時(shí)間。在本研究中,假設(shè)人員在感知到警報(bào)和信號(hào)后立即對(duì)疏散做出反應(yīng),因此,本研究假設(shè)預(yù)動(dòng)作時(shí)間為0。

當(dāng)火勢發(fā)展到一定程度時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量的熱量和煙氣。礦井內(nèi)的煙霧探測器會(huì)被激活并發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào),井下人員會(huì)被告知火災(zāi)開始,這就是識(shí)別時(shí)間。由于探測器不同,因此在此階段識(shí)別時(shí)間的確定是基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)[17]。前人[18]對(duì)探測器的識(shí)別時(shí)間進(jìn)行了大量的研究,并提出了火災(zāi)識(shí)別時(shí)間的計(jì)算式:

式中,g為重力加速度,通常取9.8 m/s2;u為煙霧從天花板穿過探測器的速度,m/s;R為探測器到火源中心的徑向距離,m;H為建筑地板到天花板的距離,m;α為火災(zāi)生長系數(shù);Cp為室外環(huán)境空氣比熱;T∞、ρ∞為室外環(huán)境空氣溫度和密度。

在本文中,煙霧從天花板穿過探測器的速度為1.5 m/s,探測器到火源中心的徑向距離為3 m,建筑地板到天花板的距離為3 m,火災(zāi)生長系數(shù)為0.046 89 kW/t2,由式(5)計(jì)算得出火災(zāi)識(shí)別時(shí)間為38.67 s。

1.3 井下疏散風(fēng)險(xiǎn)模型

疏散風(fēng)險(xiǎn)不同于一般的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。一般的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,量化標(biāo)準(zhǔn)是將危險(xiǎn)事件發(fā)生的概率乘以該事件可能造成的后果。而目前關(guān)于建筑火災(zāi)疏散風(fēng)險(xiǎn)的研究大多只與RSET和ASET有關(guān)[19],但這2個(gè)參數(shù)只能幫助確定建筑物的整體疏散風(fēng)險(xiǎn),不能幫助確定礦井內(nèi)各個(gè)區(qū)域的疏散風(fēng)險(xiǎn)。本研究提出了一種新穎的礦井火災(zāi)疏散風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,該方法直接反映了不同區(qū)域初始人員的疏散風(fēng)險(xiǎn),并通過加權(quán)的方法計(jì)算了這些區(qū)域的疏散風(fēng)險(xiǎn),利用這些區(qū)域的疏散風(fēng)險(xiǎn)可以判斷出礦井的最佳逃生路線。

礦井火災(zāi)時(shí)的疏散風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估:

式中,Rtotal為井下的總疏散風(fēng)險(xiǎn);n為被劃分的總區(qū)域數(shù);λ(x)為整體疏散的加權(quán)系數(shù),表示x區(qū)域的人數(shù)與建筑總?cè)藬?shù)之比;R(x)為最初位于x區(qū)域的人員疏散風(fēng)險(xiǎn)。

式中,m為最初位于x區(qū)域的人們完成疏散的總路徑數(shù);η(l)為疏散權(quán)重系數(shù),通過選擇路徑l疏散的人數(shù)與初始區(qū)域x的總?cè)藬?shù)之比計(jì)算得出;Rpath(l)為初始位于x區(qū)域的人員走路徑l完成疏散時(shí)的疏散風(fēng)險(xiǎn)。

式中,RSET(y)為原本位于x區(qū)域的人在y區(qū)域的滯留時(shí)間;ωt(y)表示疏散路徑l是否經(jīng)過y區(qū)域,如果經(jīng)過,ωt(y)=1,否則為0;Tpath(l)為原位于x區(qū)域的人員使用路徑l完成疏散所需的時(shí)間;ASET(y)為原位于x區(qū)域的人員通過路徑l到達(dá)y區(qū)域所需的安全疏散時(shí)間;RSETbefore(y)為原位于x區(qū)域的人員通過路徑l到達(dá)y區(qū)域所需的總疏散時(shí)間;Rh為每條路徑的最大疏散時(shí)間,研究者可以根據(jù)實(shí)際情況選擇一個(gè)值,本研究設(shè)為5;κ為系數(shù),人員在區(qū)域y停留的時(shí)間越長,κ越大,為了便于量化,表1給出了κ的取值范圍。

