灾变通风(4).doc

第四章 矿井灾变通风 第一节 概述 一、矿井灾变通风的目的和灾变特征 矿井灾变通风的目的是在矿井发生重大灾害事故时期，尽可能在一定范围内控制风流，减少灾害对矿井正常通风系统的破坏程度，减少高温、有毒、有害气体的影响，保障人员撤退和救灾人员的安全，及时救灾，减少事故损失。 矿井灾变时期，产生的高温高压必然对矿井正常通风系统造成不同程度的破坏。瓦斯爆炸和突出产生的高压冲击波将破坏通风设施，并造成在一定范围内风流方向的瞬时逆转，致使有毒有害气体的扩散和通风系统的破坏。瓦斯爆炸产生的高温高压冲击波在破坏通风系统的同时，还可能诱发火灾、冒顶等二次灾害，扩大了灾害的损失和救灾的难度，矿井火灾产生的高温有毒有害气体，不仅流向下风侧，而且在火风压的作用下，可能导致一定区域的风流逆转，而流向进风侧，从而扩大了受灾区域，造成更大的事故损失并增加人员撤退和救灾工作的困难。因此，矿井灾变通风的关键就是根据撤人救灾的要求，有目的控制风流。 二、矿井各类灾变对矿井通风系统的影响的差异性 矿井各类灾变特性不同，对通风系统的影响也不同，纯瓦斯爆炸不诱发火灾的高温高压和突出灾害的高压冲击波作用是瞬时而又非常复杂的，对通风设施和通风系统的破坏及其影响是稳定的，即不随时间而变化。其复杂性和瞬时性决定了不可能在灾变发生的极短时间内作出控风决策并付诸实施。对于这类灾变事故，必须作好预案，预先分析不同强度的灾害对通风设施和通风系统的可能影响。在灾变发生会，根据通风系统的破坏情况，由救护队恢复灾区通风。 然而，矿井煤自燃火灾持续时间长，对矿井通风系统的影响时间较长。由于火源燃烧长度的变化，高温烟流与巷壁热交换强度的变化，风流紊乱现象发生的区域和烟流蔓延的变化，致使风流状态相关参数风量、风压、风阻、有害气体组份和浓度等动态变化。而矿井火灾时期延续的长期性和动态特征造成灾变通风的独有的特性。其长期性，提供了风流控制救灾决策和实施可能有较多的时间，而这时间又非常紧张，没有能应付各类事故的周密灾害预防处理计划和措施的预实施，单靠发生灾变时，仓促决策和处理事故，往往不能成功救灾；其长期性和动态变化特性的结合，又对人员撤退和救灾工作连续造成威胁，增加了救灾决策和现场抢险的难度和危险。现场救灾实践证实，矿井火灾救灾工作，成为当前技术条件下各灾种救灾中难度最大，又最危险，技术性要求最强的艰巨任务。矿井火灾防治在坚持“预防为主”方针的同时，必须强调在矿井火灾的过程中，有效的救灾、控风技术的应用。因此，本章主要介绍矿井火灾时期的风流控制技术。 三、矿井火灾风流模拟技术和控制技术简介 矿井火火时期，风温变化引起的热风压破坏了正常状态下原有通风动力机械风压和正常通风的自然风压与风流状态的平衡，可能导致矿井有关巷道风量剧烈变化甚至部分巷道风流方向的逆转。逆转风流携带大量火灾生成的高温、有毒、有害气体，污染进风区的新鲜风流，致使火灾影响范围扩大，井下人员遇难危险增加以及抢险救火难度增大。 矿井火灾时期风流状态控制就是应用风流控制调节设施主要是风门启闭，使火风压造成的对撤人救灾危险的风流状态转变为一定区域的安全风流状态。很明显，风流状态控制的前提是已知火风压所引起的风流紊乱状态，而风流动态模拟技术就是用来解决这个问题。 矿井火灾时期风流状态模拟，就是应用计算机数值分析方法，解算矿井通风网络各分支风量、风温、风压、有害气体浓度、节点压力和通风机工况等参数在火灾影响下的动态变化及风流逆转的位置、时间及影响的一种技术。 第二节 火灾时期风流状态定性控制技术 一、矿井火灾时期，火风压对通风系统的影响 矿井火灾时期火源生成的高温烟流在风网中形成火风压。为便于定性分析火风压在风网中的影响，可将火风压简化为设置于适当位置的虚拟通风机。但是，把矿井火灾对风网的影响仅视为在火源位置的一台风压相当的虚拟通风机是不够的。由于高温烟流在火源下风侧，甚至因逆转在进风区的蔓延，扩大了热风压的影响范围和复杂程度。因此，矿井火灾对全矿井风网的影响，应看作数量等于受高温烟流影响的独立回路数，风压值分别等于相应回路热风压值的若干虚拟通风机设置在相应回路基准分支图论中与树枝相连的余枝对风网的影响。 