金属矿山井下灾害人员逃生最优路径研究.pdf

中图分类号婴3 塑 U D C 6 2 0 硕士学位论文 学校代码 i Q 5 三三 密级 公珏 金属矿山井下灾害人员逃生最优路径研究 R e s e a r c ho nO p t i m a lP a t hf o rM i n e r s E s c a p i n gf r o m D i s a s t e r so fM e t a lM i n 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 倪燕 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 论文答辩日期趔i ￡f 』 答辩委员会主席割蕴滥 中南大学 二零一三年五月 原创性声明 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。 作者签名碰丝 日期 2 1 堕年上月j 生日 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。 作者签名碰垒导师签名 垒堕日期 竖年三月旦日 金属矿山井下灾害人员逃生最优路径研究 摘要近年来国家对矿山的安全生产工作日益重视，但矿山灾害事故 还是时有发生。在矿山事故发生后，如何确定一条最佳的避灾救援路 线，指导受灾人员安全撤离从而将事故的影响降到最低，就成为目前 矿山紧急事故处理方法的重点研究对象。 目前对于矿山避灾救援路线规划的研究，主要侧重于寻找“最短” 路径以及优化路径算法效率。大多数研究以“最短”路径作为最优路 径，一般仅考虑了巷道的长度、通行难易度等环境因素，而对巷道的 安全性并没有进行考虑。本文综合考虑了巷道的环境因素和安全性两 个方面，对人员最优逃生路径进行了分析和研究。本文主要研究内容 如下 1 分析了金属矿山井下巷道的分布情况，根据其垂直方向上分层 分布的特点，提出了对网络图进行分割处理的思想，以此来提高路径 算法搜索的效率。 2 分析了矿山井下巷道环境因素和几种常见的重大灾害的影响 因素，并对这些因素的影响进行了量化处理。巷道的环境影响和安全 性通过当量长度和健康损失度来进行衡量，并提出了两个衡量权值的 求解方法。 3 利用多目标优化理论，提出了最优路径规划决策模型。综合考 虑了路径的当量长度和健康损失度进行最优路径的决策。 最后，在此研究基础上，构建了最优路径规划原型系统，并以凡 口铅锌矿为应用实例，对原型系统进行了应用研究。图2 8 幅，表1 5 个，参考文献6 6 篇。 关键词矿山灾害；图层分割；多目标决策；当量长度；健康损失度； 最优路径 分类号T P 3 9 9 R e s e a r c h0 nO p t i m a lP a t hf o rM i n e r sE s c a p i n gf r o m D i s a s t e r so fM e t a lM i B e A b s t r a c t F o rt h ep a s tf e wy e a r s ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i d t ot h es a f e t yo fm i n i n gp r o d u c t i o n ，b u tm i n i n gd i s a s t e r sa n da c c i d e n t s h a p p e n e do c c a s i o n a l l y ．W h e na c c i d e n t sh a p p e n ，h o wt o c h o o s ea n o p t i m a lp a t ht h a tC a nd i r e c tt h es t a f ft oe v a c u a t ef r o mt h ed a n g e r o u sa r e a a n dm i n i m i z et h el o s so ft h ea c c i d e n t sb e c o m e sak e yr e s e a r c hi s s u eo n d i s p o s i n gm i n ee m e r g e n c ya c c i d e n t s ． A t p r e s e n tm o s tr e s e a r c ho f t h ep l a n n i n go fe v a c u a t ea n dr e s c u ep a t h f o rm i n ed i s a s t e ra r ef o c u s i n go ns e a r c h i n gas h o r t e s tp a t ho ro p t i m i z i n g t h ea l g o r i t h me f f i c i e n c y ．