表1 κ值范圍Table 1 Value range of κ

2 礦井火災(zāi)疏散模擬

2.1 建立模型

2.1.1 工況介紹

某典型金屬礦井下現(xiàn)采用人工推車+電機(jī)車運(yùn)輸方式,328井和808盲井井下配有ZK1.5-6/250型架線式電機(jī)車4臺(tái),349井和289盲井井下配有ZK1.5-6/250型架線式電機(jī)車3臺(tái),礦廢石裝入0.55 m3翻斗式礦車,由電機(jī)車牽引至中段車場,由各豎井罐籠接力提升至地表。中段鋪設(shè)15 kg輕軌,軌距600 mm,3‰重車下坡。地表采用汽車公路運(yùn)輸方式。某典型金屬礦井下現(xiàn)采用機(jī)械抽出式通風(fēng)方式,側(cè)翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng),現(xiàn)有K40-11型軸流式風(fēng)機(jī)1臺(tái),安裝在349北風(fēng)井內(nèi)。井下采用局扇輔助通風(fēng),風(fēng)機(jī)型號(hào)為JK58-No.4。

2.1.2 物理模型

根據(jù)該礦山的具體情況,建立礦山外部及內(nèi)部巷道模型。由于礦山外部模型不影響巷道煙氣流動(dòng),所以在建模中為了節(jié)約時(shí)間,在不影響數(shù)值模型結(jié)果的準(zhǔn)確性條件下,對(duì)模型做出了適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

根據(jù)礦山的大致尺寸,如果將礦山視為一個(gè)區(qū)域設(shè)置網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)將會(huì)太多,FDS無法計(jì)算,所以將網(wǎng)格分為10個(gè)矩形計(jì)算區(qū)域來減少網(wǎng)格數(shù),以此避免不必要的計(jì)算時(shí)間。由于在FDS模擬中網(wǎng)格的大小直接影響了計(jì)算結(jié)果的精度(網(wǎng)格越小,結(jié)果越精確),所以本文盡可能將網(wǎng)格設(shè)置得很小,設(shè)置的網(wǎng)格大小為1 m×1 m×1 m,總網(wǎng)格數(shù)為219 251。由于礦山的通風(fēng)系統(tǒng)為兩翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng),邊界條件為在-402 m中段設(shè)置主扇,風(fēng)量為22.12 m3/s,豎井處設(shè)置局扇,風(fēng)量為17.2 m3/s,在-433 m與-468 m的連接天井處設(shè)置局扇,風(fēng)量為8.6 m3/s,在-468 m與-503 m的東西處連接天井各設(shè)1個(gè)局扇,風(fēng)量為8.6 m3/s,模型圖如圖2所示。

圖2 礦井模型Fig.2 Mine model

式中,Q為火源熱釋放速率;α為火災(zāi)發(fā)展系數(shù);t為火災(zāi)發(fā)展時(shí)間。

火源的選擇應(yīng)遵循在最壞情況假設(shè)下選擇最容易發(fā)生火災(zāi)的地點(diǎn)的原則。一般情況下,井下所有人員完成疏散所需的總距離越長,人們?cè)诰o急情況下的疏散就越困難。因此,火源設(shè)置在-503 m中段的中間位置,大小為1 m×1 m×1 m,此處發(fā)生火災(zāi)對(duì)整個(gè)礦山的危害是最大的,并且逃生路線最長,本研究采用非穩(wěn)態(tài)模型中的t2火模型,將此模擬火源的總功率設(shè)為8 MW,火災(zāi)增長等級(jí)選用快速火,0.046 89 kW/t2,由式(10)可得t=413.01 s,即火源在413.01 s時(shí)達(dá)到最大熱釋放速率8 MW。最后,假設(shè)火災(zāi)發(fā)生時(shí)外部溫度為20 ℃,壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,礦井壁面設(shè)置為井下常見的花崗石,其熱物理性質(zhì)的參數(shù)見表2,模擬時(shí)間為1 200 s。