二、矿井火灾风流控制的定性分析技术 矿井火灾时期，风流稳定性控制定性分析的研究已进行半个世纪，产生了多种方法。其中最为着名的是波兰矿井防灭火专家W布德雷克提出的封闭回路法，也称为布德雷克法[17]。该法在世界各国，特别是在波兰、前苏联、西欧等国得到了较为广泛的应用，直至如今，它仍然是矿井救灾控风实践中主要的定性分析手段。半世纪以来，以布德雷克法为基础的定性分析方法，在计算风流体积膨胀、巷道阻力随温度增加和处理复杂风网结构等方面取得了较大的进展，使布德雷克法越来越复杂。我国已有不少论著对布德雷克法进行介绍[7，47，159]。 三、灾变风流定性分析方法的应用和局限性 定性分析主要靠人进行，由于人的思维能力的局限，其应用前提是通过对矿井环境影响因素、风流动态流动特征和通风网络结构等设置假设条件，大幅度简化实际矿井通风系统，使其可以应用初等数学方法来分析。该方法简单、易行，容易为实际经验证实及为现场技术人员所掌握。所以，在当前，是一种较为有效的控风手段，即使在将来，定性分析和经验仍继续发挥其特有的作用，作为定量分析技术的检验手段和补充。 但是，定性分析方法对矿井火灾影响下的通风系统的时变性、多维性、非线性等诸多参数的简略，并非完全遵从客观规律，而仅为适应人的有限能力被迫作出的，必然造成定性分析结果与实际风流控制效果的差异，这种差异有时是相当大的。这种差异是否可以因定性分析方法的发展而缩小呢这在理论上是可行的。几十年来，以布德雷克法为代表的定性控风分析方法的适用性，得到进一步发展。然而，不能不看到，定性分析方法在其适用性提高的同时，其复杂性也呈几何级数增加。要考虑不同火情在不同环境中对不同风网风流的影响，风流稳定性判别式的数量和复杂程度剧增。面对众多适用于不同情况的判别式，在救灾时，现场决策人员很难掌握众多方案并从中及时选择出正确的控风方案。 四、定性、定量分析方法的比较 所以，尽管定性分析方法有所发展，但世界各国实际矿井火灾救灾决策中仍沿用经验加 简单定性分析的方法，较为复杂的定性分析技术并末得到推广。这是因为，定性分析方法发展成果的应用，必须以现场技术人员对该技术的全面掌握为前提，技术愈复杂，现场技术人员需付出的努力愈大，他们需如同专职科研人员一样掌握有关技术的细节。而定量分析技术的应用却不同，例如，对于矿井火灾风流动态模拟和控制技术，建立非稳态风流流动的数学模型，计入影响风流流动状态的各种环境因素；应用适当的理论解决通风系统时变性、多维性、非线性等困难；选择适当的数值计算方法；计算机程序编制、调试和修改等有关内容致使定量分析技术远比定性分析复杂。但是，一来它充分发挥人机环境系统中“机”的功能来代替人的能力不足；二来定量分析的复杂性主要由少数专职科研人员承担，现场技术人员的职责在应用，勿需深入了解其中的理论，程序编制原理和内容。所以，现场技术人员应用复杂的定性分析方法反而比应用更为复杂的定量分析方法困难。同时，应用计算机也更能适应救灾决策的紧迫性。因而，发展定量分析方法比发展定性分析方法具有更大的推广前景。 那么，是否可能应用计算机技术编制含各类条件判别式的定性分析软件，然后，根据实际火灾状况来选择适当的控风手段呢这类编程工作并不复杂，然而，它仅仅可能帮助现场技术人员在掌握具体条件的前提下，从大量判别式中选择适当的公式，获得相应的控风措施。但是，仍然无法解决矿井火灾影响下的通风系统所存在的非线性、时变性和多维性问题；也不能计算未知的多个环境参数和风流状态参数，不能使现场技术人员掌握选择判别式的条件。因此，不能在实质上提高选择的控风手段的可靠性。 综上所述，完善定量分析技术是控风技术的发展方向，应用经验和简易的定性分析方法处理较简单的控风情况如火灾初初期，并与定量分析方法相结合是提高矿井火灾风流控制技术的可靠性和广泛适用性的正确途径。 第三节 计算机技术在矿井火灾救灾决策中的应用 矿井火灾具有突发性和灾难性的特点，救灾指挥人员在重大事故的冲击下容易造成指挥失常；加之煤矿井下网络结构及生产环境十分复杂，即使具有丰富实际经验，良好心理素质的领导者，也难于迅速作出正确全面的指挥决策，以致贻误战机造成灾害的扩大和带来不应有的损失。