基于人员健康度的矿山灾害逃生研究.pdf

中图分类号 ￡兰塑 U D C6 2 0 硕士学位论文 学校代码 Q 5 3 3 密级垒珏 基于人员健康度的矿山灾害逃生研究 R e s e a r c ho nM i n eD i s a s t e r sE s c a p e b a s e do nM i n e r ’SH e a l t hD e g r e e 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副指导教师 邹雪梅 计算机技术 数字化矿山 信息科学与工程学院 盛津芳副教授 罗先伟高工 论文答辩日期答辩委员会主席立 k 暨逸 中南大学 二零一三年五月 原创性声明 l I I I I III II I I I U U lII I II I IIII II Y 2 4 2 1 4 8 5 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 储繇罕造眺丛年上月越日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名社导师签名望丝日期盟年三月兰日 基于人员健康度的矿山灾害逃生研究 摘要基于可视化平台的矿山安全培训在现代化矿山中越来越重要。 在矿山井下逃生演练平台中，需要综合矿山井下的作业环境、灾害的 发展趋势等因素来确定逃生人员的最优路径以及救援方案。由于井下 灾害环境的复杂性和动态性，建立一个量化的指标为井下矿山事故的 逃生和救援提供依据是十分有必要的。 矿山井下灾害的逃生过程中，逃生人员受各种有害因素的影响。 目前的灾害逃生研究中，一般是将各个有害因素分离开来进行考虑的， 尚没有建立统一量化的标准。本文提出了“人员健康度”的概念，综 合分析了井下灾害中对人员身体状态造成影响的所有环境因素，为井 下灾害事故中的逃生与救援提供了量化的决策依据。本文研究内容如 下 i 分析了矿山井下主要灾害中对“人员健康度”造成影响的动态 环境因素，并分析了这些环境因素的数值模拟方法，根据演练平台的 需要对灾害因素的数值模型进行了适当地简化； 2 综合分析了井下灾害中各个危害因素对井下人员健康度的影响， 利用模糊综合评价方法量化了逃生过程中各个时间步长中的健康度 影响值，提出了井下灾害中逃生人员的健康度评价方法，并构建了基 于人员健康度的逃生与救援规则； 3 实现了灾害因素的数值模拟和健康度评价模型，构建了原型系 统，并以凡口铅锌矿为例，在矿山井下逃生与救援演练平台中进行了 火灾模拟，说明了人员健康度评价在演练平台中的应用。 实验证明，人员健康度能够对复杂灾害环境中的逃生人员状态进 行综合评价，可以方便地应用到逃生与救援演练平台中，指导井下灾 害中的逃生路径决策。 关键词矿山事故；逃生与救援；灾害数值模拟；健康度；模糊综合 评价 分类号T P 3 9 9 R e s e a r c ho nM i n eD i s a s t e r sE s c a p eb a s e do nM i n e r ’S H e a l t hD e 蓼e e A b s t r a c t M i n es a f e t yt r a i n i n gb a s e do nv i s u a lp l a t f o r mp l a y sm o r ea n d m o r ei m p o r t a n tr o l ei nm o d e mm i n e s ．I nt h em i n eu n d e r g r o u n de s c a p e t r a i n i n gp l a t f o r m , i tn e e d st oc o m b i n em i n e ’So p e r a t i n ge n v i r o n m e n tw i t h d i s a s t e r ’St r e n dt od e t e r m i n em i n e r s ’b e s te s C a p ep a t ha n dt h eo p t i m a l r e s c u eS O h t i o n ．D u et ot h ec o m p l e xa n dd y n a m i cf e a t u r e so fm i l l e d i s a s t e re n v i r o n m e n t ．i t ’Sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s haq u a n t i f i a b l ei n d i c a t o rt o p r o v i d et h eb a s i sf o rt h ee s c a p ea n dr e s c u eo ft h eu n d e r g r o u n dm i n e d i s a s t e r ． M i n e r se s c a p i n gf r o mam i n ed i s a s t e r s u f f e rf r o mm a n yh a r m f u l f a c t o r s ．