CN109448487B - 一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练方法及系统，属于灾害预防领域。本发明的方法：利用虚拟现实技术，构建虚拟的煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练瓦斯爆炸场景，利用输入设备实现多用户与虚拟场景交互，获得煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练接近真实瓦斯爆炸事故的体验，达到良好的应急演练和培训效果。本发明的系统包括矿井现场基本参数据库模块、瓦斯爆炸数值模拟模块、建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景子模块、初始化模块、应急演练与逃生训练模块、效果评估模块、改进优化模块。本发明在煤矿瓦斯爆炸灾害求援培训领域具有较好的工程应用价值，能够提升矿山工作人员的相关救援知识水平和施救能力，提高逃生和救援效率，降低损失。

Description

一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练方法及系统

技术领域

本发明涉及一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练方法及系统，具体涉及一种能多人互动参与的真实体验煤矿瓦斯爆炸灾害的应急演练方法及系统，属于灾害预防领域。

技术背景

近几年来，随着我国煤矿安全生产工作的逐步深入，煤矿的整体安全生产水平有了大幅度的提高，煤矿安全生产呈现总体稳定、趋向好转的发展态势。尽管如此，安全生产的形势依然严峻，其中一个重要方面就是与发达国家员工应急培训、应急救援工作水平存在的差距。

在《国家安全监管总局关于加快推进国家和区域矿山应急救援队建设的意见》(安监总应急[2012]50号)中提出：创新训练手段和方法。要创新虚拟仿真训练模式，建设与救援队伍职能任务、技术手段和救援环境相匹配的模拟训练系统，提升训练信息化水平，具备在虚拟环境中进行各种类型灾害救援训练的条件。当前，我国的矿山应急救援培训工作虽然有了一定的基础，但是还没有形成系统的体系，远不能适应我国安全生产工作对矿山应急救援信息化、创新仿真培训演练的需求。

据矿山事故分析和权威数据统计，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、冒顶以及由此引发的继发性事故一直是导致煤矿重大人员伤亡、威胁矿工生命的头号杀手。经专家系统分析我国近年来矿难事故后发现，从时间段上确定在瓦斯爆炸事故中死亡人数大多并非发生在矿难的第一时间，而是矿难发生后一段时间内，甚至是一至四天内，仅中毒、窒息、溺水而引发的伤亡就占事故死亡率的90％以上。由于瓦斯爆炸发生地点情况复杂、救援人员能力有限导致救援工作难以在最佳施救时间内开展，使救援工作难以有效实施。

如何有效减少井下矿工的等待救援时间，有效提高自主逃生及应急救援效率，避免矿难发生后的次生灾害所带来的伤亡，成为降低重大矿难事故人员伤亡的首要问题。因此，通过科学有效的训练和培训，在现有救援装备基础上，不断提升矿山工作人员的相关救援知识水平和施救能力，是提高矿难发生后井下逃生和救援效率，降低矿难伤亡现状的关键。

目前煤矿瓦斯爆炸培训的主要方法是具有资质的人员课堂讲授，培训后需通过考核，另外在矿井也必须有例行培训。但是课堂传授的效果并不理想，而煤矿瓦斯爆炸灾害逃生、应急救援等培训也难以在现实环境中进行。在这种情况下，寻找一种针对煤矿瓦斯爆炸的高效培训方法就变得十分有必要。

发明内容

本发明公开的一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练方法及系统要解决的技术问题为：利用高精度瓦斯爆炸数值模拟技术和虚拟现实技术，构建虚拟的煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练瓦斯爆炸场景，利用输入设备实现多用户与虚拟场景交互，获得煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练接近真实瓦斯爆炸事故的体验，从而达到良好的应急演练和培训效果。

本发明公开的一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练方法及系统在煤矿瓦斯爆炸灾害求援培训领域具有较好的工程应用价值，通过虚拟现实技术实现科学有效的训练和培训，在现有逃生装备基础上，能够不断提升矿山工作人员的相关救援知识水平和逃生能力，提高矿难发生时井下工作人员的逃生效率，降低人员伤亡。

本发明的目的是通过下述技术方案实现。

本发明公开的一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练方法及系统，包括如下步骤：

步骤一：确定矿井现场基本参数。

确定矿井现场基本参数包括如下步骤：

步骤1.1：现场调研确定矿井井下巷道布置和关键设备，确定巷道尺寸、支护类型、关键设备尺寸、工作条件。

作为优选，步骤1.1所述的支护类型包括棚式支架、石材支护、锚杆支护和喷射混凝土支护。

步骤1.1所述的工作条件为，瓦斯浓度小于1％时工作，大于等于1％时停止工作。

步骤1.2：现场调研确定矿井巷道瓦斯浓度传感器的尺寸、安装位置和工作条件。

步骤1.2所述工作条件为：按照瓦斯浓度的升高速率显示瓦斯浓度值，瓦斯浓度升高到1％后，发出声光报警，瓦斯浓度升高到4％后，瓦斯浓度值维持4％，不再升高。

步骤1.3：现场调研确定矿井巷道应急播报系统的尺寸、安装位置和工作条件。

步骤1.3所述工作条件为：在瓦斯浓度超过规定值时，显示“瓦斯浓度超限，请逃生”。

步骤1.4：现场调研确定矿井压风自救站的尺寸、安装位置。

步骤1.5：现场调研确定矿井避难硐室的尺寸、安装位置。

步骤1.6：现场调研确定典型高浓度瓦斯区，所述典型高浓度瓦斯区包括掘进工作面掘进头、开采工作面上隅角。通过控制瓦斯超限范围，将高浓度瓦斯区分为低、中、高三个等级。低级：9％高浓度瓦斯充填巷道5m，中级：9％高浓度瓦斯充填巷道10m，高级：9％高浓度瓦斯充填巷道20m。