表2 巷道壁面巖石物理參數(shù)Table 2 Rock physical parameters of the roadway walls

為了能更加具體準(zhǔn)確地分析模擬結(jié)果并計(jì)算各個(gè)區(qū)域的疏散風(fēng)險(xiǎn)值,我們將礦井進(jìn)行了區(qū)域劃分,如圖3所示。在火災(zāi)模擬之前設(shè)置了切片及測點(diǎn),以便于分析剖面及測點(diǎn)位置的溫度、CO濃度、能見度等參數(shù)在井下的動(dòng)態(tài)分布情況。

圖3 礦井區(qū)域劃分Fig.3 Mine area division

2.2 火災(zāi)模擬結(jié)果分析

2.2.1 溫度分析

本文采用X=1.6 m處的溫度分布云圖來進(jìn)行分析,如圖4所示?？梢钥闯?火災(zāi)發(fā)生后,由于火勢較大,產(chǎn)生大量的煙氣,煙氣迅速擴(kuò)散,由于通風(fēng)系統(tǒng)的影響,煙氣不會(huì)擴(kuò)散到豎井和盲井內(nèi),而是順著風(fēng)流逐漸蔓延至回采工作面,并逐漸向上擴(kuò)散。當(dāng)t=66.4 s時(shí),火源處附近成為高溫區(qū)域,并將熱量順著風(fēng)流方向向回采區(qū)擴(kuò)散。t= 530.4 s時(shí),煙氣蔓延至整個(gè)回采工作面,并致使區(qū)域8、9全域達(dá)到人體最大耐受溫度,即60 ℃。t=1 107.4 s時(shí),煙氣逐漸蔓延至-402 m水平階段,順著風(fēng)流逐漸流向盲井出口,煙氣充滿了礦井,高溫使得許多逃生巷道變得難以承受。

圖4 礦井X=1.6 m處溫度云圖Fig.4 Temperature cloud at X=1.6 m

礦井內(nèi)各個(gè)區(qū)域的溫度變化如圖5所示(只列出有變化的區(qū)域),可以看出,區(qū)域9、區(qū)域8分別在t=187.8、329.8 s時(shí)達(dá)到了人類最大耐受溫度60 ℃,而其他區(qū)域均未達(dá)到,在疏散時(shí)可以優(yōu)先考慮這些區(qū)域。

圖5 礦井溫度變化Fig.5 Temperature changes

2.2.2 CO濃度分析

礦井火災(zāi)中各區(qū)域的CO濃度的變化如圖6、圖7所示。

圖6 礦井X=1.6 m處CO濃度分布云圖Fig.6 CO concentration distribution cloud at X=1.6 m

圖7 礦井CO濃度變化Fig.7 CO concentration changes

可以看出,當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí),由于區(qū)域8、區(qū)域9距離火源較近,所以上述區(qū)域的CO濃度最先發(fā)生變化。隨著火勢的發(fā)展,其他區(qū)域的CO濃度也開始逐漸升高。當(dāng)t=330.5 s,CO充滿了整個(gè)回采工作面并順著風(fēng)流向上流動(dòng)。t=452.6 s時(shí),區(qū)域8、區(qū)域9的CO濃度全部達(dá)到了人體最大耐受濃度,即5×10-4mol/mol。t=755.2 s時(shí),區(qū)域5、區(qū)域8的CO濃度全部達(dá)到了人體最大耐受濃度,并且順著風(fēng)流向盲井區(qū)域擴(kuò)散。t=1 134.3 s時(shí),CO順著風(fēng)流擴(kuò)散至盲井出口,至此CO充滿個(gè)礦井,嚴(yán)重影響井下人員呼吸,疏散工作極具挑戰(zhàn)性。