M o s tc u r r e n tr e s e a r c ho fe s c a p ea n dr e s c u ei nm i n ed i s a s t e r s c o n s i d e rv a r i o u sh a r m f u lf a c t o r si n d i v i d u a l l y ．T l l i Sp a p e rp r o p o s e st h e c o n c e p t o fh e a l t h d e g r e e o f e s c a p i n gm i n e r s ，a n da n a r y z e s a l l e n v i r o n m e n t a lf a c t o r st h a t a f f e c t i n g m i n e r ’Sh e a l t h s y n t h e t i c a l l y ．I t p r o v i d e saq u a n t i f i a b l eb a s i sf o rd e c i s i o nm a k i n gi nt h em i n ed i s a s t e r ’S e s c a p ea n dr e s c u e ．T h em a i nw o r ko f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s 1 A n a l y z et h ef a c t o r st h a ta f f e c t i n gh e a l t hd e g r e ei nd i f f e r e n tm i n e d i s a s t e r sa n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d so ft h e s ef a c t o r s ，a n d s i m p l i f yt h en u m e r i c a lm o d e Io f d i s a s t e rf a c t o r sa c c o r d i n gt ot h en e e d so f m i n eu n d e r g r o u n de s c a p ea n dr e s c u e t r a i n i n gp l a t f o r m ． 2 A n a l y z et h ee f f e c to fe a c hh a r m f u lf a c t o rt om i n e r ’Sh e ．h , b u i l da m o d e lt oe v a l u a t ea l lf a c t o r s ’i n f l u e n c eo ne s c a p i n gm i n e r sb a s e do n f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 叩p m m h ，a n dt h e np r o p o s ead y n a m i c h e a l t hd e g r e ee v a l u a t i o nm e t h o do f m i n e r se s c a p i n gf r o mam i n ef n e ． 3 R e a l i z et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd i s a s t e rf a c t o r sa n db u i l da h e a l t he v a l u a t i o nm o d e la n dap r o t o t y p es y s t e m ．T h e nt a k i n gF a n k o u L e a d - Z i n cM i n ea sa ne x a m p l e ，s i m u l a t eaf i r ed i s a s t e r i nt h em i n e u n d e r g r o u n de s c a p ea n dr e s c u et r a i n i n gp l a t f o r m , a n di l l u s t r a t et h e a p p l i c a t i o no f t h eh e a l t hd e g r e ee v a l u a t i o n ． E x p e r i m e n t ss h o wt h a tm i n e r ’Sh e a l t hd e g r e ec a ne v a l u a t em i n e r ’S p h y s i c a ls t a t ei nc o m p l e xd i s a s