掘进巷道火灾人员应急疏散数值模拟研究

张 娇，王筱冬

(榆林学院 能源工程学院，陕西 榆林 719000)

0 前 言

矿井掘进巷道存在很多电气设备，并且还存在用火和爆破作业[1]，所以该场所是矿井火灾高发的区域，同时矿井掘进巷道也是人员密集度高的场所，所以矿井掘进巷道是矿井高风险区域之一，通过对矿井掘进巷道火灾蔓延规律以及人员应急疏散情况进行研究，从而改善矿井应急避难硐室的布置，来提高人员的应急疏散速度，对减少矿井掘进巷道火灾时人员的伤亡具有重要意义。目前对于矿井火灾的研究大多集中在工作面，掘进巷道火灾规律的研究尚少，大多是对掘进巷道通风的研究；矿井井下避难硐室布置[2]和人员应急疏散[3]的研究偏向于整个矿区，尚未对掘进巷道的人员疏散及避难硐室的布置进行细致、深入研究；1981年常心坦[4]首次研发出矿井火灾模拟MFIRE软件，近些年大多学者采用FDS软件对矿井火灾进行数值模拟[5]；1995年Helbing D等[6-7]首次提出社会力模型对人员疏散进行研究，近些年基于Agent-Based模型开发出的Pathfinder疏散仿真模拟软件[8]被广泛的应用于各个领域的人员疏散研究。本文采用Pyrosim火灾仿真模拟软件及Pathfinder人员疏散仿真模拟软件对矿井掘进巷道仿真真实情况进行建模，研究掘进巷道的火灾蔓延规律，及不同避难硐室布置的情况下人员应急疏散情况，提出矿井掘进巷道避难硐室设置的合理方案。

1 建模

1.1 火灾模型构建

PyroSim是Fire Dynamics Simulator(FDS)的图形用户界面[9]。PyroSim可快速创建和管理复杂火灾模型的细节，使建模更加简单、方便，可以准确的监测火灾温度、烟气流动和有毒有害气体浓度分布，现被广泛的应用于各领域火灾仿真模拟。

图1 掘进巷道火灾模型

模型中为两条同时施工的掘进巷道，且每隔50 m设置一个联通巷，按照1∶1比例构建一个深220 m、宽16 m同时掘进的两条巷道；模型中共建立6个网格，其中2个是掘进巷道，尺寸为220 m×3 m×3 m，另外4个是联通巷，尺寸为2 m×10 m×2 m，考虑到计算精确度及计算所需时间，网格大小设置为0.5 m ×0.5 m ×0.5 m，总共32960个网格；在独头巷道末端高为0.6 m的火源基座上设置个面积为1 m2的火源，火源类型设置为稳态火源，热释放速率设置为1 055 kw/m2的中速火源[10]；巷道中风速设置为1 m/s；在2条掘进巷道与4条联通巷的交汇处分别设置8个高为1.6 m的烟雾探测器(SD0～7)，用于监测烟雾浓度的变化；温度设置为20℃；模拟时间为300 s；火灾模型的3D图形见图1所示。

1.2 人员疏散模型构建

美国Thunderhead Engineering公司基于Agent-Based模型开发出Pathfinder疏散仿真模拟软件，由于该软件中赋予人员高智能，模拟结果较符合真实情况，被广泛的应用于各领域应急疏散研究。

模型中按照1:1比例构建一个深220 m、宽16 m的掘进巷道系统，2条巷道长220 m、宽3 m，4条联通巷道长10 m、宽2 m；矿井井下工作人员都为成年男性，人员肩宽设置为42.7 cm[11]，矿井井下能见度不好且道路凹凸不平，人员疏散最大速度设置为0.98 m/s[12-13]，由于掘进巷道施工人员较多在2条掘进巷道独头处分别密集设置15人，再在整个区域内均匀分布51人，掘进巷道区域内共81人，矿井井下的避难硐室相当于人员疏散的出口，故根据避难硐室的情况设置疏散出口，永久避难硐室设置在主巷道，人员疏散模型图见图2所示。