因此充分运用现代科学技术，研制、开发和使用矿井火灾救灾辅助决策系统是矿井现代化建设的需要，也是救灾工作走向科学化的必由之路。 根据辅助救灾决策的需要，中国矿业大学在过去开发的火灾救灾决策软件的基础上，使用Visual C6.0作为开发环境，全面采用面向对象软件编程技术，新开发了矿井火灾辅助救灾决策软件系统。该系统包括矿井火灾计算机模拟、选择最佳救灾与避灾路线、控风专家系统、基于监测系统的火源点早期判定、矿井火灾救灾决策培训学习系统等内容。 一、矿井火灾计算机模拟 （一）国内外研究简况 矿井火灾是在一个受限的空间内，并在一个十分复杂的风流网络中的非控制燃烧现象。它的产生、发展与救护与一般地面火灾不同可燃物的分布呈固定点或连续线性分布；火烟的热力作用会产生热动力（火风压）；过量的高温烟流在狭窄井巷中的流动会产生热阻塞（节流作用）。这两种火灾过程的伴生现象会改变井巷通风网络中的压力，使通风系统紊乱；火灾产生的高温有毒有害气体可侵袭到井下的众多工作区域，从而对矿工生命造成重大威胁和伤害。因此对火灾事故应加强事先对策的研究，以便能对灾变中出现的各种可能情况有估计有对策，处理灾变时就能作到临场不乱和正确决策，从而能最大限度地减少灾变带来的损失。计算机火灾模拟是进行火灾灾情分析的有效手段，因此国内外广泛开展了矿井火灾计算机模拟技术的研究。 在七十年代，美国密歇根理工大学首先编制出了在矿井火灾时期风流状态计算机模拟及风流控制的计算机程序（MFIRE程序，1973、1982，1989，1995）。在八十年代中期，波兰国家科学院地层力学研究所也研制出了模拟火灾灾变发展过程及为救护队员选择最佳救护通道的计算机软件（POZAR程序，1985,1992）。以后，包括中国、日本、法国、俄罗斯在内的许多国家也都开展了矿井火灾计算机模拟的研究。矿井火灾计算机模拟技术的研究已经成为国际上矿井通风理论研究的热点。但国内外已开发出的各种火灾模拟及救灾软件，在实际使用方面仍存在较大的问题。美国的 MFIRE 程序在矿井火灾计算机模拟方面提出了一套较为简便实用的方法，但该程序没有图形显示功能；波兰开发的POZAR软件没有提供基础数据及图形的交互式编辑功能，软件的功能也比较单一。国内同类的一些软件在数据管理、图形显示及救灾决策功能上都存在明显的不足。针对这些不足，中国矿业大学火灾课题组开展了矿井火灾计算机模拟理论与技术的研究。 （二）矿井通风网络火灾特性 1 火源特性 矿井火灾的主要可燃物有坑木、胶带、电缆、油料等。根据矿井可燃物分布状况及火灾燃烧的规模，燃烧的火源基本可分为点火源和线火源两种类型。点火源指可燃物燃烧的面积较小燃烧地点较固定的火源。例如井下机电峒室、或可燃物（如木垛等）堆积较集中的火源。线火源是指巷道沿轴向连续分布的可燃物（木材支架、运输机胶带、电缆等）发生燃烧的火源。由于矿井巷道的宽度较巷道的轴向长度比较起来较小，可视可燃物的分布为线性分布，故称线火源。线火源具有可移动、蔓延和扩大特性，因此也就具有更大的灾难性。 对于点火源，因燃料较集中，火灾燃烧面积较小，故一般是富氧燃烧；而对于线火源则通常是富燃料燃烧。因受供氧量的限制，燃烧带的长度有一定的限制；在燃烧过程中，这个燃烧带在向前蔓延。 2．火灾过程的动力特性 根据井巷网络火灾的位置及影响区域，可将火灾分为三个区域正常风流区（进风侧）、燃烧区和放热区（回风侧）。在燃烧区内，可燃物燃烧释放的热量将空气加热而使气体膨胀，同时在该区域内因燃烧产物的质量大于空气来流的质量，加热及过量烟气的作用使该区域内烟气的流动产生节流效应，造成节流效应的原因是热阻力。在烟流放热区域，高温烟流向围岩放热，烟流沿途受到冷却，温度降低，密度发生变化，产生局部火风压。热阻力和局部火风压是矿井火灾时期表现出的主要动力特性，正是这两种新增加的动力（或阻力）改变了矿井风网原有的压力平衡关系，从而造成了风流的紊乱。 3．矿井火灾计算机模拟方法与技术 现有的矿井火灾模拟方法主要可分为稳态模拟和非稳态模拟两种类型。稳态模拟方法的实质是将矿井通风网络中的风流状态在给定的模拟时间内看作是稳定状态，不随时间变化。