I nt h e s es t u d i e s ，o f t e nr e g a r dt h es h o r t e s tp a t h a st h eo p t i m a lp a t h ．T h e ya l w a y sj u s tc o n s i d e rt h el e n g t ho ft h et u n n e l a n dt h ed i f f i c u l t yl e v e lo fp a s s i n gt h et u n n e le t c ．e n v i r o n m e n tf a c t o r s ， e x c e p tt h es a f e t yo f t h et u n n e l ．B yc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no fb o t h e n v i r o n m e n tf a c t o r sa n ds a f e t yo ft u n n e l s ，t h i sp a p e ra n a l y z e sa n d s t u d i e st h eo p t i m a le v a c u a t ep a t hf o rt h es t a f f ．T h em a i nw o r k so ft h i s p a p e ra r ea sf o l l o w s 1 T h ed i s t r i b u t i o no ft h et u n n e lo fu n d e r g r o u n dm e t a lm i n ei s a n a l y z e di nt h i sp a p e r ．A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ev e r t i c a l l y h i e r a r c h i c a ld i s t r i b u t i o n ，t h et h o u g h to fp a r t i t i o nt h eg r a p hw a sp r o p o s e d ． U s et h i sm e t h o dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp a t hs e a r c h i n g ． 2 n i sp a p e ra n a l y z e sa n dq u a n t i f i e st h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h e e n v i r o n m e n t a la n ds e v e r a lc o m m o nm a jo rd i s a s t e r so fu n d e r g r o u n d m e t a lm i n e ．T h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o ra n dt h es a f e t yo ft h et u n n e la r e m e a s u r e db ye q u i v a l e n tl e n g t ha n dh e a l t hl o s sd e g r e e ．A n dt h e nt h e m e t h o do fc a l c u l a t i n gt h et w ow e i g h t si sg i v e n ． 3 ，n l e o p t i m a lp a t hp l a n n i n gd e c i s i o n - m a k i n g m o d e lw a sp u t f o r w a r dw i t ht h et h e o r yo fm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ．E q u i v a l e n t l e n g t ha n dh e a l t hl o s sd e g r e ea r ec o n s i d e r e di nt h em o d e l ．B a s e do n t h i ss t u d y , t h eo p t i m a lp a t hp l a n n i n gp r o t o t y p es y s t e mw a sb u i l ti nt h i s p a p e r ．