步骤二：对矿井典型高浓度瓦斯区瓦斯爆炸进行数值模拟，并评估爆炸影响区域。

针对不同地点、不同分布范围的高浓度瓦斯区的瓦斯爆炸进行数值模拟，得出爆炸后产生的CO气体的浓度分布范围，根据CO气体的浓度分布范围，评估爆炸影响区。

作为优选，步骤二所述的爆炸影响区分为致死区、高危区、中危区、低危区、健康损伤区和安全区。致死区：CO浓度大于10000ppm，3分钟内死亡，高危区：CO浓度小于10000ppm大于6400ppm，10分钟内死亡，中危区：CO浓度小于6400ppm大于3200ppm，30分钟内死亡，低危区：CO浓度小于3200ppm大于1600ppm，120分钟内死亡，健康损伤区：CO浓度小于1600ppm大于100ppm，长时间有致死危险，安全区：CO浓度小于100ppm。

步骤三：根据步骤一确定的矿井现场基本参数，建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景。

根据步骤一确定的矿井现场基本参数，建立爆炸影响区巷道和关键设备的几何模型，利用虚拟现实编辑器建立爆炸影响区巷道和关键设备的三维场景，再依据关键设备在爆炸发生前后的工作、声音等不同状态，利用虚拟现实编辑器对巷道和关键设备运动学、声学和视觉外观特性进行建模，实现建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景。

步骤四：利用虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的爆炸条件进行初始化，并对工人的生存状态和逃生速度初始化。

步骤4.1：利用虚拟现实编辑器对VR技术所要虚拟的爆炸条件进行初始化：主要包括瓦斯超限地点、瓦斯超限范围、瓦斯浓度升高速率、开始爆炸的时间；在不同CO浓度下，工人的生存状态和逃生速度。

作为优选，步骤四所述的瓦斯超限地点包括工作面、掘进头；将高浓度瓦斯区分为低、中、高三个等级，低级：9％高浓度瓦斯充填巷道5m，中级：9％高浓度瓦斯充填巷道10m，高级：9％高浓度瓦斯充填巷道20m；瓦斯浓度升高速率：从0升高到9％，用时0.5小时、1小时、2小时；开始爆炸的时机：瓦斯浓度升高到9％后，延时预设固定时间爆炸，延迟时间选0小时、0.5小时、1小时。

步骤4.2：利用虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的工人生存状态和逃生速度初始化：致死区：人员立即死亡，能见度1m；高危区：人员在10min内死亡，能见度2m，逃生速度0.5m/s；中危区：人员在30min内死亡，能见度4m，逃生速度1m/s；低危区：人员在120min内死亡，能见度6m，逃生速度1.5m/s；健康损伤区：能见度8m，逃生速度2m/s。

步骤五：煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练与逃生训练。

在利用步骤四进行初始化后，逃生训练人员选择不同的工种进入到井下相应的虚拟开采地点，各工作人员根据应急预案的要求进行逃生训练。

步骤五具体实现方法为：

步骤5.1：在利用步骤四进行初始化后，逃生训练人员选择不同的工种进入到井下相应的虚拟开采地点，采煤工进入工作面下隅角，掘进工进入掘进头，瓦斯检查工进入工作面上隅角，随身携带自救器。

步骤5.2：各工作人员根据应急预案的要求进行应急演练与逃生训练。

步骤5.2.1：当瓦斯浓度超限，人员应该电话汇报。

步骤5.2.2：当人员听到撤离指令或瓦斯达到一定浓度时，根据矿上的应急救援预案的要求，人员开始撤离，此时开始计时。

步骤5.2.3：根据步骤四初始化的瓦斯超限地点、时间和爆炸条件判断是否发生瓦斯爆炸，瓦斯爆炸发生时，根据人员对应步骤二所述的爆炸影响区分为致死区、爆炸影响高危区、爆炸影响中危区、爆炸影响低危区、爆炸影响健康损伤区和安全区进行人员伤害预判。

步骤5.2.4：瓦斯爆炸发生后，根据人员对应步骤四所在的区域赋予相应工人生存状态和逃生速度限制。人员首选应该佩戴自救器，然后再逃生。自救器的维持时间是30min，要在30min内换新的自救器延长逃生时间，否则，按暴露于有毒空气中计算生存时间。一般在压风自救站中可以找到备用自救器。人员到达避难硐室或到达安全区后，逃生成功。步骤四所在的区域分为致死区、高危区、中危区、低危区、健康损伤区和安全区。

步骤六：煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练与逃生训练效果评估。

在瓦斯浓度达到逃生界限时，开始对每个工人计时，计算工人逃到安全区所用的总时间。根据工人工作奖励分和逃生时间计算总训练成绩，评估各工人的应急演练效果。

还包括步骤七：利用步骤六所述的效果评估结果产生人员逃生轨迹图和时间图，与最佳逃生路线和时间进行对比，提出改进和优化措施，实现科学有效的训练和培训，在现有救援装备基础上，能够不断提升矿山工作人员的相关救援知识水平和施救能力，提高矿难发生后井下逃生和救援效率，降低损失。

作为优选，所述虚拟现实编辑器优选Virtools或Unity虚拟现实编辑器。

本发明公开的一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练系统，包括矿井现场基本参数据库模块、瓦斯爆炸数值模拟模块、建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景子模块、初始化模块、应急演练与逃生训练模块、效果评估模块、改进优化模块。

