矿井火灾三维可视化技术优化

矿井火灾包括发生在矿井巷道内、硐室内和采空区内的火灾，也包括发生在地面井口附近而能波及井下的火灾[137]。在矿井火灾时期，由于火灾与通风系统的相互作用，使火灾的影响波及范围大，因而矿井火灾的动态发展过程仿真是一个非常复杂的研究课题，涉及许多学科领域。

（1）火灾时期的通风状态仿真。目前，矿井火灾时期的通风状态仿真的主要方法可以分为两类：一类是微分方程法；另一类是时间区间法[138，139]。微分方程法是通过建立火灾过程、烟流运动、围岩传热及通风网络风量—风压微分方程组，应用有限差分法求解这些方程得到较精确的数值解。这种方法计算复杂、计算量大，目前还难以达到实用的程度。时间区间法是在每一个微小的时间区间内，将风流状态看成是稳态，以前一时间区间的风量等数据为基础，计算火灾烟流的扩散范围、井巷的风温和火灾对烟流的影响等，然后采用稳态时的通风网络解算方法求解当前时间区间的风量等参数，如此由火灾发生时刻开始，逐个时间区间向前计算，其解算通常采用“哈蒂—克劳斯法”或“牛顿法”进行[140]。

（2）火灾烟流运动的仿真。目前，主要有“控制体法”和“烟流锋面法”[141]两类。“控制体法”就是将每条巷道中的风流分为若干个称为“控制体”的区段，每段中的烟流浓度假设为常数，控制体的前边界为数据点，记录为温度、浓度、离始点距离等参数值。随着时间的推移，“控制体”也向前移动，直至到达分支节点处烟流混合形成新的“控制体”流入后续巷道。“烟流锋面法”是将每一时间区间中，由火源或节点混合后流出的烟流浓度发生变化的烟流截面，都作为一个“烟流锋面”，记录其烟流温度、浓度、所在分支、离分支始点的距离等参数，随着时间推移，“烟流锋面”也向前移动，其温度等参数发生变化，在烟流汇合的节点处，根据质量守恒与热焓平衡定律计算得到新的烟流锋面，流入后续巷道。同一巷道的前后两烟流锋面之间的烟流浓度可看作是线性变化，温度按指数规律变化[142，143]。(www.xing528.com)

目前，专家学者与现场工程技术人员的研究主要集中在矿井巷道的风网解算、风网中烟流浓度和温度分布的仿真计算、风流与围岩的热交换计算、热风压对风流状态的干扰及烟流浓度、风温和风量变化计算等几个方面[144，145]；所取得的主要成果包括美国明尼苏达州矿务研究中心的MFIRE软件[146]； 波兰科学院研制的Mine Fire Simulator软件；西安科技学院的“矿井通风安全救灾软件CFIRE”[147]；淮南矿业学院开发的“多风井复杂通风系统正常与灾变时期通风模拟与控制”系统[148]以及中国矿业大学设计的“矿井通风防火系统”[149]；黄光球、汪晓海、陈惠明利用元胞自动机模型，用元胞来描述火烟蔓延能量单元，该单元包含了火焰温度、蔓延速度、烟雾浓度和有毒气体浓度等状态参数，在仿真过程中，可以获得大量关于火灾蔓延、灾害动态、灾害严重程度及其可行的调控方法[150]。尽管许多单位在通风系统的基础上对火灾扩散及数值模拟方面进行了相应的研究，但总体说来，对于在三维空间的火灾蔓延过程的仿真还是相对较少[151-155]。