矿井火灾模拟解算软件开发研究

2015-05-05张景钢孙春峰张海洋索诚宇

华北科技学院学报 2015年1期

张景钢，孙春峰，张海洋，索诚宇

(1华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601;2中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

0 引言

火灾时期矿井通风系统稳定性分析，其实质就是分析在矿井发生火灾时，矿井通风系统参数变化情况，具体来说就是矿井通风系统中各分支的风量变化，其变化受到多个因素影响［1－2］。对于复杂矿井通风系统，要确定各分支风量需要大量数值计算，如果采用传统的计算方法，费时费力，计算结果也不精确。为提高计算效率和准确性，需要采用计算机处理大量数据。矿井通风系统是一个时变系统，而火灾发生后的矿井通风系统时变性更强，要对火灾时期矿井通风系统进行实时控制，则要求第一时间快速精确地得到火灾矿井通风系统中各重要参数的值并进行［3］。因此，用计算机处理并估算火灾矿井通风系统各参数数据成为研究矿井通风系统稳定性的一个有效方法［4］。每一个环节的过程。矿井火灾模拟解算软件系统在综合了可视化的编程、数据库开发等多项技术的基础上，结合矿井通风网络解算原理，研究并建立了火灾模拟风网解算、数据管理等模块，从而构建了矿井火灾模拟解算仿真模型，指导矿山的通风管理和火灾救灾的［8－9］。系统功能模块如图1。

1 软件开发的必要性

目前有很多关于矿井通风网络解算软件，但现有的通风网络解算软件一般解算的是正常时期通风网络阶段，其实质是监控矿井的参数，并不能对矿井通风系统的特征参数的变化进行分析，也不能分析火灾发生后风流及温度变化情况。然而，矿井火灾具有突发性，燃烧还会产生大量有毒气体，并且容易形成火风压。如果未能及时预见火灾的产生，将会使无数矿工的生命和财产安全受到严重威胁。而且在进行矿井通风系统稳定性分析上，特别是在矿井通风系统特征参数可调性研究方面，需要对网络解算的参数进行调节，这其中包括通风系统自身参数，也包括网络解算过程中的计算参数的调整。所以从经济和安全的角度来讲，开发能够模拟矿井火灾并分析特征参数变化的软件，从而能够模拟矿井火灾并分析通风网络特征参数，制定相应人员疏散方案的软件是很有实用性的，也是必要的［5］。

2 软件的开发及功能

2.1 软件开发设计思路

在用户输入了一个火灾时期矿井通风系统原始数据和特定约束条件后，能够正确进行通风网络解算，输出特定地点的具体参数，像风量、温度等。我们以Mfire3.0内核基础，编制了火灾时期矿井通风系统解算软件，并根据实验数据，验证解算结果的可靠性［6－7］。

从考察火灾时期矿井通风网络解算结果可靠性的影响因素来看，有必要对矿井通风系统网络解算的每一个环节都有详细的了解;网络解算软件开发过程，就是一个全面了解矿井通风系统网络解算

图1 矿井火灾模拟解算软件系统功能框图

系统的主体部分是由风阻解算、基本关联矩阵解算、风网解算等组成的风网解算模块。通风网络和风机原始数据为全局变量，其它计算变量则由参数在各模块之间传递，从而避免了一些不必要的参数传递，提高了运行速度。风网解算模块采用节点风压法结合Hardy－Cross迭代算法，程序编制结构简单、思路清晰。

2.2 功能的实现

1)软件设计方向:该软件总体是按功能模块的思想来设计的，便于调试和功能扩充，使程序维护变得简单、高效。

2)图形界面模块:界面完全可视化，对用户友好，操作简单。数据输入在界面引导下进行，有文字输入提示，并对数据合理性检查，程序大量应用弹出式对话框，丰富的工具条，程序的流程由用户自主控制。程序主界面以及二级菜单的内容如图2。

3)功能操作

数据录入即把矿井基本数据、风机数据、巷道数据、节点数据火灾控制数据等录入计算机。数据录入的设计实际上是设计友好的人机接口。数据录入界面按照一定的次序进行，设计操作简单、易掌握、有条理性。软件安装成功以后，双击快捷键即可进入矿井火灾模拟，根据软件界面的提示，录入需要的数据或打开已经编辑好的数据，点击运行，即可进行矿井通风火灾模拟，运行结束后，即可得出所运行的数据。矿井基本数据输入界面如图3。

图2 软件运行窗口

图3 矿井基本数据输入界面

3 软件应用

3.1 原始数据的输入

由于矿井火灾实验难以进行，所以我们以美国瓦尔多矿的火灾模拟实验为基础。首先我们录入瓦尔多矿的基本数据和火灾模拟实验的一些数据，来验证模拟软件模拟结果的可靠性。

表1 实验矿井基本数据

原始数据文件的处理是在矿井现场调查测定的每条风路的长度、形状、支护形式、面积、局部风阻、漏风情况、风机特性曲线多项式的系数的数值及安装位置、自然风压等参数的基础上［10］，结合通风网路的节点编号、风路编号，共同构建成软件所需要的风路参数表、节点参数表、巷道参数表等原始数据库文件，然后将数据库文件转化为系统要求的格式输入并模拟矿井通风系统现状，如果原始数据库文件中风路、节点等出现问题，系统将会自动报错［11］。