矿井现场基本参数据库模块用于确定矿井现场基本参数。

瓦斯爆炸数值模拟模块用于对矿井典型高浓度瓦斯区瓦斯爆炸进行数值模拟，并评估爆炸影响区域。

建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景子模块用于建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景。根据矿井现场基本参数据库模块确定的矿井现场基本参数，建立爆炸影响区巷道和关键设备的几何模型，利用虚拟现实编辑器建立爆炸影响区巷道和关键设备的三维场景，再依据关键设备在爆炸发生前后的工作、声音等不同状态，利用虚拟现实编辑器对巷道和关键设备运动学、声学和视觉外观特性进行建模，实现建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景。

初始化模块用于利用虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的爆炸条件进行初始化，并对工人的生存状态和逃生速度初始化。

应急演练与逃生训练模块用于实现煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练与逃生训练。在利用初始化模块进行初始化后，逃生训练人员选择不同的工种进入到井下相应的虚拟开采地点，各工作人员根据应急预案的要求进行逃生训练。

效果评估模块用于实现煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练与逃生训练效果评估。在瓦斯浓度达到逃生界限时，开始对每个工人计时，计算工人逃到安全区所用的总时间。根据工人工作奖励分和逃生时间计算总训练成绩，评估各工人的应急演练效果。

改进优化模块利用效果评估模块所述的效果评估结果生成人员逃生轨迹图和时间图，与最佳逃生路线和时间进行对比，提出改进和优化措施，实现科学有效的训练和培训，在现有救援装备基础上，能够不断提升矿山工作人员的相关救援知识水平和施救能力，提高矿难发生后井下逃生和救援效率，降低损失。

矿井现场基本参数据库模块包括巷道布置和关键设备参数子模块、瓦斯浓度传感器参数子模块、应急播报参数子模块、压风自救站参数子模块、避难硐室参数子模块、典型高浓度瓦斯区参数子模块。

巷道布置和关键设备参数子模块用于确定矿井井下巷道布置和关键设备，确定巷道尺寸、支护类型、关键设备尺寸、工作条件。

瓦斯浓度传感器参数子模块用于确定矿井巷道瓦斯浓度传感器的尺寸、安装位置和工作条件。

应急播报参数子模块用于确定矿井巷道应急播报系统的尺寸、安装位置和工作条件。在瓦斯浓度超过规定值时，显示“瓦斯浓度超限，请逃生”。

压风自救站参数子模块用于确定矿井压风自救站的尺寸、安装位置。

避难硐室参数子模块用于确定矿井避难硐室的尺寸、安装位置。

典型高浓度瓦斯区参数子模块用于确定典型高浓度瓦斯区，所述典型高浓度瓦斯区包括掘进工作面掘进头、开采工作面上隅角。通过控制瓦斯超限范围，将高浓度瓦斯区分为低、中、高三个等级。低级：9％高浓度瓦斯充填巷道5m，中级：9％高浓度瓦斯充填巷道10m，高级：9％高浓度瓦斯充填巷道20m。

瓦斯爆炸数值模拟模块所述的爆炸影响区分为致死区、高危区、低危区、健康损伤区和安全区。致死区：CO浓度大于10000ppm，3分钟内死亡，高危区：CO浓度小于10000ppm大于6400ppm，10分钟内死亡，中危区：CO浓度小于6400ppm大于3200ppm，30分钟内死亡，低危区：CO浓度小于3200ppm大于1600ppm，120分钟内死亡，健康损伤区：CO浓度小于1600ppm大于100ppm，长时间有致死危险，安全区：CO浓度小于100ppm。

初始化模块包括爆炸条件初始化子模块和工人生存状态和逃生速度初始化子模块。

爆炸条件初始化子模块用于利用虚拟现实编辑器对VR技术所要虚拟的爆炸条件进行初始化：主要包括瓦斯超限地点、瓦斯超限范围、瓦斯浓度升高速率、开始爆炸的时间。

爆炸条件初始化子模块所述的瓦斯超限地点包括工作面、掘进头；将高浓度瓦斯区分为低、中、高三个等级，低级：9％高浓度瓦斯充填巷道5m，中级：9％高浓度瓦斯充填巷道10m，高级：9％高浓度瓦斯充填巷道20m；瓦斯浓度升高速率：从0升高到9％，用时0.5小时、1小时、2小时；开始爆炸的时机：瓦斯浓度升高到9％后，延时预设固定时间爆炸，延迟时间选0小时、0.5小时、1小时。

工人生存状态和逃生速度初始化子模块用于利用虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的工人生存状态和逃生速度初始化：致死区：人员立即死亡，能见度1m；高危区：人员在10min内死亡，能见度2m，逃生速度0.5m/s；中危区：人员在30min内死亡，能见度4m，逃生速度1m/s；低危区：人员在120min内死亡，能见度6m，逃生速度1.5m/s；健康损伤区：能见度8m，逃生速度2m/s。

应急演练与逃生训练模块用于实现煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练与逃生训练。

在利用初始化模块进行初始化后，逃生训练人员选择不同的工种进入到井下相应的虚拟开采地点，各工作人员根据应急预案的要求进行逃生训练。

各工作人员根据应急预案的要求进行逃生训练具体实现方法为：

当瓦斯浓度超限，人员应该电话汇报；

当人员听到撤离指令或瓦斯达到一定浓度时，根据矿上的应急救援预案的要，人员开始撤离，此时开始计时；

根据初始化的瓦斯超限地点、时间和爆炸条件判断是否发生瓦斯爆炸，瓦斯爆炸发生时，根据人员对应瓦斯爆炸数值模拟模块所述的爆炸影响区分为致死区、爆炸影响高危区、爆炸影响中危区、爆炸影响低危区、爆炸影响健康损伤区和安全区进行人员伤害预判；