非稳态模拟是用来跟踪和描述火灾条件下风流状态参数随时间变化全过程的技术和方法。由于灾情是动态发展的，矿井火灾时期井下风流流动的状态是非稳定的，故只有采用非稳态模拟方法才能模拟出矿井火灾时期的风流流动状态。因此，非稳态模拟方法是矿井火灾计算机模拟主要研究的对象。 非稳态模拟方法主要有两种类型一种采用通用的模拟方法时间步长法，以稳态方法模拟非稳定过程；另一种则为有限差分方法，直接求解描述非稳态火灾灾变烟流及风流流动过程的偏微分方程。 因求解偏微分方程的困难性，时间步长法是矿井火灾模拟采用的主要方法。该方法是将模拟时间分成若干等时间间隔，模拟从初始状态开始，然后模拟时间每步进一次，系统对网络的风流状态、温度分布、产生的火风压、风流逆转状况进行一次全面的扫描考察，在每一间隔时间内将风流的流动状态当成稳态流动来计算各种风流参数，根据考察结果进行相应的处理。使矿井火灾灾变状态在计算机内由前一个时刻的映象变换为当前时刻的映象。 4．火灾模拟程序结构框图及模拟结果显示 依据上述介绍的方法，本课题编制了矿井火灾计算机模拟程序FireSim。FireSim由选择网孔、风量迭代计算、计算火风压及网孔自然风压、分支与节点的温度、瓦斯及烟流浓度、模拟结果的图形显示等功能模型构成。这是一维非稳态矿井火灾计算机模拟程序，采用的是时间步长模拟方法。程序基本结构及框图如图1-4-3-1所示。 调用 j1;jNJ 系统初始化 计算节点温度、烟流及瓦斯浓度 t0; tT 控制参数赋初值 计算火风压 i1;iNB 计算网孔自然风压 i分支是否反向 Y 风量迭代计算 重选网孔风量迭代计算 N 模拟结果图形显示示 i1;iNB 计算i分支的温度、烟流浓度及扩散距离 返回 图1-4-3-1 火灾模拟程序框图 程序运行的主要过程为 1系统初始化 系统初始化指建立系统的初始映象（即初始状态）。 对于矿井通风系统一般都以正常通风时的稳定状态作为矿井火灾模拟的初始状态，因此正常时期风网的解算的结果即为系统的初始映象。 2考察模拟时钟步进一次的系统状态 模拟时钟步长值是影响模拟精度和计算机运行时间的主要参数。 步长值取值太小，计算机运行时间就长；步长值取值过大，就不能模拟出矿井火灾动态变化的特征，不能保证一定的精度，从而失去了矿井火灾动态模拟的特性。FireSim默认的模拟时间步长为30s ，用户也可根据具体情况改变步长值。 在每一次的步长时间内，在模拟计算前， 系统首先考察各巷道的分支在上一时间间隔内，是否有反向分支，若有反向分支，对该分支的始末节点号重新记录，最后对构成的新网络重新选择网孔并进行风量迭代计算。火灾模拟依此状态为基础进行下一过程的计算。模拟计算过程中，计算机将在风网中按分支和节点分别对烟流流动状态进行扫描计算。每次得到的模拟计算结果及时在通风系统平面图上显示如图1-4-3-2 所示为某实际矿井的火灾模拟结果。使之能动态地显示出灾情发展的过程。 图1-4-3-2 某矿井的火灾模拟结果显示 该程序经过许多矿井的实际运行表明，该程序能对矿井任意地点的火灾进行模拟，模拟结果可信，使用方便，受到好评。 二、计算机选择最佳避灾路线 矿井一旦发生火灾，在灾变时期，由于火风压的作用，井下会发生风流紊乱，火灾生成的高温烟气将会侵袭许多意想不到的巷道，对井下矿工的生命构成极大的威胁。因此，一般抢险救灾的首要任务是撤退灾区人员。然而选择最佳的救灾与避灾路线往往是一件比较棘手的工作。在国内外火灾抢险中，常有由于救灾与避灾路线的选择失误而产生重大人员伤亡的事件发生。为了辅助决策者决策，减少失误，本课题组在对设定火灾灾变的前提条件下，对火灾时期井巷的可通行性、通行的难易度、k最短路算法、救灾与避灾路线的图形显示等方面，在以前开发的软件基础上，采用面向对象的编程方法，在以Windows为平台的环境中进行了重新开发。 （一）避灾路线类型的确定 避灾路线指灾区及可能受灾变影响区域的井下工作人员撤退到安全地点的路线。由于灾变时期灾情发展的动态性和避难人员在灾变时期紧张的心理状态，避灾路线的选择要有充分的安全性，其可通行性是以最大安全可靠为原则的。井巷可通行性及矿井避灾路线的选择与灾情发展、井巷的条件有关。