F a n k o uL e a d Z i n cM i n ea sa ne x a m p l e ，t h ep r o t o t y p es y s t e m I I I w a sa p p l i e d ． K e y w o r d s M i n eD i s a s t e r ；G r a p hD i v i s i o n ；M u l t i o b j e c t i v eD e c i s i o n - m a k i n g ；E q u i v a l e n tL e n g t h ；H e a l t hL o s sD e g r e e ；O p t i m a lP a t h C l a s s i f i c a t i o n 皿31 1 ．5 I V 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 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⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 ．4 论文组织结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 典型井下环境介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．1 金属矿山井下灾害介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．1 ．1 矿山火灾事故概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 2 ．1 ．2 矿山炮烟中毒事故⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 ．2 井下巷道介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2 ．1 井下巷道分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2 ．2 井下巷道分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 井下通风系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 1 3 ．1 通风系统介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．2 凡口通风系统示例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 逃生影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 ．1 巷道环境影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．2 灾害因素对人员健康的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．2 ．1 灾害影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2 ．2 健康损失度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 4 最优逃生路径算法模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 4 ．1 并下巷道网络模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 4 ，1 ．1 巷道信息的存储模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 4 ．1 ．2 网络图的分割处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ，1 ．3 巷道邻接信息处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．2 最优路径算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 V 4 ．2 ．1 路径搜索⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 ．2 路径权值计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．3 最优路径决策模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 ．1 多目标决策方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 ．2 最优路径决策⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 原型系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 2 5 ．