t e re n v i r o n m e n ts y n t h e t i c a l l y , a n di tc a l lb e e a s i l ya p p n e dt ot h em i n ee s c a p ea n dr e s c u et r a i n i n gp l a t f o r m , t og u i d e t h ed e c i s i o n - m a k i n go f e s c a p e p a t hi nt h eu n d 唧u I l dd i s a s t e r s ． K e y w o r d s M 沁d i s a s t e r , E s c a p e a n dr e s c u e , D i s a s t e rn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；H e a l t hd e g r e e ；F u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n C l a s s i f i c a t i o n T P 3 9 9 V 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．． A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 研究内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 论文的组织结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 矿山井下灾害事故及逃生影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 2 ．1 矿山井下灾害事故分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 ．1 金属矿山井下灾害⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．1 ．2 煤矿井下灾害⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2 井下灾害中影响逃生的因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．1 井下火灾中逃生影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 ．2 井下爆破事故中逃生影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．3 人员健康度的概念和适用范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 井下灾害环境中有害因素的动态模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．1 井下火灾数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 ．1 ．1 烟流污染范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．1 ．2 温度的分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．1 t 3 浓度的分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 井下爆破灾害数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．2 ．1 有毒气体在不通风巷道中的扩散模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 ．2 有毒气体在通风巷道中的扩散模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3 灾害初始数据的设定和获取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 3 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 4 井下灾害中人员健康度评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．1 人员健康度评价过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 4 ．2 健康度影响值评价模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 4 ．