瓦斯爆炸发生后，根据人员对应初始化模块所定义的区域赋予相应工人生存状态和逃生速度限制。人员首选应该佩戴自救器，然后再逃生。自救器的维持时间是30min，要在30min内换新的自救器延长逃生时间，否则，按暴露于有毒空气中计算生存时间，一般在压风自救站中有备用的自救器。人员到达避难硐室或到达安全区后，逃生成功。初始化模块所定义的区域分为致死区、高危区、中危区、低危区、健康影响区和安全区。

有益效果：

1、本发明公开的一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练方法及系统，利用虚拟现实技术，构建虚拟的煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练瓦斯爆炸场景，利用输入设备实现多用户与虚拟场景交互，获得煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练接近真实瓦斯爆炸事故的体验，与传统的瓦斯爆炸虚拟现实培训相比，能够使培训人员获得更真实的爆炸逃生训练体验，提高瓦斯爆炸应急逃生训练效果。

2、本发明公开的一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练方法及系统，在煤矿瓦斯爆炸灾害求援培训领域具有较好的工程应用价值，通过虚拟现实技术实现科学有效的训练和培训，在现有救援装备基础上，能够不断提升矿山工作人员的相关救援知识水平和施救能力，提高矿难井下逃生和救援效率，降低损失。

3、本发明公开的一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练方法及系统，对典型高浓度瓦斯区、爆炸影响区、爆炸条件、瓦斯浓度升高速率、工人生存状态和逃生速度进行科学的评估，并给出相应科学定量分区，能够提高煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练真实度和训练效果。

附图说明

图1为本发明公开的一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练方法流程图；

图2为本发明公开的一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练系统的系统框图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练方法，具体实施步骤如下：

步骤一：确定矿井现场基本参数。

步骤1.1：现场调研确定矿井井下巷道布置和关键设备，确定巷道尺寸、支护类型、关键设备尺寸、工作条件。所述的支护类型包括棚式支架、石材支护、锚杆支护和喷射混凝土支护。所述的工作条件为，瓦斯浓度小于1％时工作，大于等于1％时停止工作。

步骤1.2：现场调研矿确定井巷道瓦斯浓度传感器的尺寸、安装位置和工作条件。所述工作条件为：按照瓦斯浓度的升高速率显示瓦斯浓度值，瓦斯浓度升高到1％后，发出声光报警，瓦斯浓度升高到4％后，瓦斯浓度值维持4％，不再升高。

步骤1.3：现场调研确定矿井巷道应急播报系统的尺寸、安装位置和工作条件。所述工作条件为：在瓦斯浓度超过规定值时，显示“瓦斯浓度超限，请逃生”。

步骤1.4：现场调研确定矿井压风自救站的尺寸、安装位置。

步骤1.5：现场调研确定矿井避难硐室的尺寸、安装位置。

步骤1.6：现场调研确定典型高浓度瓦斯区，所述典型高浓度瓦斯区包括掘进工作面掘进头、开采工作面上隅角。通过控制瓦斯超限范围，将高浓度瓦斯区分为低、中、高三个等级。低级：9％高浓度瓦斯充填巷道5m，中级：9％高浓度瓦斯充填巷道10m，高级：9％高浓度瓦斯充填巷道20m。

步骤二：对矿井典型高浓度瓦斯区瓦斯爆炸进行数值模拟，并评估爆炸影响区域。

针对不同地点、不同分布范围的高浓度瓦斯区的瓦斯爆炸进行数值模拟，得出爆炸后产生的CO气体的浓度分布范围，根据CO气体的浓度分布范围，评估爆炸影响区。

步骤二所述的爆炸影响区分为致死区、高危区、低危区、健康损伤区和安全区。致死区：CO浓度大于10000ppm，3分钟内死亡，高危区：CO浓度小于10000ppm大于6400ppm，10分钟内死亡，中危区：CO浓度小于6400ppm大于3200ppm，30分钟内死亡，低危区：CO浓度小于3200ppm大于1600ppm，120分钟内死亡，健康损伤区：CO浓度小于1600ppm大于100ppm，长时间有致死危险，安全区：CO浓度小于100ppm。

步骤三：根据步骤一确定的矿井现场基本参数，建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景。

根据步骤一确定的矿井现场基本参数，利用3DS MAX建立爆炸影响区巷道和关键设备的几何模型，利用虚拟现实编辑器建立爆炸影响区巷道和关键设备的三维场景，再依据关键设备在爆炸发生前后的工作、声音等不同状态，利用虚拟现实编辑器对巷道和关键设备运动学、声学和视觉外观特性进行建模，实现建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景。

步骤四：利用虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的爆炸条件进行初始化，并对工人的生存状态和逃生速度初始化。

步骤4.1：利用Virtools或Unity虚拟现实编辑器对VR技术所要虚拟的爆炸条件进行初始化：主要包括瓦斯超限地点、瓦斯超限范围、瓦斯浓度升高速率、开始爆炸的时间；在不同CO浓度下，工人的生存状态和逃生速度。