根据火灾灾情的发展程度及对井下巷道的影响范围，本文将避灾路线分为理想的避灾路线、可行的避灾路线和逃生的避灾路线三种类型。 （1） 理想的避灾路线 为了使选择的避灾路线具有充分的安全性，计算机首先从没有受到烟流侵袭的通道选择避灾路线，没有受到烟流影响的避灾路线为理想的避灾路线。在此条件下，井巷的可通行性是依据巷道中是否有高温烟流进行判别。 （2） 可行的避灾路线 当不存在理想的安全避灾路线时，考虑避难人员佩戴上自救器，可以在具有一定温度和CO浓度的烟流中通行。此时影响可通行的条件主要是温度。从安全可靠的条件出发，以煤矿救护规程关于高温下的矿山救护工作的有关规定作为判别可通行性的条件。该项规定为“40 摄氏度时允许停留25分钟；急倾斜巷道下行9分钟；倾斜、急倾斜巷道上行5分钟；60摄氏度时允许停留5分钟。”满足上述一定安全条件的避灾路线被称作可行的避灾路线。为了便于计算机对不同高温条件下的情况进行自动判别，依据上述规定，拟合出穿越高温巷道允许通行的时间与井巷中气温的曲线方程为 τ ＝601.85ζexp-0.08t 1-4-3-1 式中 τ穿越高温巷道允许的通行时间，min；t井巷中的空气温度，℃；ζ巷道坡度影响通行系数水平及缓倾斜巷道 ζ＝1；倾斜、急倾斜上行巷道ζ＝0.2；急倾斜下行巷道 ζ＝0.36 当通过某巷道所需的时间超过按（1-4-3-1）式计算得出的允许可通行时间时，就视该巷道难以通行。 （3） 求生的避灾路线 在特殊条件下，当不存在上述两种类型的避灾路线时，计算机将以人类对高温环境的最大耐受时间的极限条件作为判别井巷可通行性的依据，在这种条件下选择出的避灾路线称为求生的避灾路线，仅供决策者参考。依据国内外进行的人类对高温环境耐受能力的大量试验，用最小二乘法拟合出人在高温环境中最大耐受时间的指数曲线方程 Tmax＝ 1812exp-0.046t 1-4-3-2 式中 Tmax人在高温环境中最大耐受时间，min； t温度， ℃。 由于人耐高温环境的能力差异很大，且考虑到井下的环境条件，研究者在应用该公式时仍考虑了一定的安全系数。 （二） 井巷通行难易度的确定 求解最佳的救灾与避灾路线从实质上讲是求解安全最短撤退时间，最短的撤退路线不等于最短的撤退时间，这是因为巷道的通行难易度不一样的缘故。例如，对同样长的路线，平巷和斜巷的行走速度就显然不同。对于井下巷道，影响人员行走速度的因素有巷道断面（主要是巷高）、坡度、风速及局部通行障碍物等，对这些因素用通行难易度系数表示，使之与巷道的实际长度相乘后，得到的长度为“当量长度”，即在该路线中，各支路通行的难易度是一致的。最短路线是指“当量长度”最短的路线。 不同的巷道类型对人员的行走速度都有较大的影响，一般采区回风和总回巷道，由于风速大，有积水，巷道维护状态差，较进风段行走困难。对于联络巷有联接总进与总回、采区进风与采区回风、工作面进风与回风的联络巷道。对于联接总进与总回的联络巷，由于气压差大、打开风门具有一定的难度，需要考虑增加通行的时间（即增加一个局部“当量长度”）。对需跨越胶带输送机、爬行梯子间等地点也需增加局部“当量长度”。 对于倾斜巷道，计算机通过计算巷道两节点的高差而求出巷道坡度值，巷道通行性的难易度系数是与巷道的坡度成正比的。逆风流行走时，通行的难易度系数也与巷道中的风速成正比。综上所述，第i条巷道的当量长度值为 1-4-3-3 式中 li── 第i条巷道的当量长度值，m；kt── 取决于巷道类型的通行难易度系数；kv── 取决于巷道中风速的通行难易度系数；kz── 取决于巷道坡度的通行难易度系数；lri── 第i条巷道的实际长度，m ；n── 第i 条巷道中的局部障碍个数；lji── 第j 个局部障碍当量长度值，m 。 在计算机程序中，首先对通行性进行判别。如果某条巷道已记录有烟流或气温超过允许通行的温度，或当救灾人员通过该高温巷道所需要的时间大于耐受时间，则分别在避灾路线和避灾路线的选择中视该条路线的当量长度为无穷大，即不可通行。对其它可通行巷道，按上述方式计算出当量长度，从而形成巷道当量长度的新数组LL[n] ，式中的 n 为风网分支数。