3 井下火灾中人员健康度评价及实例分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 8 V 4 ．3 ．1 井下火灾中人员健康度评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 - 3 ．2 井下火灾实例分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．4 基于人员健康度的逃生与救援规则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 4 ．4 ．1 单因素致死判断⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．4 ．2 人员健康度损失值最小化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 人员健康度评价原型系统及应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．1 人员健康度评价原型系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．1 ．1 主程序模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 5 ．1 ．2 数据服务模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 5 ．2 原型系统的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 6 总结和展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 6 ．1 研究总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 6 ．2 工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 攻读学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 致i 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 中南大学硕士学位论文 l 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景及意义 在我国，尽管矿山的安全管理越来越规范，但矿山事故仍然频频发生。据统 计，2 0 0 9 年，煤矿事故1 6 1 6 起，死亡2 6 3 1 人；2 0 1 0 年，煤矿事故1 4 0 3 起，死亡人 数2 4 3 3 人【。2 0 1 2 年1 ．6 月份，四川省发生矿山事故共7 3 起，死亡9 3 人【2 】；2 0 1 2 年1 ．7 月份，安徽省非煤矿山发生各类生产安全事故2 9 起，死亡4 1 人【3 1 。从事故分 析可以看出，这些事故大多数是由于井下人员缺乏安全意识或者相关的安全知识 导致的，因此，矿山安全培训亟待进一步加强。 传统的矿山安全培训面临3 个方面的问题一是井下作业人员大多文化水平 不高，不愿意学习安全培训手册等文字资料；二是井下作业环境复杂，刚参加工 作的矿工较难很快适应环境；三是井下作业人员安全意识不高，不愿意了解和遵 守安全作业规范。基于3 D 技术对金属矿山虚拟环境建模，对井下环境进行模拟， 并建立安全培训系统，可有效解决传统安全培训的上述问题。 国家安监局于2 0 1 1 年颁布的金属非金属地下矿山安全避险‘六大系统’ 建设规范 简称“六大系统” 中强调了“人员定位系统”、“监测监控系统”以 及“通信联络系统”的一体性【4 】。矿山在发生重、特大事故的时候，救援过程可 以依赖“六大系统”中的有毒有害气体传感设备采集到的数据提供更完善的决策 依据。同时，金属矿山安全避险“六大系统”中的紧急避险设施、压风自救系统 和供水施救系统提供的辅助救援设备将会提升井下作业人员在重大突发事故发 生时成功逃生的概率，“六大系统”对井下事故的逃生和救援具有重要作用。 基于以上所述，项目组建立了金属矿山灾害逃生演练平台 3 D - M T m i n i n g ， 为安全避险“六大系统”实现了3 D 可视化建模，针对矿山井下某个作业地点发 生的突发事故，可对井下作业人员的逃生和救援进行可视化模拟演练。 在矿山灾害可视化模拟演练过程中，需要综合矿山井下的作业环境、突发事 故中的灾难因素等来确定逃生人员的最优路径以及救援方案。目前，在矿山井下 事故中，对于逃生规划和救援措施的选择并没有统一的标准可遵循，基本上是依 赖于常识和经验，但逃生和救援人员的经验水平不一，某些人员可能由于经验的 不足而导致丧失逃生机会。不管是对于逃生人员还是救援人员，即使是经验丰富， 没有量化的依据，在作决策时也是很难把握的，尤其是在复杂的事故环境中，加 上紧张惊恐等心理因素，更是需要某些明确的依据来提供指导。因此建立一个量 化的指标为井下矿山事故的逃生和救援提供依据是十分有必要的。 