图2 掘进巷道人员疏散模型

图3 50 s时3种避难硐室情况下人员应急疏散情况

2 模拟结果

2.1 人员疏散模拟结果

为研究避难硐室的设置对矿井掘进巷道人员应急疏散速度的影响，本文在此探讨3种情况的避难硐室设置，对人员应急疏散速度的影响，第1种情况为：只在矿井掘进巷道附近的主巷道设置一个永久性的避难硐室，第2种情况为：在矿井掘进巷道附近的主巷道设置一个永久性的避难硐室，在掘进巷道内距离主巷道100 m处每条掘进巷道分别设置一个临时避难硐室，第3种情况为：在主巷道设置一个永久性的避难硐室，在掘进巷道内每间隔100 m每条掘进巷道分别设置一个临时避难硐室，在这3种情况下分别设置对应的边界条件进行人员应急疏散数值模拟，图3中(a)、(b)、(c)分别为3种情况下数值模拟50 s时的人员疏散情况，由于模型空间尺寸大，图中的小点代表还未疏散的人员，如图3所示，情况1和情况2由于掘进巷道深处没有避难硐室，应急疏散至50 s时人员还在去往避难硐室的路上，掘井巷道深处人员滞留情况相同，情况2中掘进巷道深100 m左右至主巷道的人员在50 s内都可以疏散完毕，情况3中人员应急疏散至55 s时人员都可以疏散完毕；图4为3种情况下未疏散人数随时间变化曲线，情况1至情况3人员疏散速度依次增加，人员疏散时间依次减少，情况1所需疏散时间是情况2的1.9倍，是情况3的4.2倍；由此可见，掘进巷道在掘进过程中临时避难硐室也要每间隔一定的距离同时进行修建，来提高灾难时人员疏散的速度。

图4 未疏散人数随时间变化曲线

2.2 火灾模拟结果

对掘进巷道火灾模型进行数值模拟，来研究掘进巷道火灾时烟雾的蔓延规律，如图5所示，(a)、(b)、(c)分别为1 055 kw/m2热释放速率的稳态火源下50，150，250 s时的烟雾蔓延情况，烟雾随着时间的增加迅速的在掘进巷道内蔓延开来。

图5 矿井掘进巷道火灾蔓延规律

由于1.6 m是人员安全疏散的临界高度，当烟雾浓度低于1.6 m将威胁疏散人员的生命健康，故通过在掘进巷道内高1.6 m处设置烟雾探测器，来监测巷道内各点的烟雾浓度随时间的变化情况，如图6所示，SD(1、2、3、5、6、7)为6个烟雾监测点烟雾浓度随时间的变化曲线，SD3在20s时瞬间增加到100%，SD2在70 s时瞬间增加到100%，SD6在165 s内由于通风影响烟雾浓度有两次40%内的波动，到165 s时快速的上升至100%，SD1、SD5、SD7烟雾浓度上升的较为缓慢；以20%的烟雾浓度为安全疏散的临界值，各监测点的可用安全疏散时间(TASET)如表1所示。由于300 s内烟雾未蔓延至SD0和SD4处，故这两点的烟雾浓度一直为零，在此不进行分析。

图6 烟雾探测点烟雾浓度随时间变化曲线

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3 火灾对人员应急疏散的影响

通过对比掘井巷道火灾蔓延情况与人员应急疏散情况，可以得出矿井掘进巷道火灾对应时刻人员应急疏散的人员空间分布情况，可以预测出不同避难硐室设置人员的伤亡情况，从而提出掘井巷道临时避难硐室设置的合理意见。

通过查看Pathfinder人员疏散过程的3D结果，记录下各位置处人员疏散所需安全疏散时间(TRSET)，在表2中，仅列出3种避难硐室设置情况下Pyrosim模型中各烟雾监测点位置处人员应急疏散的TRSET。

要实现人员安全进行应急疏散，就需要人的疏散速度比烟雾蔓延的速度快，所以矿井掘进巷道人员能够从火灾中安全疏散，则需要满足公式(1)：

TASET>TRSET

(1)

将表1中矿井掘进巷道火灾时各烟雾浓度监测点的TASET，与表2中矿井掘进巷道中人员应急疏散时各监测点位置的TRSET进行比较，发现只有情况3下的避难硐室设置才能满足公式(1)。所以只有像情况3一样在掘井巷道修建避难硐室，火灾时人员才能够全部进行安全疏散。

表2 各监测点位置人员所需安全疏散时间 s

4 结 语

1)采用Pyrosim火灾仿真模拟软件，仿照矿井掘进巷道真实的空间结构、通风、火源设置等一系列边界条件进行建模，采用Pathfinder人员疏散仿真模拟软件，仿照矿井掘进巷道真实的空间结构、人员参数设置、人员空间分布，且根据实际情况设置3种情况的避难硐室；火灾及人员疏散的数值模拟结果将与真实结果接近，可信度高。

2)3种避难硐室设置下，情况3的人员疏散速度最快，情况2的人员疏散时间是情况3的2.2倍，情况1的人员疏散时间是情况3的4.2倍。

3)根据TASET > TRSET的要求，只有情况3的避难硐室设置满足，故矿井掘井巷道避难硐室的修建要跟上掘进巷道深度的推进，且避难硐室的间距应控制在100 m以内。

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