按照下述最短路线算法，即可求出最佳的救灾与避灾路线。 （三）k条最佳救灾与避灾路线的求解 根据上述的讨论，编制了求解k条救灾与避灾路线的计算机程序。程序由下述几个部分组成 （1）数据读入 读入反映风网结构、巷道类型、 记录火灾模拟结果的巷道和节点的温度与烟流浓度的数据文件; 并提示用户输入避灾路线的始末节点号; （2）可通行性判别及通行当量长度值的计算 （3）k条救灾与避灾路线的计算 （4）救灾与避灾路线的图形显示 在程序的编制中，充分利用了作为C语言精华的指针变量的特性，编制出高效的求解k条救灾与避灾路线的计算机程序。程序中通过使用指针数组来记录各条路线的长度及路径节点号， 在对各条路线进行排序、计算和存储处理时就显得很方便。 三、推荐控风方案的专家系统 对受限空间的井下巷道中发生的矿井火灾，风流控制是控制火势、防止风流紊乱、减少灾变损失的一项最重要的手段。 风流控制的目的是控制火势，防止风流逆转。根据火灾时期风流流动方向的基本判别关系，基本的控风原则为∶ （1 控制火势发展, 降低局部火风压。其方法是在火源的上风头构筑临时密闭或张挂风帘，这样控制了火源的供风，抑制燃烧，即因供风量的减少而降低了火区内部的通风阻力，又增大了火区内部通风风阻，无论对上行风流火灾或或水平巷道火灾，都能起到稳定风流方向的作用，防止风流紊乱和烟侵事故的扩大。 （2）畅通排烟通道，防止烟流逆退。提起排烟主要通风机风峒中的闸门；开启排烟道路上的调节风门；防止局部冒顶事故的发生，以免造成临时堵塞排烟通道；在日常通风管理中，更要十分重视回风系统巷道的维护工作，不能有局部堵塞。 （一）控风专家系统原理 1、专家系统的基本概念 人们解决实际问题的经验与方法，有相当的一部分可以用“若...则...”这样的规则表示。这样规则的直接含义是，若某条件成立时，则作出某一结论（包括采取相应行动）。这种规则被称之为“条件结论”规则，或“情况行动”规则。例如医生看病时根据病人症状所作出的判断就属于这种规则。所谓专家就是掌握了大量规则并能熟练应用的人。专家系统就是一种基于知识或规则的智能程序，它利用专家知识，通过推理求解专门问题，专家系统具有知识存贮、知识获取、知识推理和知识利用的功能。专家系统的基本结构主要包括两大部分一个是专门领域的知识库和数据库，一个是运用和处理知识的推理机。 1 知识库 它是专家知识、经验、学科基础知识及数据的存储器。其中规则库存放着“条件结论”形式的规则，而数据库存放有关的叙述性知识、原始数据和推理过程中得到的中间信息。因为专家系统的问题求解是运用专家提供的专门知识来模拟专家的思维方式进行的，所以知识是决定一个专家系统性能是否优越的关键因素，一个专家系统的能力就取决与其知识库中所含有知识的数量和质量。 2 推理机 它控制、协调整个系统， 并根据当前输入数据（数据库中的信息），利用知识库中的知识、按一定的推理策略求解问题。其中控制策略负责匹配、排序和冲突裁决，推理策略是如何利用知识库的控制器。推理机的控制策略常用的有数据驱动的正向推理方式、目标驱动的逆向推理方式和正向与逆向混合的推理方式三种。专家系统求解问题的搜索策略有宽度优先和深度优先两种基本方法。 2、风流控制的专家知识库 在已知火源位置的情况下，通常采取的控风方法有 （1）短路法 当火源发生在进风侧时，在烟流流经巷道的前方寻找与矿井总回风道、采区回风巷或工作面回风巷相连接的联络巷，将其风门打开，使风流短路，将烟流直接引入回风流中。 优点控风方法简单，而且可以迅速排除烟流，使工作场所免受火灾烟流的威胁。 缺点由于风流短路，对于具有较大瓦斯涌出量的矿井，在无风区域易造成瓦斯积聚。 适用条件此方法适用于进风侧巷道发生火灾的条件，而且不管该巷道是平巷还是上向倾斜或下向倾斜巷道，但必须存在有可以将烟流直接导入回风流的联络巷。 （2）调压法 采用增加或降低着火巷道或者有高温烟流流经的巷道及与之相关巷道的阻力，以阻止着火巷道的风流逆转以及防止其下风侧与进风巷道相连接的联络巷道风流逆转而造成烟流侵袭大面积区域，同时也可控制火势的发展。 优点可以控制火势，防止风流逆转和减小灾变影响的范围。 