中南大学硕士学位论文1 绪论 1 ．2 国内外研究现状 对于井下灾害的逃生与救援，国内外研究主要集中在3 个方面。一是井下灾 害的模拟仿真二是逃生路径和人员疏散模型的研究；三是井下灾害的各种致命 因素研究。 灾害的数值模拟方面的研究主要集中于井下火灾和毒气扩散的数值模拟。对 于火灾，一般是直接利用F D S F i r eD y n a m i c sS i m u l a t o r , F D S 、C F A s T T h e C o n s o l i d a t e dM o d e lo fF i r ea n dS m o k eT r a n s p o r t ，C F A S T 等火灾模拟软件进行模 拟，得到温度场浓度场等数值分布。文献【5 】利用F D S 模拟了不同工矿条件下地 下停车场的火灾发展过程。文献【6 ．8 】研究了F D S 在地下隧道的火灾模拟中的应 用。其中文献【8 】详细地研究了公路隧道火灾后隧道内的速度场与温度场分布， 并将结果应用于人员逃生和救援分析中。该文通过大量三维数值模拟分析，得出 了火灾时隧道内不同区域温度的传播分布规律，并根据人员极限忍受温度与极限 忍受时间的关系，得出了火灾上游安全救援时间和位置、火灾下游安全逃生位置 及可能逃生的区域。文献【9 】利用F D S 建立了井下通风系统的3 D 模型，并利用 混合组分模型模拟了电缆火灾中的烟气传播过程。文献[ 1O ] 币t J 用混合组分模型和 有限体积热交换模型建立了火焰和烟气的C F D C o m p u t a t i o n a lF l u i d D y m m i c s ，C F D 模型。文献【1 1 】利用文献[ 1 2 ] q h 的矿井火灾时期温度分布的计算模 型，编写软件实现了火灾中烟流传播过程及温度分布的模拟。文献[ 1 3 1 建立了描 述矿井火灾烟流流动的微分方程组及求解此方程组的差分方程组。 对于有毒气体扩散的模拟，文献[ 1 4 1 5 ] 研究了毒气扩散的各种模型，包括高 斯模型、S u t t o n 模型等。文献[ 1 6 1 N t F 井瓦斯爆炸毒害气体在矿井通风系统中的 传播规律进行了研究，描述了矿井瓦斯爆炸现象和毒害气体扩散传播的基本过程， 分析了有毒气体在巷道有风和无风的情况下的扩散模型，以及有毒气体在通风网 络中的传播规律，并应用F L U E N T 模拟了瓦斯爆炸传播过程中各种毒害气体浓 度变化。文献【1 7 】在高斯烟团模型的基础上，对瓦斯爆炸中的毒气扩散进行了研 究，给出了适用于井下瓦斯爆炸事故中有毒气体扩散的公式，并修正了其中的扩 散参数。 上述文献虽然对基本的数值方程进行了理论描述，但在实现过程中需要考虑 边界条件的选择，且需要根据不同的需求，对各种理论方程进行选择和优化。 逃生路径和疏散模型方面，文献[ 1 8 】构建了一个火灾现场的逃生模型，引入 了自主虚拟人的概念，自主虚拟人可以根据一定规则产生认知行为，文中考虑了 其对环境的熟悉度、当前环境下的惊慌度和体力值等。文献[ 1 9 1 分析了在进行矿 井巷道最佳避灾路线研究时，影响最佳避灾路线效率的两个主要方面的因素，分 别为巷道方面和算法方面，巷道方面包括事故中巷道的可通行性和通行所需时间； 2 中南大学硕士学位论文l 绪论 算法方面包括巷道网络存储方式、最优策略的规划、算法的数据结构以及算法优 化途径。在求解最优路径时，基本上是以经典的D i j k s t r a 算法为基础算法，在此 基础上进行改进，综合考虑了矿山井下巷道的一些因素如事故时巷道气体类型、 通风条件、火灾的程度，巷道的高度与宽度、水淹的程度等等，引进了综合权值 的概念口m 丑1 。在不同的灾害条件下，逃生路径的权值因素是不同的，目前的研究 中只是针对单种类型的灾害建立综合权值模型，没有针对多种灾害的综合模型， 且也未对模型中的参数给出明确的取值范围和取值方法。 井下灾害的致命因素研究方面。文献【2 4 】对现有粉尘爆炸危险性评价方法进 行了介绍，指出了存在的问题，并对粉尘爆炸危险性评价方法提出了改进建议。 文献【2 5 ．2 6 ] 介绍了环境健康指标 E n v i r o n m e r g a lH e a l t hI n d i c a t o r s ，E l l i s 以及健 康危险度评价，并讨论了如何表达环境与健康之间的相互关系，以及如何建立以 它们的关联为基础的指标。文献[ 2 7 】针对微量元素摄入过量或不足所可能产生的 健康危害，提出了危险度评价原则和方法，对于评价食物供给不足给人员健康度 带来的影响有借鉴作用。 目前国内外有大量关于火灾致命因素的研究。这些研究基本上都是将各个影 响因素的危害分离开来考虑的，且主要集中于对火灾烟气的成分和毒性的研究。 井下火灾中的主要致死因素为烟气，文献[ 2 8 3 0 】分析了火灾烟气中的有毒气体成 分及浓度。目前已有多种模型来评估烟气毒性危害，包括C O 随机模型、F E C 、 F E D 和N 气体模型掣3 1 - 3 3 1 。其中，N 气体模型引入了各种气体的实验数据，其 应用较为广泛【3 4 - 3 5 】。