根據(jù)模擬結(jié)果得到的CO濃度與溫度值的變化并結(jié)合式(2),計(jì)算出了各區(qū)域的可用疏散時(shí)間如表3所示。

表3 各個(gè)區(qū)域的ASETTable 3 ASET for each areas

2.3 疏散風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

在本文中我們選擇用Pathfinder軟件來進(jìn)行疏散模擬研究,因?yàn)镻athfinder可以導(dǎo)入FDS模型,兩個(gè)軟件可以在相同環(huán)境下同步模擬,分析出人員疏散的相關(guān)數(shù)據(jù),増加了結(jié)果的科學(xué)性,這樣既科學(xué),又直觀的結(jié)果,可以得出人員疏散的最佳時(shí)間,減少人員傷亡[20]。

根據(jù)某典型金屬礦的井下巷道通風(fēng)系統(tǒng)來建立井下疏散仿真模型,由于-400 m水平以上的巷道已經(jīng)開采結(jié)束,這些巷道已經(jīng)被封堵,所以此次模擬只涉及還在使用的巷道,即-400 m中段以下。

據(jù)礦山的實(shí)際生產(chǎn)情況設(shè)置井下人員密度,同一工作時(shí)間井下最多有60個(gè)工作人員同時(shí)工作,在不同區(qū)域設(shè)置不同人員密度,設(shè)置人數(shù)如表4所示,共60人同時(shí)在井下工作。

表4 井下人員分布Table 4 Distribution of underground personnel

由于井下的疏散環(huán)境較差,如照明不夠、巷道道路不寬敞且存在積水現(xiàn)象,所以井下人員的逃生速度要較地上逃生速度慢,但是,處于危機(jī)情況下,井下人員逃生意識(shí)強(qiáng)烈會(huì)采取跑步的方式來進(jìn)行疏散,在礦井中由于斜巷與人行天井的角度比較大,所以疏散速度會(huì)較直巷慢一些。故根據(jù)SFPE手冊(cè)[21]和礦山實(shí)際工程狀況,結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn),得到礦井人員疏散的相關(guān)參數(shù)設(shè)置情況如表5所示。由文獻(xiàn)[21]的研究結(jié)果可知,在火災(zāi)疏散過程中人員疏散速度主要受溫度的影響,即溫度不同逃生速度不同如式(11),所以我們?cè)赑athfinder中根據(jù)式(11)的計(jì)算結(jié)果對(duì)各區(qū)域的在不同時(shí)間的速度系數(shù)(默認(rèn)值為1)進(jìn)行了設(shè)置。

表5 疏散人員參數(shù)設(shè)置Table 5 Parameter settings for evacuees

式中,Ts為火場溫度,℃;T0為井下常溫,20 ℃;v0為正常行走速度,取平均最低速度 1.7 m/s;vmax為最高疏散速度,取青年、中年男性的最高速度的平均值2.5 m/s;Te1為造成不適的溫度,取30 ℃;Te2為造成傷害的溫度,取60 ℃。

根據(jù)式(11)對(duì)各區(qū)域分別設(shè)置了當(dāng)區(qū)域溫度在35、40、45、50、55、60 ℃時(shí)的速度系數(shù)如表6。

表6 速度系數(shù)變化Table 6 Variation of speed coefficient

圖8為井下60名工作人員疏散的過程中的4個(gè)特征時(shí)間截圖,可以看出在8.8 s時(shí),井下人員的疏散方向已經(jīng)很明確地顯示出來,不同區(qū)域的人在按照不同路線隨機(jī)疏散并向選擇好的安全出口行進(jìn)。在119.6 s時(shí)第一位井下人員從豎井出口逃出,完成疏散,286.6 s時(shí)井下一半人員完成疏散,到708.5 s時(shí)所有人員完成疏散。

圖8 井下疏散過程Fig.8 Evacuation process of the mine

根據(jù)疏散模擬結(jié)果,表7列出了各區(qū)域人員的逃生路線及在各區(qū)域所用的時(shí)間。根據(jù)式(7)～式(9),可以確定原位于y區(qū)域的人員疏散風(fēng)險(xiǎn)值。由表3、表7中的數(shù)據(jù),可以計(jì)算出位于不同區(qū)域的人群的疏散風(fēng)險(xiǎn)如圖9所示。