1 主要功能模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．1 ．1 初始参数设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．1 ．2 数据管理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 5 ．1 ．3 路径数据展示⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．1 ．4 最优路径决策⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．2 原型系统的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 6 总结和展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 6 ．1 研究总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 9 6 ．2 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 V I 中南大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景及意义 随着社会的进步与发展，各行各业的安全生产都受到社会大众的密切关注， 安全问题已经成为影响一个企业发展的重要因素，这一点在矿山企业中体现得尤 为明显。最近几年来，我国对原材料和能源需求日益加大，矿山行业得到了迅猛 发展，行业规模不断扩大【l 】o 然而，我国矿山数量大、分布广泛、管理松散1 2 1 ， 并且部分矿山开采不正规、安全生产投入不充足、生产设备水平不达要求、工艺 技术比较落后等问题1 3 】，企业安全管理不能跟上产业规模的发展，给矿山安全生 产造成了极大的压力。 据国家安全生产监督管理总局统计，2 0 0 1 ～2 0 1 0 年，全国非煤矿山总共发生 了1 6 7 9 1 起事故造成的死亡人数高达2 1 2 5 1 人，同时带来了巨人经济损失。2 0 1 0 年全国非煤矿山共发生生产安全事故1 0 0 9 起、死亡1 2 7 1 人，其中较大事故4 3 起、 死亡1 7 9 人【4 】。在“十一五”期间，尽管矿山事故数目和造成的人员伤亡均都有 所降低，但是全国矿山数量大、规模小、分布散、基础差的状况尚未得到根本改 善，生产安全事故仍然频发，安全生产形势依然十分严峻【5 l 。 在对国内外的典型事故进行研究分析时发现当矿山井下发生炮烟中毒、窒 息事故和火灾事故时，人员死亡主要发生在人员逃生或逃生受阻的过程中[ 6 】。当 事故发生后，若救援不当也会进一步扩大事故的影响。在国家安全生产监督管理 总局监督管理一司的2 0 1 0 年非煤矿山事故分析报告中，2 0 1 0 年共发生了6 起因盲 目施救导致事故扩大，死亡人数增加的事故。不但没有井下被困人员没有救上来， 反而多死亡了2 3 人，因施救不当事故死亡人数扩大了将近2 倍【4 】。 因此，在生产过程中，不仅要从源头上防范一系列事故的发生，更要做好事 故发生后紧急援救的预防措施，还要加强对下井人员的安全教育问题，针对特定 的矿山特定的事故，提高人员对事故的警觉性以及事故发生后自救能力。 为了提高金属非金属矿山企业的安全生产保障能力，减少矿山安全事故的发 生，增强事故发生后人员的避险能力，国家出台了国家安全监管总局关于切实 加强金属非金属矿地下矿山安全避险“六大系统”建设的通知[ 7 1 ，要求各级安 全监管部门和地下矿山企业严格按照“六大系统”建设标准抓紧实施，全力推进。 2 0 1 1 年7 月，国家安全生产监督总局陆续发布了金属非金属地下矿山安全避险“六 大系统”建设规范，其中2 0 1 1 年7 月1 2 日发布的金属非金属地下矿山紧急避险 系统建设规范规定了金属非金属地下矿山紧急避险系统的建设要求。其内容包 中南大学硕士学位论文 1 绪论 括为入井人员提供自救器、建设紧急避险设施、合理设置避灾路线、科学制定 应急预案等【8 l 。随着金属非金属地下矿山紧急避险系统建设工作陆续展开，需要 加强对避灾路线的规划研究。 所以，在矿山事故发生后，如何确定一条最佳的避灾救援路线，指导受灾人 员安全撤离和救援人员展开及时有效的救援，最大程度的降低事故影响，就成为 目前矿山紧急事故处理方法的重点研究对象。 1 ．2 国内外研究现状 最优路径的规划在很多领域已经得到了广泛的应用，如城市规划、网络通 信、出行交通、智能移动机器人等。常将最短路径分为以下5 类1 根据边的权 值将最短路径问题分为静态与时变，静态最短路径中权值为不变的常量值，在时 变最短路径中权值随着时间的变化而动态改变；2 在时变的最短路径中，又根据 权值在时间上的确定性与非确定性，可分为确定型和随机型最短路径问题；3 根据源点、目标点的多少，可分为单源最短路径问题及全源最短路径问题；4 根据最短路径的计算算法，可分为串行最短路径算法和并行最短路径算法5 按照网络规模大小，分为小规模网络最短路径问题和大规模网络最短路径问题【9 J 。 