但N 气体模型一般基于实验所规定的3 0 分钟暴露时间，文 献【3 5 】对N 气体模型进行了改进，引入了半致死浓度 L e t h a l i t yC o n c e n t r a t i o no f 5 0 ％L C 5 0 与暴露时间的关系，使得该模型在非标准暴露时间的毒性评价上更加 准确。文献【3 6 】【3 7 】从逃生人员的角度，研究了毒气致命时间和人员在烟气中的 耐受能力。 上述各种评价模型仅从烟气的组分和静态浓度来描述烟气毒性，不能真实反 应烟气浓度的时空变化及其给逃生人员的影响。文献【3 8 】基于人员呼吸率、人员 逃生路径以及烟气的浓度场分布3 个因素建立了R R C R e s p k a t i o n , R o u t ea n d C o n e e n t r a t i o n , R R C 动态烟气毒性危害评价模型，对上述模型进行了改进，该文 提出了对烟气毒性进行动态评价的思路，但模型中的变量和参数的具体算法和设 定还有待进一步研究。文献[ 3 9 】引入了“健康度”的概念，作为影响人员疏散方 向和速度的一个因子。该文引入的健康度考虑了氧气、一氧化碳和二氧化碳浓度 的影响，但没有考虑温度、热辐射等其它危害因素的影响，且没有对各个因子的 权重进行分析，文中直接对各个因子赋予了相同的权重。目前尚没有一种统一量 化的方法来评价包括火灾烟气在内的各个因素对逃生人员的综合影响。 中南大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．3 研究内容和方法 本文提出“人员健康度”的概念，基于人员健康度，分析矿山井下火灾和爆 破灾害中的人员逃生与救援，主要研究内容如下 1 分析井下火灾和爆破灾害中对“人员健康度”造成影响的环境因素，并对 这些因素进行数值模拟； 2 综合分析井下事故中各个危害因素对井下“人员健康度”的影响，量化健 康度影响值，建立井下事故的人员健康度评价模型； 3 结合矿山灾害的实际情况，建立基于人员健康度的逃生与救援规则； 4 基于以上3 方面的内容构建原型系统，并基于原型系统对火灾实例进行模 拟。 对于灾害环境因素的模拟，由于本文的研究需要用于紧急救援演练平台中， 很难直接整合F D S 的源代码，因此本文直接用数值方程来得到灾害因素的数值 变化情况。灾害环境的数值模拟模型众多，本文根据井下环境的实际情况以及模 拟演练系统的需要，对各个环境因素的模拟模型进行了选择和简化，并给出了具 体的边界条件和参数取值范围。 “人员健康度”是个模糊的概念，其影响因素较多，且在不同的灾害中有不 同的影响因素。本文借鉴了模糊综合评价方法，使单因素的影响隶属于一个模糊 区间，并根据实际灾害中不同影响因素的致死率对不同影响因素赋予不同的权值， 对各个单因素影响进行综合，建立了“人员健康度”影响值评价模型。 1 ．4 论文的组织结构 本文共分六章。各章节的主要内容如下 第一章首先介绍了矿山灾害的严峻形势，指出了井下安全培训的必要性和急 迫性，分析了现有培训方法面临的问题。针对传统安全培训的不足，介绍了项目 组研发的3 D 金属矿山井下灾害逃生演练平台 3 D M T r a i n i n g 。并指出了在该平 台的逃生与救援规划中，针对逃生目标建立一个量化的度量值的必要性和重要性。 第二章简要介绍了矿山井下灾害事故，细化了本文研究的灾害范围，并对主 要灾害中的逃生影响因素进行了分析。在分析了各类灾害及影响因素的基础上， 指出了“人员健康度”的适用范围以及作用。 第三章对井下灾害中的动态环境因素的数值模拟方法进行了介绍。井下火灾 环境因素的数值模拟从温度、烟气和氧气3 个方面展开，井下爆破灾害则主要分 析了有毒气体在不同通风条件下的扩散模型。在矿山事故逃生演练平台 如 3 D - M T r a i n i n g 中，人员健康度评价所需的灾害环境数据需要通过实现本章所提 4 中南大学硕士学位论文 1 绪论 供的数值模拟方法来得到。 第四章利用模糊综合评价方法建立了人员健康度影响值评价模型，量化了各 种环境危害因素对逃生人员健康度的不利影响。并以井下火灾为例，分析了井下 火灾中的健康度影响因子，确定了将健康度影响值评价模型用于火灾时的参数和 阈值，给出了火灾中“人员健康度”的评价算法，并以一个小型火灾实例，说明 了人员健康度评价方法的实际运用以及合理性。在健康度评价方法的基础上，说 明了基于人员健康度的逃生与救援规则。 第五章实现了健康度评价原型系统，原型系统中实现了第三章分析的灾害数 值模拟方法，以及第四章中提出的健康度评价方法，并提供了服务接口供矿山事 故逃生与救援演练平台调用。在原型系统的基础上，以凡口铅锌矿中发生火灾为 例，说明了健康度评价在演练平台中的运用。 第六章对本文所做的工作进行了总结，并对井下灾害中的人员健康度评价及 其应用的研究进行了展望。 中南大学硕士学位论文 2 矿山井下灾害事故及述生影响因素分析 2 矿山井下灾害事故及逃生影响因素分析 矿山包括煤矿、金属矿、非金属矿、化学矿等。矿山灾害主要是指在矿山开 采的过程中所引起的各类重大灾害，包括井上灾害和井下灾害，其中井下灾害主 要包括火灾、水灾、爆炸、中毒、滑坡、塌陷、冒顶、坠井等。