表7 井下不同區(qū)域人員的疏散情況Table 7 Evacuation of people in different areas of the mine

根據(jù)圖9所顯示的各區(qū)域的疏散風(fēng)險(xiǎn)來看,由于區(qū)域9為距離火源最近的區(qū)域且為高溫?zé)煔庾钕攘魅氲膮^(qū)域,所以疏散風(fēng)險(xiǎn)值較高,明顯大于其他區(qū)域的疏散風(fēng)險(xiǎn)值,這與上文模擬分析得出的結(jié)論相吻合。

我們根據(jù)疏散模擬所呈現(xiàn)的疏散路線列出了可行的疏散路線如表7,并對(duì)這些路線的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行加權(quán)比較得出最佳疏散路線。根據(jù)表8得出的各疏散路線的疏散風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行比較得出:路線1<路線4<路線3<路線5<路線2,即路線1的疏散風(fēng)險(xiǎn)值最低為最佳疏散路線,如圖10所示。

表8 疏散路線風(fēng)險(xiǎn)值Table 8 Risk values for evacuation routes

圖10 井下最佳疏散路線Fig.10 Best underground evacuation route

3 結(jié) 論

本文在前人的研究基礎(chǔ)上,提出了一種新的礦井火災(zāi)疏散風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。更直觀地展示了礦井不同區(qū)域的疏散風(fēng)險(xiǎn)分布,提出了一種礦井避災(zāi)路線選擇模型,可為今后礦井火災(zāi)數(shù)值模擬研究提供參考。

以某典型金屬礦為研究對(duì)象,使用Pyrosim軟件建立金屬礦山避災(zāi)模型,同時(shí)在最壞情況假設(shè)下選擇最容易發(fā)生火災(zāi)的地點(diǎn)來模擬礦井火災(zāi),并觀察其溫度、CO濃度、煙氣可見度在礦井中的變化,基于溫度、CO濃度對(duì)礦井每個(gè)區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。利用Pyrosim模擬結(jié)果與Pathfinder進(jìn)行耦合來進(jìn)行模擬火災(zāi)疏散,同時(shí)考慮了個(gè)體之間的差異,通過對(duì)疏散模擬結(jié)果分析得出若干可行的疏散路徑,對(duì)得出的若干條疏散路徑的風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算比較得出最佳(風(fēng)險(xiǎn)值最低)的一條路徑。

(1)隨著火勢的發(fā)展,受通風(fēng)系統(tǒng)的影響,高溫?zé)煔鈺?huì)順著風(fēng)流方向蔓延至井下其他區(qū)域;由于風(fēng)流的稀釋,溫度隨著與火源的距離的增大而減小。

(2)在火災(zāi)模擬中,只有區(qū)域5、8、9分別在t=87.8、329.8、945.9 s時(shí)達(dá)到了人類最大耐受溫度60℃,而大部分區(qū)域都達(dá)到了CO的人體最大耐受濃度,可見CO濃度對(duì)井下人員疏散的影響很大,疏散時(shí)有必要佩戴供氧面罩等自救器。

(3)在疏散模擬中,第一位井下人員從豎井出口逃出的時(shí)間是119.6 s,井下一半人員完成疏散的時(shí)間是317.6 s,井下同時(shí)工作的60名工作人員全部疏散完成的時(shí)間為708 s,約為12 min。

(4)根據(jù)模擬結(jié)果計(jì)算出位于不同區(qū)域的人群的疏散風(fēng)險(xiǎn),并對(duì)各疏散路線進(jìn)行加權(quán)比較綜合得出實(shí)例礦山的井下最佳疏散路線為:二十二中段平巷→二十二中段與二十一中段之間的右側(cè)人行通風(fēng)材料天井→二十一中段平巷→二十一中段與二十中段之間的中側(cè)人行通風(fēng)材料天井→十九中段平巷→進(jìn)風(fēng)豎井。