步骤四所述的瓦斯超限地点包括工作面、掘进头；将高浓度瓦斯区分为低、中、高三个等级，低级：9％高浓度瓦斯充填巷道5m，中级：9％高浓度瓦斯充填巷道10m，高级：9％高浓度瓦斯充填巷道20m；瓦斯浓度升高速率：从0升高到9％，用时0.5小时、1小时、2小时；开始爆炸的时机：瓦斯浓度升高到9％后，延时预设固定时间爆炸，延迟时间选0小时、0.5小时、1小时。

步骤4.2：利用Virtools或Unity虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的工人生存状态和逃生速度初始化：致死区：人员立即死亡，能见度1m；高危区：人员在10min内死亡，能见度2m，逃生速度0.5m/s；中危区：人员在30min内死亡，能见度4m，逃生速度1m/s；低危区：人员在120min内死亡，能见度6m，逃生速度1.5m/s；健康损伤区：能见度8m，逃生速度2m/s。

步骤五：煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练与逃生训练。

在利用步骤四进行初始化后，逃生训练人员选择不同的工种进入到井下相应的虚拟开采地点，各工作人员根据应急预案的要求进行逃生训练。

步骤五具体实现方法为：

步骤5.1：在利用步骤四进行初始化后，逃生训练人员选择不同的工种进入到井下相应的虚拟开采地点，采煤工进入工作面下隅角，掘进工进入掘进头，瓦斯检查工进入工作面上隅角，随身携带自救器。

步骤5.2：各工作人员根据应急预案的要求进行应急演练与逃生训练。

步骤5.2.1：当瓦斯浓度超限，人员应该电话汇报。

步骤5.2.2：当人员听到撤离指令或瓦斯达到一定浓度时，根据矿上的应急救援预案的要，人员开始撤离，此时开始计时。

步骤5.2.3：根据步骤四初始化的瓦斯超限地点、时间和爆炸条件判断是否发生瓦斯爆炸，瓦斯爆炸发生时，根据人员对应步骤二所述的爆炸影响区分为致死区、爆炸影响高危区、爆炸影响中危区、爆炸影响低危区、爆炸影响健康损伤区和安全区进行人员伤害预判。

步骤5.2.4：瓦斯爆炸发生后，根据人员对应步骤四所在的区域赋予相应工人生存状态和逃生速度限制。人员首选应该佩戴自救器，然后再逃生。自救器的维持时间是30min，要在30min内换新的自救器延长逃生时间，否则，按暴露于有毒空气中计算生存时间。人员到达避难硐室或到达安全区后，逃生成功。步骤四所在的区域分为致死区、高危区、中危区、低危区和健康损伤区和安全区。

步骤六：煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练与逃生训练效果评估。

在瓦斯浓度达到逃生界限时，开始对每个工人计时，计算人员从逃生指令下达到逃生成功所用的时间T，根据最短逃生时间T0，进行评分，T0/T×100％。分值大于90分合格；小于90分需要继续训练。

还包括步骤七：利用步骤六所述的效果评估结果产生人员逃生轨迹图和时间图，与最佳逃生路线和时间进行对比，提出改进和优化措施，实现科学有效的训练和培训，在现有救援装备基础上，能够不断提升矿山工作人员的相关救援知识水平和施救能力，提高矿难发生后井下逃生和救援效率，降低损失。

实施例2：

如图2所示，本实施例公开的一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练系统，包括矿井现场基本参数数据库模块、瓦斯爆炸数值模拟模块、建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景子模块、初始化模块、应急演练与逃生训练模块、效果评估模块、改进优化模块。

矿井现场基本参数数据库模块用于确定矿井现场基本参数。

瓦斯爆炸数值模拟模块用于对矿井典型高浓度瓦斯区瓦斯爆炸进行数值模拟，并评估爆炸影响区域。

建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景子模块用于建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景。根据矿井现场基本参数据库模块确定的矿井现场基本参数，利用3DS MAX建立爆炸影响区巷道和关键设备的几何模型，利用虚拟现实编辑器建立爆炸影响区巷道和关键设备的三维场景，再依据关键设备在爆炸发生前后的工作、声音等不同状态，利用虚拟现实编辑器对巷道和关键设备运动学、声学和视觉外观特性进行建模，实现建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景。

初始化模块用于利用Virtools或Unity虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的爆炸条件进行初始化，并对工人的生存状态和逃生速度初始化。

矿井现场基本参数数据库模块包括巷道布置和关键设备参数子模块、瓦斯浓度传感器参数子模块、应急播报参数子模块、压风自救站参数子模块、避难硐室参数子模块、典型高浓度瓦斯区参数子模块。

巷道布置和关键设备参数子模块用于确定矿井井下巷道布置和关键设备，确定巷道尺寸、支护类型、关键设备尺寸、工作条件。

瓦斯浓度传感器参数子模块用于确定矿井巷道瓦斯浓度传感器的尺寸、安装位置和工作条件。

应急播报参数子模块用于确定矿井巷道应急播报系统的尺寸、安装位置和工作条件。在瓦斯浓度超过规定值时，显示“瓦斯浓度超限，请逃生”。

压风自救站参数子模块用于确定矿井压风自救站的尺寸、安装位置。

避难硐室参数子模块用于确定矿井避难硐室的尺寸、安装位置。

典型高浓度瓦斯区参数子模块用于确定典型高浓度瓦斯区，所述典型高浓度瓦斯区包括掘进工作面掘进头、开采工作面上隅角。通过控制瓦斯超限范围，将高浓度瓦斯区分为低、中、高三个等级。低级：9％高浓度瓦斯充填巷道5m，中级：9％高浓度瓦斯充填巷道10m，高级：9％高浓度瓦斯充填巷道20m。