对于矿山井下灾 害的研究主要集中于金属矿山的井下灾害和煤矿井下灾害。因此本章主要对这两 种类型的矿山中的灾害进行分析。对这两种矿山中的灾害进行基本分析后，将本 文研究的灾害种类进一步缩小到火灾和爆破事故，并分析了这两类事故中的逃生 影响因素。接着提出了“人员健康度”的概念，并分析了其适用范围。 2 ．1 矿山井下灾害事故分析 2 ．1 ．1 金属矿山井下灾害 金属矿山灾害可分为地质灾害和非地质灾害。目前，影响我国地下金属矿山 安全生产的主要是地质灾害，包括地表塌陷、地表沉降、地下水灾、冒项片帮、 深井岩爆等。地下水灾主要包括矿坑透水涌水、地面塌陷、井下泥石流等灾害。 近年来由于开采行为的增加，导致地下结构发生改变，因而引起矿山地质灾害频 频发生，造成大量的人员伤亡和财产损失，因而矿山地质灾害的防控越来越受重 视。 金属矿山非地质灾害主要包括矿井火灾、爆炸事故、气体中毒、物体撞击等。 尽管这些灾害的发生频率很低，但是一旦发生，则破坏力很大，不仅威胁到矿工 的生命安全，还将造成矿山的经济损失，例如，2 0 0 9 年9 月8 [ 3 2 0 时左右，河南三 门峡市灵宝县金源矿业公司五分公司王家峪矿区，由于项板坍塌造成输电线短路， 引发火灾事故，造成1 3 人死亡【4 2 1 。 基于灾害本身的性质，对于地质灾害的研究，主要集中于预警监测、安全评 估和防治对策等。而对于非地质灾害，则有较多关于逃生的研究，尤其是在火灾 和炮烟中毒中，逃生一般需要持续很长一段时间，且逃生的成功与否会受诸多因 素的影响，因此关于逃生的研究具有非常重要的意义。下面主要对火灾和炮烟中 毒进行初步的介绍。 按照引起火灾的热源，火灾可分为内因火灾和外因火灾【4 0 1 。 1 内因火灾。是指岩层或者含硫矿物由于自身的物理或化学变化，在一定条 件下导致着火，加上一定的风量，从而形成的火灾。由于硫化物具有自燃倾向， 因此开采硫化矿床的矿山比较容易发生内困火灾。据统计，我国己开采的硫化铁 矿山占2 0 ％- 3 0 ％左右，其中，5 ％- 1 0 ％的硫化矿具有发生内因火灾的可能性【4 。 中南大学硕士学位论文 2 矿山井下灾害事故及逃生影响因素分析 由于空气供给不足，矿山内因火灾通常发展比较缓慢，一般无显著的火焰，但是 却有可能产生大量的有毒有害气体。 2 外因火灾。是指由外部热源所引起的火灾，常见的外因火灾的原因包括瓦 斯爆炸、爆破作业、电路短路、机械摩擦以及其他人为明火等。 根据统计，我国非煤矿山中外因火灾所占的比例较大，占火灾总数的 8 0 0 ／0 - 9 0 ％，是非煤矿山火灾的主要原因。内因火灾所占比例为1 0 ％．2 0 ％，主要发 生在开采含有硫化矿物的矿山中【4 2 1 。 按照火源地点在矿井通风系统中的位置来分类，火灾又分为上行风流火灾、 下行风流火灾和进风流火灾。 1 上行风流火灾。是指引起火灾的风流从标高的低点流向高点。 2 下行风流火灾。是指引起火灾的风流从标高的高点流向低点。 3 进风流火灾。是指在入风井、进风大巷或迎风巷发生的火灾。 金属矿山中可燃物较少，发生火灾的情况并不常见，正因如此，火灾的相关 安全培训可能相对薄弱，一旦发生火灾，由于巷道环境、通风情况和火灾情况的 复杂性，将可能对矿工生命安全造成非常大的威胁。 矿山地下开采作业中，经常需要利用炸药来进行爆破作业，以便开拓井下巷 道或爆破采岩。在爆破过程中，炸药的爆炸会产生大量的炮烟，其中包含了多种 有毒有害气体，其成份主要有一氧化碳 C O 、二氧化碳 C 0 2 、氮氧化物∞O 、 N 0 2 、甲烷 C H 4 、氨 N H 3 、二氧化硫 S 0 2 、硫化氢 H 2 S 、氰化氢 H C N 等，这些气体对人体伤害极大。当人体吸入一定量这些气体后，轻则引起头痛、 心悸、呕吐、四肢无力和昏厥，重则引发痉挛、窒息甚至死亡。炮烟中包含的这 些有毒有害气体导致的人员中毒即炮烟中毒。根据统计，2 0 0 1 ．2 0 1 0 年期间，我 国非煤矿山因炮烟中毒共死亡1 5 6 2 人，占总死亡人数的7 ．3 5 ％，死亡总人数居各 类事故中的第五位。根据国家安全生产监督管理局政府网站的事故统计，从2 0 0 6 年至1 J 2 0 1 2 年的非煤矿山事故中，仅炮烟中毒共有2 0 起，累计死亡人数高达8 3 人， 单起事故死亡人数最多为8 人【4 3 】。因此，炮烟中毒也是金属矿山灾害中危害较严 重的灾害之一，有必要对炮烟中毒事故中的逃生与救援进行研究。 2 ．1 ．2 煤矿井下灾害 在矿山安全生产过程中，煤矿是事故发生率最高的矿山种类。我国采用“百 万吨死亡率”来反映煤矿安全生产状况，它表示煤矿每产出原煤1 0 0 万吨的过程 中，因生产事故所造成的死亡人数。据国家安监局发布的数据，2 0 0 9 年我国煤矿 百万吨死亡率为0 ．8 9 2 ，首次降N 1 以下，2 0 11 年和2 0 1 2 年分别为0 ．5 6 4 、0 ．3 7 4 ， 相较于2 0 0 8 年以前，我国的煤矿百万吨死亡率有大幅下降。但美国2 0 0 9 年的煤矿 中南大学硕士学位论文 2 矿山并下灾害事故及远生影响因素分析 百万吨死亡率仅为0 ．0 3 ，2