缺点难于掌握调压的大小。 适用条件必须与短路法配合使用，而且需要进行一定的计算。 （3）全矿反风 主要针对入风井口、井筒、井底车场范围的火灾而言，将入风井变为出风井，出风井变为入风井，使风流反向，尽快将烟流排出矿井，避免烟流侵袭至井下工作区域。 优点可以防止造成烟流侵袭矿井大部分区域，减小灾变影响程度和范围。 缺点可能造成井底车场及附近区域人员的伤亡及有关设备的损失。 （4）局部反风 在采区、工作面或矿井的一翼预先设置一定数量的控风通道及风门，正常时期能够保证矿井的正常通风；一旦这些区域内的入风系统发生火灾，则启用这些预置的控风设施，使风流在此局部区域内沿着正常时期相反的方向流动，而且可以直接使烟流流入矿井或采区的回风巷，使火灾烟流不至侵袭工作场所。 上述这些控风措施要根据火灾发生的不同巷道条件进行选用。按火灾发生的地点，可将发火巷道分为全矿井总进风巷、采区进风巷、工作面进风巷、联络巷、全矿井总回风巷、采区回风巷和工作面回风巷等类型。 通过总结救灾专家的经验，得出的风流控制的基本规则有∶ ① 若火灾发生在主入风井口、井筒或井底车场附近， 则可以优先考虑采取全矿井反风的方法，其次才考虑短路法； ② 若火灾发生在进风侧巷道，则可以考虑采取短路法和调压法控风； ③ 若火灾发生在进风侧且为下行风流巷道， 若是在发火巷道的前方巷道中（但不能是工作场所）有能通往回风道的联络巷，则可以采取进风侧短路法；否则应采取控制火风压，同时采取下风侧短路法； ④ 若火灾发生在进风侧且为上行风流巷道， 则可以采取在下风侧短路法与控制火势相结合的方法控制风流； ⑤ 若火灾发生在回风且为平巷或上行风流巷道， 则一方面防止其下风侧与入风相连的旁侧支路（特别是联络巷道）风流逆转而使烟流流入入风流中，另一方面采取措施控制火势； ⑥ 若火灾发生在回风且为下行风流巷道，则一定要控制火风压， 以保证风流的正常流动； ⑦ 若火灾发生在回风道， 应尽可能将其回风流中的所有障碍物都清除以保证畅通的排烟路线； ⑧ 控制火势可以通过增加发火巷道的前方巷道的风阻来实现。 与专家知识库配合使用的还有反映风网参数的数据库文件。在该数据库中主要记录有巷道的巷道号、始末节点号、巷道高差、巷道类型等参数。 3、控风推理机设计 控风措施推理机设计的思路是确定火源后，分析火源所处的巷道类型，是入风巷道还是回风巷道，是平巷还是斜巷，如果是斜巷，则又是上行通风巷道还是下行通风巷道。根据巷道的类型及倾斜状态再调用相关的知识处理，最后根据搜索原则确定出控风措施方法。控风专家系统的运行界面如图1-4-3-3所示。 图1-4-3-3 控风专家系统运行界面 控风推理机采用了正向推理，宽度优先搜索方法。 通过实际运行表明，控风措施推理机设计合理， 能够有效地处理一般情况的火灾，故对救灾决策具有实用价值。 四、火灾风流状态定量与定性综合分析技术 （一）方法的提出 众所周知，目前进行风流控制一般仍是在定性分析的基础上进行的，但定性分析方法具有它本身难以克服的局限性。解决好这一问题，将对救灾决策产生重大影响。通过上面对火灾模拟与风流控制关系的详细分析可以看出，矿井火灾计算机模拟技术能够很好地解决这一问题。具体说首先通过计算机模拟火灾发生之后的风流状态，在此基础上进行定性分析得出数个风流控制方案，然后利用计算机模拟技术模拟风流控制方案的控风效果，对其进行校验并选择其中较优的方案。这样能够充分保证方案的有效性。 计算机火灾模拟技术能够提供井下风流状态各参数数量变化过程，它也能够对某些参数进行量的控制，能反映出在不同组合的控风措施作用下，风流状态随时间的变化，这是基于稳态系统的定性分析所无法实现的。而以计算机定量模拟技术在定性确定控风方案的基础上进行风流控制的方法则称为定性分析技术与定量分析技术相结合的综合分析方法。 二定性与定量综合分析方法的应用步骤 应用定性与定量技术综合分析方法确定火灾时期的风流控制方案时的具体步骤如下 1．首先应用火灾模拟软件模拟火灾时期风流状态的变化。帮助救灾决策人员了解火灾对整个通风系统的影响，包括每一时刻烟流经过哪些巷道，在何时烟流进入工作地点，风流风量、风温、风压以及有毒有害气体浓度的变化；风流逆转的位置、时间及影响范围等。 