瓦斯爆炸数值模拟模块所述的爆炸影响区分为致死区、高危区、低危区、健康损伤区和安全区。致死区：CO浓度大于10000ppm，3分钟内死亡，高危区：CO浓度小于10000ppm大于6400ppm，10分钟内死亡，中危区：CO浓度小于6400ppm大于3200ppm，30分钟内死亡，低危区：CO浓度小于3200ppm大于1600ppm，120分钟内死亡，健康损伤区：CO浓度小于1600ppm大于100ppm，长时间有致死危险，安全区：CO浓度小于100ppm。

初始化模块包括爆炸条件初始化子模块和工人生存状态和逃生速度初始化子模块。

爆炸条件初始化子模块用于利用Virtools或Unity虚拟现实编辑器对VR技术所要虚拟的爆炸条件进行初始化：主要包括瓦斯超限地点、瓦斯超限范围、瓦斯浓度升高速率、开始爆炸的时间；在不同CO浓度下，工人的生存状态和逃生速度。

爆炸条件初始化子模块所述的瓦斯超限地点包括工作面、掘进头；将高浓度瓦斯区分为低、中、高三个等级，低级：9％高浓度瓦斯充填巷道5m，中级：9％高浓度瓦斯充填巷道10m，高级：9％高浓度瓦斯充填巷道20m；瓦斯浓度升高速率：从0升高到9％，用时0.5小时、1小时、2小时；开始爆炸的时机：瓦斯浓度升高到9％后，延时预设固定时间爆炸，延迟时间选0小时、0.5小时、1小时。

工人生存状态和逃生速度初始化子模块用于利用Virtools或Unity虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的工人生存状态和逃生速度初始化：致死区：人员立即死亡，能见度1m；高危区：人员在10min内死亡，能见度2m，逃生速度0.5m/s；中危区：人员在30min内死亡，能见度4m，逃生速度1m/s；低危区：人员在120min内死亡，能见度6m，逃生速度1.5m/s；健康损伤区：能见度8m，逃生速度2m/s。

应急演练与逃生训练模块用于实现煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练与逃生训练。

在利用初始化模块进行初始化后，逃生训练人员选择不同的工种进入到井下相应的虚拟开采地点，各工作人员根据应急预案的要求进行逃生训练。

各工作人员根据应急预案的要求进行逃生训练具体实现方法为：

当瓦斯浓度超限，人员应该电话汇报；

当人员听到撤离指令或瓦斯达到一定浓度时，根据矿上的应急救援预案的要，人员开始撤离，此时开始计时；

根据初始化的瓦斯超限地点、时间和爆炸条件判断是否发生瓦斯爆炸，瓦斯爆炸发生时，根据人员对应瓦斯爆炸数值模拟模块所述的爆炸影响区分为致死区、爆炸影响高危区、爆炸影响中危区、爆炸影响低危区、爆炸影响健康损伤区和安全区进行人员伤害预判；

瓦斯爆炸发生后，根据人员对应初始化模块所定义的区域赋予相应工人生存状态和逃生速度限制。人员首选应该佩戴自救器，然后再逃生。自救器的维持时间是30min，要在30min内换新的自救器延长逃生时间，否则，按暴露于有毒空气中计算生存时间。人员到达避难硐室或到达安全区后，逃生成功。初始化模块所定义的区域分为致死区、高危区、中危区、低危区、健康损伤区和安全区。

效果评估模块用于实现煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练与逃生训练效果评估。在瓦斯浓度达到逃生界限时，开始对每个工人计时，计算人员从逃生指令下达到逃生成功所用的时间T，根据最短逃生时间T0，进行评分，T0/T×100％。分值大于90分合格；小于90分需要继续训练。

改进优化模块利用效果评估模块所述的效果评估结果生成人员逃生轨迹图和时间图，与最佳逃生路线和时间进行对比，提出改进和优化措施，实现科学有效的训练和培训，在现有救援装备基础上，能够不断提升矿山工作人员的相关救援知识水平和施救能力，提高矿难发生后井下逃生和救援效率，降低损失。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：确定矿井现场基本参数；

步骤二：对矿井典型高浓度瓦斯区瓦斯爆炸进行数值模拟，并评估爆炸影响区域；

步骤二具体实现方法为，针对不同地点、不同分布范围的高浓度瓦斯区的瓦斯爆炸进行数值模拟，得出爆炸后产生的CO气体的浓度分布范围，根据CO气体的浓度分布范围，评估爆炸影响区；

步骤二所述的爆炸影响区分为致死区、高危区、中危区、低危区、健康损伤区和安全区；致死区：CO浓度大于10000ppm，3分钟内死亡，高危区：CO浓度小于10000ppm大于6400ppm，10分钟内死亡，中危区：CO浓度小于6400ppm大于3200ppm，30分钟内死亡，低危区：CO浓度小于3200ppm大于1600ppm，120分钟内死亡，健康损伤区：CO浓度小于1600ppm大于100ppm，长时间有致死危险，安全区：CO浓度小于100ppm；

步骤三：根据步骤一确定的矿井现场基本参数，建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景；

根据步骤一确定的矿井现场基本参数，建立爆炸影响区巷道和关键设备的几何模型，利用虚拟现实编辑器建立爆炸影响区巷道和关键设备的三维场景，再依据关键设备在爆炸发生前后的工作、声音不同状态，利用虚拟现实编辑器对巷道和关键设备运动学、声学和视觉外观特性进行建模，实现建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景；

步骤四：利用虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的爆炸条件进行初始化，并对工人的生存状态和逃生速度初始化；