静态网络即为图中边的权值是一个不会随时间变化的常量值，在静态网络图 上求取最短路径则为静态最短路径问题。对于静态路径算法的研究是最早和最传 统的，并提出了很多有名的算法，如D i j s t r a 、F l o y d 等算法。对于时变、随机网 络最优路径问题，目前的研究内容主要集中在时变、随机网络描述，时变、随机 网络最优路径算法及具体实现方面[ 1 0 - 1 1 l 。时变网络是指网络中边的权值会随着时 间的改变而发生变化的网络，如交通系统、网络通信系统等领域中都存在着时变 网络特性【I o 】。随机网络是指网络中边的权值存在着不确定性。目前，基于随机 网络的研究，主要是将边的权值看作是稳定的随机变量，在此基础上确定期望最 短路径及概率分布情况[ 1 1 J 。 在传统的最短路径问题中，静态路径的求取问题上主要集中在算法效率优化 方面。一是优化网络的存储结构和改进优先级队列结构；二是缩小算法的搜索规 模，如层次搜索等【1 2 J 。 除了传统的最短路径算法方面的研究，更提出了很多改进的算法，并在此基 础上有了很多研究。很多文献就是从最优路径的搜索速度和运行效率方面对 D i j k s t r a 算法进行了改进【1 3 ．14 1 。根据矿井巷道平面网络的特点运行效率，从限制 搜索范围和搜索方向着手在扇形区域内寻找最短路径，完成了对矿井应急救援中 最佳避灾路线的D i j k s t r a 算法的优化。根据用户给出的源点与目的点以及搜索的 扇形角度查找最短路径，大大提高了效率。在效率的提高方面，也可以从路径的 中南大学硕士学位论文1 绪论 数据存储方面进行优化。 传统的最短路径是求取图中一条符合条件的路径，但在很多场合中，需要求 取多条符合要求的路径。目前，在此方面也有很多研究。例如，求取符合条件的 K 条最优路径f 1 5 _ 17 1 ，或求取最短路径及次短路径【1 8 l 。 目前国内外的矿山井下避灾救援最优路径问题的研究基本上都是集中于求 取最短路径。最优逃生路径的研究归根结底上就是对图形进行最短路径的求取。 即考虑在各种影响因素下，如何生成“最短和最好”的路径【1 9 ‘2 1 】。在过去的研究 中，对于单属性条件下的路径选择问题考虑的比较多吲，如仅要求时间最小或 费用最少等等。然而，在实际的问题中，并不是考虑时间这一个因素，而且同时 会对于费用等其它因素也有要求，在此种情况下，就变成多属性的路径择优问题。 逃生路径的生成就是一个典型的多属性路径择优问题。目前，在多属性路径的问 题上，基本上都是采用妥协的思想，即将多个属性通过综合加权或决策等手段合 并为一个值【2 1 1 ，在此基础上采用单属性的方法来获得最优解。 在求解最优路径时基本上是以最经典的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、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 【2 3 1 。根据巷道特有的空间特征，对D i j k s t r a 算法的网络结点进行预处理，使之缩 减，同时对巷道网络的数据结构和算法的计算方法作一系列的改进，使其符合构 建矿山防灾应急救援的需要，且对寻求最佳路径也有相应的优化改进。但在不同 的情况下，路径的权值因素是不同的，可以从具体的情况出发，得到适合的综合 权值建模方法，从而提高路径权值的准确性，以达到提高路径最优性的正确性 【2 4 】【2 5 1 。 1 ．3 研究内容 论文在学习和研究前人对国内外最优路径规划的研究现状及其应用时，发现 目前在矿山避灾救援路线的规划上，多是以研究路径最短以及优化路径生成效率 为主的。以最短路径为最优路径，一般仅考虑了巷道的长度、通行难易度等环境 因素，而对巷道的安全性并没有进行考虑。本文从巷道环境和安全性两个方面来 对矿山井下巷道进行最优路径的规划，主要研究内容如下 1 分析人员逃生过程中巷道环境和安全性两个方面会对其产生影响的因素， 并分析各个因素的影响权值。利用当量长度和人员健康损失度分别来综合衡量巷 道环境因素的影响权值和逃生过程中灾害对人员所造成的危害。 2 求取路径。根据人员所在源点与设置的安全目标点，求取两点间的所有连 通路径。 中南大学硕士学位论文 1 绪论 3 根据路径的当量长度与人员健康损失度两个目标权值，决策出最优逃生路 径。 4 根据最优路径研究，实现了最优路径规划的原型系统。 由于井下巷道规模比较大，如果在整个网络图中求取所有路径的计算效率是 很低的，同时也会对算法运行的内存需要比较大，因此，需要根据井下网络的分 布特点，进行相应的优化。 1 。4 论文组织结构 本论文共分为六个章节，每章节的主要内容如下 第一章介绍了我国目前在矿山生产过程中重大安全事故仍时有发生并造成 了重大的人身财产损失的情况，分析了当矿山事故发生后，如何确定一条最佳的 避灾路线，指导受灾人员安全撤离的重要意义。