2．根据模拟结果，确定火灾时期的通风保障。由模拟结果了解到火灾发生后一段时间 内火烟的蔓延范围，如果烟流不进入任何工作地点，或者在人员可以全部通过避灾路线巷道时，则可保持各巷道风流流向不变。如果烟流最终进入工作地点，则应使某些巷道的风流反向，阻止烟流的入侵。如果火烟在某一时刻侵入避灾路线或救灾路线，假设在火烟 侵入之前的这段时间工人来不及撤离，那么就需采取一定的风流控制措施，通过使某些巷道 风流反向，阻止烟流的侵入；倘若无法阻止，则可以通过延缓烟流的侵入时间，来保证人员 有充足的时间撤离灾区。 由上述分析可见，确定火灾时期的通风要求主要是确定需要反向的分支。而确定需要反向的分支，一般应根据发生火灾的地点，遇险人员的位置以及通风网络的结构，结合火灾的模拟结果在定性分析的基础上得出。 3．风流控制方案的初步确定 基于风流控制的定性分析技术，风流控制的一般原则以及安全撤人救灾的要求，根据控风目标初步确定控制点的位置，以及分支风阻控制量。对于某一特定火灾，在全矿范围内存在不同的控风方案，可提出多个方案进行比较。 4．对提出方案的控风效果进行模拟 根据各控风方案中有关巷道风阻的增减情况修改数据文件，分别计算控风方案实施之后对风流状态分布的影响。如果某方案实施之后达到了预期的控制目的，避免了火烟侵入或在人员安全撤出后才侵入工作地点、避灾路线及救灾路线，则该方案确定为入选方案。否则还要进行下一步的工作方案的修正。 5．修正初始方案 在对方案的控风效果进行模拟之后，有时会发现并不能达到预期的控风目的，所以需要对初始方案进行修正。包括增加或减少控制点的数目，调整控制量的大小。当然这种修正是在预模拟的基础上依据定性分析方法进行的，并非盲目的修改。 6．对修改后的方案进行再模拟再修改 对修正后的方案的控风效果重新模拟，如果仍满足不了预定的通风要求，则需再次修正方案。对每一个方案进行这种“模拟一修改一再模拟再修改”的过程，如此反复，直到实施该方案后，能达到预期的控风目的为止。当然实际情况可能只经过一两次的修改就能满足要求，并不用多次修改。这样对满足要求的方案确定为入选方案。 7．对各个入选方案进行优选 经过以上过程之后，每个入选方案都能达到控制目的。多种方案中我们希望选择相对较优的一种。所以存在方案的优化问题，有关这一问题将在以后的内容中进行比较详细的讨论。 8．将针对该火灾所获得的最优控风方案及其控风效果合为一组数据，存入救灾决策数据库，作为在特定位置发生特定火灾的救灾方案。 9．实际火灾发生时，根据火灾的位置以及火源的燃烧特性，从数据库中选择相似情况下的控风方案，供现场救灾决策人员参考。 第四节 灾变通风设备和设施 目前，煤矿发生火灾后，实施风流控制方案，一般是派救护队员或抢险人员去实现，如打开或关闭特定的风门，或构筑一定数量的临时密闭，或在火源上风侧挂风帘，实现减风或反风或风流短路，以控制火势发展，减小灾害波及的范围。但是在很多情况下，由于各种条件的限制，人们往往在着火初期难以确定火源地点，抢险人员难以迅速到达指定地点执行控风措施，就需要研制在地面或井下遥控的自动风门。 在“九五”期间，中国矿业大学在前期工作的基础上，针对原有的风流控制系统技术中存在的不足，根据煤矿救灾决策控制的实际需要，研制出了新一代的本安型风门远程控制器，并在兖州矿业（集团）公司南屯煤矿第九采区构建了一个十分实用的远程风流控制系统，对保障该采区及矿井的安全起了重要的作用。 一、风门的动力驱动系统 为了对风门进行远程控制，需要为驱动风门提供动力。目前国内的自动风门常采用的动力驱动系统有三种方式，即压气驱动，液压驱动和电力驱动。 1 压气驱动系统 压气驱动装置是用矿井空压站为掘进提供的压缩空气作为风门的驱动动力，只要给压气管路的电磁阀通电，使电磁阀开启，压气即可进入压气缸推动活塞往复运动，从而带动风门启闭。 2 液压驱动系统 液压驱动是用静水压力作驱动风门动力，静水压是靠垂直高差形成位能，通过管路和液压元件转换为机械能推动风门。动作原理与压气驱动相似。 3 电动推杆驱动系统 当驱动电机通电旋转，通过减速，带动