步骤四具体实现方法为，

步骤4.1：利用虚拟现实编辑器对VR技术所要虚拟的爆炸条件进行初始化：主要包括瓦斯超限地点、瓦斯超限范围、瓦斯浓度升高速率、开始爆炸的时间；在不同CO浓度下，工人的生存状态和逃生速度；

步骤4.1所述的瓦斯超限地点包括工作面、掘进头；将高浓度瓦斯区分为低、中、高三个等级，低级：9%高浓度瓦斯充填巷道5m，中级：9%高浓度瓦斯充填巷道10m，高级：9%高浓度瓦斯充填巷道20m；瓦斯浓度升高速率：从0升高到9%，用时0.5小时、1小时、2小时；开始爆炸的时间：瓦斯浓度升高到9%后，延时预设固定时间爆炸，延迟时间选0小时、0.5小时、1小时；

步骤4.2：利用虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的工人生存状态和逃生速度初始化：致死区：3分钟内死亡，能见度1m；高危区：人员在10min内死亡，能见度2m，逃生速度0.5m/s；中危区：人员在30min内死亡，能见度4m，逃生速度1m/s；低危区：人员在120min内死亡，能见度6m，逃生速度1.5m/s；健康损伤区：能见度8m，逃生速度2m/s；

步骤五：煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练与逃生训练；

在利用步骤四进行初始化后，逃生训练人员选择不同的工种进入到井下相应的虚拟开采地点，各工作人员根据应急预案的要求进行逃生训练；

步骤五具体实现方法为，

步骤5.1：在利用步骤四进行初始化后，逃生训练人员选择不同的工种进入到井下相应的虚拟开采地点，采煤工进入工作面下隅角，掘进工进入掘进头，瓦斯检查工进入工作面上隅角，随身携带自救器；

步骤5.2：各工作人员根据应急预案的要求进行应急演练与逃生训练；

步骤5.2.1：当瓦斯浓度超限，人员应该电话汇报；

步骤5.2.2：当人员听到撤离指令或瓦斯达到一定浓度时，根据矿上的应急救援预案的要求，人员开始撤离，此时开始计时；

步骤5.2.3：根据步骤四初始化的瓦斯超限地点、时间和爆炸条件判断是否发生瓦斯爆炸，瓦斯爆炸发生时，根据人员对应步骤二所述的爆炸影响区进行人员伤害预判；

步骤5.2.4：瓦斯爆炸发生后，根据人员对应步骤四所在的区域赋予相应工人生存状态和逃生速度限制；人员首选应该佩戴自救器，然后再逃生；自救器的维持时间是30min，要在30min内换新的自救器延长逃生时间，否则，按暴露于有毒空气中计算生存时间，一般在压风自救站中有备用的自救器，人员到达避难硐室或到达安全区后，逃生成功；步骤四所在的区域分为致死区、高危区、中危区、低危区、健康损伤区和安全区；

步骤六：煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练与逃生训练效果评估；

在瓦斯浓度达到逃生界限时，开始对每个工人计时，计算工人逃到安全区所用的总时间；根据工人工作奖励分和逃生时间计算总训练成绩，评估各工人的应急演练效果。

2.如权利要求1所述的一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练方法，其特征在于：还包括步骤七，利用步骤六所述的效果评估结果产生人员逃生轨迹图和时间图，与最佳逃生路线和时间进行对比，提出改进和优化措施。

3.如权利要求1或2所述的一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练方法，其特征在于：步骤一所述确定矿井现场基本参数包括如下步骤，

步骤1.1：现场调研确定矿井井下巷道布置和关键设备，确定巷道尺寸、支护类型、关键设备尺寸、工作条件；

步骤1.1所述的支护类型包括棚式支护、石材支护、锚杆支护和喷射混凝土支护；

步骤1.1所述的工作条件为，瓦斯浓度小于1%时工作，大于等于1%时停止工作；

步骤1.2：现场调研确定矿井巷道瓦斯浓度传感器的尺寸、安装位置和工作条件；

步骤1.2所述工作条件为：按照瓦斯浓度的升高速率显示瓦斯浓度值，瓦斯浓度升高到1%后，发出声光报警，瓦斯浓度升高到4%后，瓦斯浓度值维持4%，不再升高；

步骤1.3：现场调研确定矿井巷道应急播报系统的尺寸、安装位置和工作条件；

步骤1.3所述工作条件为：在瓦斯浓度超过规定值时，显示“瓦斯浓度超限，请逃生”；

步骤1.4：现场调研确定矿井压风自救站的尺寸、安装位置；

步骤1.5：现场调研确定矿井避难硐室的尺寸、安装位置；

步骤1.6：现场调研确定典型高浓度瓦斯区，所述典型高浓度瓦斯区包括掘进工作面掘进头、开采工作面上隅角；通过控制瓦斯超限范围，将高浓度瓦斯区分为低、中、高三个等级；低级：9%高浓度瓦斯充填巷道5m，中级：9%高浓度瓦斯充填巷道10m，高级：9%高浓度瓦斯充填巷道20m。

4.一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练系统，其特征在于：包括矿井现场基本参数数据库模块、瓦斯爆炸数值模拟模块、建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景子模块、初始化模块、应急演练与逃生训练模块、效果评估模块、改进优化模块；

矿井现场基本参数数据库模块用于确定矿井现场基本参数；

瓦斯爆炸数值模拟模块用于对矿井典型高浓度瓦斯区瓦斯爆炸进行数值模拟，并评估爆炸影响区；

建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景子模块用于建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景；根据矿井现场基本参数数据库模块确定的矿井现场基本参数，建立爆炸影响区巷道和关键设备的几何模型，利用虚拟现实编辑器建立爆炸影响区巷道和关键设备的三维场景，再依据关键设备在爆炸发生前后的工作、声音不同状态，利用虚拟现实编辑器对巷道和关键设备运动学、声学和视觉外观特性进行建模，实现建立煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟现实基本场景；