介绍了国内外在路径规划方面的 研究现状，最后是本论文的主要研究内容以及论文章节组织。 第二章介绍了矿山井下常见的重大灾害的危害和井下巷道的分布情况。结 合矿山巷道分层分布的具体情况，为了提高路径查找的效率，提出了对整个网络 图进行分割的思想。为了便于分析灾害情况下，巷道中的安全性，同时详细分析 了矿山井下的通风系统。 第三章分析了对矿山井下环境和常见灾害对人员逃生产生的影响，并进一 步对各影响因素进行了量化，提供了路径的两个影响方面的权值计算方法，为最 优路径规划打好基础。 第四章详细分析了矿山井下巷道网络图的存储模型和最优逃生路径规划的 具体步骤以及对最优路径进行综合决策的方法。 第五章介绍了金属矿山井下灾害人员逃生最优路径规划原型系统的实现。 第六章对本文所做的工作进行了总结，并对金属矿山井下灾害人员逃生最 优路径规划需要完善和改进的工作进行了展望。 4 中南大学硕士学位论文2 典型井下环境介绍 2 典型井下环境介绍 路径规划问题已经在很多领域得到了很好的应用，但在不同的领域中其规划 过程还是存在着差异的。因此，在对矿山井下巷道进行人员逃生最优路径规划之 前，需要对矿山井下的灾害及井下情况进行研究分析。本章将对井下灾害及巷道 的分布进行分析。 2 ．1 金属矿山井下灾害介绍 矿山行业有着一个充满着各种危险源的生产环境，在其生产过程中往往受到 各种矿山灾害和其他地质灾害的威胁【2 7 1 。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，常见的矿山重大灾害主要有地质灾害、火灾、水灾、 有毒有害气体等事故灾害[ 2 8 - 2 9 1 ，这些灾害往往会造成重大的人员伤亡，并且会给 企业带来严重的损失。目前，影响我国地下金属矿山安全生产的主要地质灾害有 地表沉降和塌陷、地下水灾、深井岩爆等[ 3 0 】。据统计2 0 1 0 年，全国非煤矿山共 发生了4 3 起较大矿山事故灾害，其中中毒窒息事故共1 0 起，居于其他事故灾害的 首位【4 】。 当矿山井下发生地质灾害时，除了井下突水灾害外，其他事故一般为局部范 围内的灾害，在井下不会引起灾害扩散。在整体最优逃生路径规划中，不需要全 程涉及人员安全性的考虑，只需要对可通行路径进行选择就可以。所以，在本论 文中，不对井下地质灾害进行研究。主要是针对井下会造成快速扩散的重大灾害 进行研究和论述，如火灾、有毒有害气体扩散等。本章主要对井下火灾和炮烟中 毒事故及其危害进行论述。 2 ．1 ．1 矿山火灾事故概况 矿井火灾是指发生在矿井地面或井下，威胁矿井安全生产并形成灾害的一切 非控制燃烧现象。根据造成火灾的热源的不同，可将火灾分为外因火灾与内因火 灾两类。 外因火灾，是指由外来热源引起的火灾，如爆炸、电火花、机械摩擦、电 源短路以及其他明火等热源所引发的火灾。内因火灾主要是指矿山内部可燃物质 经过长时间的氧化、热量的积蓄，从而发展到自然的火灾。在金属矿山中，硫化 矿床的矿山中比较容易发生内因火灾。根据统计，我国有色、冶金、黄金等非煤 矿山中，外因火灾所占比重较大，占了火灾的总数的8 0 ％9 0 ％，是非煤矿山火 中南大学硕士学位论文2 典型井下环境介绍 灾的主要原因；少数部分为内因火灾，所占比例为1 0 ％～2 0 ％，主要是发生在含 有硫化矿物的矿山1 3 1 】。 由于井下空间封闭、狭小，火灾发展及其迅速且影响范围广泛，所以矿山井 下一旦发生火灾事故，往往容易造成重大的财产损失，更可能会造成人员伤亡。 同时，在火灾扩散过程中，极可能会进一步引起其他的事故灾害，如爆炸事故等 1 3 2 1 。火灾产生的大量包含有毒有害气体的高温烟气和热气，很难排除并会很快 地扩散到其他相邻的巷道中。 火灾对人员健康的影响主要是以下3 个方面高温灼伤、窒息、中毒。火灾 产生的高温烟气及刺激性气体会导致人员呼吸道阻塞而窒息，当这些高温烟气进 入肺部时，也会对人员的血液循环造成影响，从而导致人员的伤亡f 3 3 】。井下发 生火灾时，会耗掉很多氧气，如果通风不够，氧气的供应受到限制，矿内空气含 氧量急剧下降到5 ％以下【3 4 】。在燃烧过程中会产生大量有毒有害气体，特别是在 不完全燃烧的情况下，如一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等。火灾烟 气对人的危害除了其产生的毒性外，还包括逃生时遮挡视线及造成恐怖心理，同 时烟气的扩散使光线模糊不清，需要疏散的人员难以在短时问内选择正确的逃生 路线[ 3 3 l 。此外，火势蔓延扩大，容易形成再生火源和引起粉尘爆炸，给救人灭 火造成困难。 统计资料表明火灾造成的人员死亡中，有6 2 ．4 ％是由于窒息、吸入烟尘、 c 0 中毒而死亡，有2 6 ％是属于烧伤而死亡的，属于其他原因死亡的为1 1 ．6 ％t 3 5 】。 因此，迅速准确地掌握矿井火灾烟流的分布状况，对减少火灾时期人员伤亡、控 制火势发展，有着极其重要的意义。 2 ．1 ．