初始化模块用于利用虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的爆炸条件进行初始化，并对工人的生存状态和逃生速度初始化；

应急演练与逃生训练模块用于实现煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练与逃生训练；在利用初始化模块进行初始化后，逃生训练人员选择不同的工种进入到井下相应的虚拟开采地点，各工作人员根据应急预案的要求进行逃生训练；

效果评估模块用于实现煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练与逃生训练效果评估；在瓦斯浓度达到逃生界限时，开始对每个工人计时，计算工人逃到安全区所用的总时间；根据工人工作奖励分和逃生时间计算总训练成绩，评估各工人的应急演练效果；

改进优化模块利用效果评估模块所述的效果评估结果生成人员逃生轨迹图和时间图，与最佳逃生路线和时间进行对比，提出改进和优化措施；

瓦斯爆炸数值模拟模块所述的爆炸影响区分为致死区、高危区、中危区、低危区、健康损伤区和安全区；致死区：CO浓度大于10000ppm，3分钟内死亡，高危区：CO浓度小于10000ppm大于6400ppm，10分钟内死亡，中危区：CO浓度小于6400ppm大于3200ppm，30分钟内死亡，低危区：CO浓度小于3200ppm大于1600ppm，120分钟内死亡，健康损伤区：CO浓度小于1600ppm大于100ppm，长时间有致死危险，安全区：CO浓度小于100ppm；

初始化模块包括爆炸条件初始化子模块和工人生存状态和逃生速度初始化子模块；

爆炸条件初始化子模块用于利用虚拟现实编辑器对VR技术所要虚拟的爆炸条件进行初始化：主要包括瓦斯超限地点、瓦斯超限范围、瓦斯浓度升高速率、开始爆炸的时间；在不同CO浓度下，工人的生存状态和逃生速度；

爆炸条件初始化子模块所述的瓦斯超限地点包括工作面、掘进头；将高浓度瓦斯区分为低、中、高三个等级，低级：9%高浓度瓦斯充填巷道5m，中级：9%高浓度瓦斯充填巷道10m，高级：9%高浓度瓦斯充填巷道20m；瓦斯浓度升高速率：从0升高到9%，用时0.5小时、1小时、2小时；开始爆炸的时间：瓦斯浓度升高到9%后，延时预设固定时间爆炸，延迟时间选0小时、0.5小时、1小时；

工人生存状态和逃生速度初始化子模块用于利用虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的工人生存状态和逃生速度初始化：致死区：3分钟内死亡，能见度1m；高危区：人员在10min内死亡，能见度2m，逃生速度0.5m/s；中危区：人员在30min内死亡，能见度4m，逃生速度1m/s；低危区：人员在120min内死亡，能见度6m，逃生速度1.5m/s；健康损伤区：能见度8m，逃生速度2m/s；

各工作人员根据应急预案的要求进行逃生训练具体实现方法为：

当瓦斯浓度超限，人员应该电话汇报；

当人员听到撤离指令或瓦斯达到一定浓度时，根据矿上的应急救援预案的要求，人员开始撤离，此时开始计时；

根据初始化的瓦斯超限地点、时间和爆炸条件判断是否发生瓦斯爆炸，瓦斯爆炸发生时，根据人员对应瓦斯爆炸数值模拟模块所述的爆炸影响区进行人员伤害预判；

瓦斯爆炸发生后，根据人员对应初始化模块所定义的区域赋予相应工人生存状态和逃生速度限制；人员首选应该佩戴自救器，然后再逃生；自救器的维持时间是30min，要在30min内换新的自救器延长逃生时间，否则，按暴露于有毒空气中计算生存时间，一般在压风自救站中有备用的自救器；人员到达避难硐室或到达安全区后，逃生成功；初始化模块所定义的区域分为致死区、高危区、中危区、低危区、健康损伤区和安全区。

5.如权利要求4所述的一种煤矿瓦斯爆炸灾害虚拟应急演练系统，其特征在于：矿井现场基本参数数据库模块包括巷道布置和关键设备参数子模块、瓦斯浓度传感器参数子模块、应急播报参数子模块、压风自救站参数子模块、避难硐室参数子模块、典型高浓度瓦斯区参数子模块；

巷道布置和关键设备参数子模块用于确定矿井井下巷道布置和关键设备，确定巷道尺寸、支护类型、关键设备尺寸、工作条件；

瓦斯浓度传感器参数子模块用于确定矿井巷道瓦斯浓度传感器的尺寸、安装位置和工作条件；

应急播报参数子模块用于确定矿井巷道应急播报系统的尺寸、安装位置和工作条件；在瓦斯浓度超过规定值时，显示“瓦斯浓度超限，请逃生”；

压风自救站参数子模块用于确定矿井压风自救站的尺寸、安装位置；

避难硐室参数子模块用于确定矿井避难硐室的尺寸、安装位置；

典型高浓度瓦斯区参数子模块用于确定典型高浓度瓦斯区，所述典型高浓度瓦斯区包括掘进工作面掘进头、开采工作面上隅角；通过控制瓦斯超限范围，将高浓度瓦斯区分为低、中、高三个等级；低级：9%高浓度瓦斯充填巷道5m，中级：9%高浓度瓦斯充填巷道10m，高级：9%高浓度瓦斯充填巷道20m。

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