2 矿山炮烟中毒事故 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，其成份主要有 一氧化碳 C O 、二氧化碳 C 0 2 、氮氧化物 N 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，这些气体中许多属于有毒有 害气体，对人体伤害极大t 3 6 1 。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。 根据国家安全生产监督管理局政府网站的事故统计数据分析发现，从2 0 0 6 年至U 2 0 1 2 年的6 年内，非煤矿山事故灾害中炮烟中毒事故共有2 0 起，累计死亡人 数高达8 3 人，其中单起事故死亡人数最多为8 人【”】。表2 ．1 列出了其中单起事故死 亡人数在5 人及以上的事故【3 3 】。 中南大学硕士学位论文2 典型井下环境介绍 表2 - 1 2 0 0 6 ．2 0 1 2 非煤矿山炮烟中毒事故表 为了提高井下作业安全，我国爆破安全规程规定，地下爆破作业点有毒 有害气体的浓度不得超过表2 ．2 中的数值【3 9 】 表2 ．2 作业点有毒有害气体的最大允许浓度 2 ．2 井下巷道介绍 巷道是地下采矿时，为了形成完整的提升、运输、通风、排水和动力的供应 等系统而开掘的一系列巷道。井下分布着许多位置、形状、功能各异的巷道，正 是这些巷道组成了地下采矿庞大的活动网络系统H 训。 在井下为开拓矿床，而在一定空间内所布置的主要开拓巷道和辅助开拓巷道 体系，称为矿床的开拓系统。一个独立、完整的开拓系统应能在井田范围内实现 中南大学硕士学位论文2 典型井下环境介绍 运输、提升、通风、排水、供电、供风、供水及行人等全部目的。图2 ．1 为凡口 铅锌矿开拓系统剖面投影图。 图2 ．1 凡口铅锌矿开拓系统剖面投影图 矿山井下整个开拓系统是十分庞大而繁杂的，巷道的种类也存在着许多种， 不同的巷道所起的功能作用也不尽相同。有的巷道是专门用来运送矿石，有的巷 道用来运送设备和人员，部分巷道允许车辆通行。在进行最优路径规划前，需要 对井下巷道进行阐述。在本小节，主要分析了不同类别的巷道的功能与作用，以 及井下巷道的分布情况。 2 ．2 ．1 井下巷道分类 金属矿山井下开拓巷道一般包括竖井、斜井、斜坡道、平硐、井底车场、石 门、阶段运输平巷、溜矿井、充填井、天井等，以及井底车场范围内设置有各种 用途的硐室I 纠1 1 ，如图2 - 2 所示。 中南大学硕士学位论文 2 典型井下环境介绍 图2 - 2 矿山井下巷道名称示意图 1 - 风井；2 矿体；3 - 选矿厂；4 - 箕斗提升井；5 - 主溜井；6 ．斜坡道；7 - 溜井；8 ．充填井；9 - 阶 段运输巷道；1 0 ．副井；1 1 ．大断层；1 2 ．主平硐；1 3 ．盲竖井；1 4 ．溜井；1 5 ．露天采矿场；1 6 ． 盲斜井；1 7 ．石门 竖井，指其轴向与水平面相垂直的，供提升矿石、废石、人员、设备、材料 用的主要巷道。按其提升容器类型可分为罐笼井、箕斗井和混合井，罐笼井主要 是用来提升人员、材料，箕斗井主要是用来提升矿石、废石，混合井可以用来提 升人员、材料、矿石、废石。按其地表有无出口可分为明竖井和盲竖井，其中没 有直接通达地面出口的为盲竖井。 斜井，指其轴向与水平面成一定倾角的主要巷道，其功能与竖井相同。斜井 内铺设有运输线路，根据提升容器的类型分串车斜井和箕斗斜井；根据地表有无 出口分明斜井和盲斜井，没有直接通达地面出口的为盲斜井。表2 - 3 中列出了斜 井按其用途进行的分类[ 4 2 4 3 1 。 表2 ．3 斜井按照用途分类 9 中南大学硕士学位论文 2 典型井下环境介绍 斜坡道，是指具有直通地表出1 3 的倾斜巷道。斜坡道主要供运行无轨设备及 安装胶带运输机使用，不铺设轨道，坡度小，方向变换灵活。 平硐，又称平窿。它是具有一端通到地表出口的水平巷道，其内铺设有运输 线路，有3 7 ‰的坡度，以利列车和水流运行。 井底车场，是井筒与阶段运输巷道连接处各种运输线路和硐室的总称，是连 接井下运输和井筒提升的枢纽。在井底车场范围内除一般铺设有储车线、行车线、 调车线之外，还设置水泵房、变电所、调度室、修理库等。 石门和阶段运输平巷，又统称阶段运输巷道，它们开在阶段水平内。由井底 车场通到矿体的一段，掘在岩内中，称为石门。接着石门沿走向通到矿体两端井 田边界，称为阶段运输平巷；垂直走向掘进时，称为阶段运输横巷。这些巷道主 要是供运输及通风用。 溜矿井，是专用于溜放矿石的井筒，常常垂直或急倾斜布置。 充填井，是专用于下放充填料的井筒，也往往垂直或急倾斜布置。 天井，是指地表没有出口的倾斜或垂直小断面坑道。 这些井巷中，凡属于用来运输、提升矿石，不管有无地表出口，如主平硐、 提升井筒、主斜坡道、盲竖井、盲斜井等，均称为主要开拓巷道；而其它开拓巷 道，如通风井、溜矿井、充填井、井底车场、阶段运输巷道等，在开采矿床时只 起辅助开拓作用，则称为辅助开拓巷道。 井下巷道繁多，不同的巷道其功能均有所不同。有的巷道不允许人员通过， 有的巷道通行难度非常大。不同的巷道对人员运输能力也不同。在紧急情况下， 巷道的选择起着很大的作用。可以将巷道依据其类型进行通行难易程度和运输能 力进行