CN109448488B - 矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练方法及系统，属于灾害预防领域。本发明的方法：利用高精度数值模拟和虚拟现实技术，构建虚拟的矿井外因火灾虚拟应急演练火灾场景，利用输入设备实现多用户与虚拟场景交互，获得矿井外因火灾虚拟应急演练接近真实火灾事故的体验，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、火灾事故数值模拟模块、矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建模块、应急演练与逃生训练模块、效果评估模块、改进优化模块。本发明在矿井外因火灾救援培训领域具有工程应用价值，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。

Description

矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练方法及系统

技术领域

本发明涉及一种矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练方法及系统，具体涉及一种能仿真矿井外因火灾事故真实情景的虚拟仿真方法和多人互动参与的真实体验矿井外因火灾的应急演练方法及系统，属于灾害预防领域。

技术背景

煤炭是我国的主体能源，在我国一次能源消费结构中占70％左右。全国的原煤产量也逐年递增，从2000年的10亿吨增长到2012年36.5亿吨。按照国家能源规划，预计到2015年，全国能源消费总量将达到41亿吨标煤，其中煤炭消费总量将达到38亿吨，占一次能源消费结构比重的64％左右。尽管煤炭在一次能源结构中的比重下降，但总量还将保持增长态势，是我国能源安全无可替代的支撑，对国家经济发展和人类社会文明进步有着重要的保障意义。

然而由于复杂多变的煤层赋存条件和技术水平的限制，我国煤炭行业的安全生产形势依然严峻，长期受到瓦斯、水、火、尘、冲击地压等各种灾害的威胁，严重制约了煤炭工业的安全可持续发展。煤炭自燃即是矿井火灾中最普遍的一类自然灾害。煤炭自燃是由于开采和破碎后的煤暴露于空气中时因自身巨大的孔隙面积和众多的活性点能不断的吸附氧气，发生持续的氧化反应并放出热量，当氧化产热速率超过向环境的散热速率时，热量积聚使得煤堆温度升高超过煤的自燃点后出现的自发燃烧现象。煤自燃会产生大量的温室效应气体CO₂以及CO、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂等有毒有害气体，严重污染环境，而且对井下工作人员的身体健康和生命安全构成威胁。煤自燃还会引起巷道垮塌和冒顶事故，甚至诱发瓦斯、煤尘爆炸，导致重特大安全事故的发生，给煤矿带来惨重的人员伤亡和巨大的经济损失。

矿井灾害事故发生后的分析处理是一项技术性很强的工作，决定着救灾的成败，对灾害事故发生过程的智能仿真，勘察和技术分析都必须借助于相关的专业技术手段。

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。

目前煤矿瓦斯火灾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，而矿井火灾事故逃生、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火灾的高效培训方法就变得十分有必要。

发明内容

本发明公开的矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训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，构建虚拟的煤矿外因火灾虚拟应急演练煤矿火灾场景，利用输入设备实现多用户与虚拟场景交互，获得煤矿外因火灾虚拟应急演练接近真实煤矿外因火灾事故的体验，从而达到良好的应急演练和培训效果。

本发明公开的矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练方法及系统在煤矿外因火灾救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。

本发明公开的矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练方法，包括如下步骤：

步骤一：确定矿井外因火灾易燃区现场基本参数。

步骤1.1：通过现场实地调研分析矿井数据，确定矿井外因火灾易燃区易燃物质、易燃地点、热量Q及CO浓度C产生速率。所述易燃物质包括皮带，所述易燃地点包括皮带机头、电缆接头。

所述热量Q的计算公式：Q＝Vh×Vb×W

其中，Vh为热释放速率，当皮带火灾时，Vh取值在50KW/m²到100KW/m²之间；Vb为平均燃烧速率，当皮带火灾时，Vb取值在0.1m/s到1m/s之间；W为皮带宽度。

所述CO浓度C的计算公式：C＝Vc×Vb×W×T×D

其中，Vc为CO生成速率，当皮带火灾时，Vc取值在0.05Kg/Kg到0.1Kg/Kg之间；Vb为平均燃烧速率，当皮带火灾时，Vb取值在0.1m/s到1m/s之间；W为皮带宽度；T为皮带厚度；D为皮带密度。

步骤1.2：现场调研确定矿井外因火灾监控传感器的尺寸、安装位置和工作条件。

步骤1.2工作条件为，CO浓度传感器显示所在火灾影响区的CO浓度，并在CO浓度达24PPm后进行声光报警。

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CO浓度超过规定值时，显示“CO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。

步骤二：对矿井外因火灾易燃区典型矿井火灾进行进行数值模拟，并评估火灾影响区域。

利用火灾数值模拟技术，对不同热量及CO浓度产生速率的矿井火灾进行数值模拟，模拟温度和CO在矿井的扩散过程，根据温度和CO浓度分布规律，并评估火灾影响区域。

步骤二具体实现方法为，

利用火灾数值模拟技术，对不同热量及CO浓度产生速率的矿井火灾进行数值模拟，模拟温度和CO在矿井的扩散过程，根据温度和CO浓度分布规律，得出在火灾事故发生5min、10min、20min、40min、1h、1.5h、2h不同时间段的火灾事故影响区，并评估火灾影响区域。

依据温度和CO浓度分布规律，将火灾事故影响区分为致死区、高危区、中危区、中低危区、低危区、健康损伤区。致死区：温度大于120摄氏度或CO浓度大于10000ppm，人员3分钟内死亡，能见度1m，逃生速度0.5m/；高危区：温度大于110℃小于120℃或CO浓度小于10000ppm大于6400ppm，10分钟内死亡，能见度2m，逃生速度1m/s；中危区：温度大于90℃小于110℃或CO浓度小于6400ppm大于3200ppm，30分钟内死亡，能见度5m，逃生速度2m/s；中低危区：温度大于70℃小于90℃或CO浓度小于3200ppm大于2400ppm，60分钟内死亡，能见度7m，逃生速度3m/s；低危区：温度大于50℃小于70℃或CO浓度小于2400ppm大于1600ppm，120分钟内死亡，能见度10m，逃生速度4m/s；健康损伤区：温度大于30℃小于50℃或CO浓度小于1600ppm大于100ppm，长时间也可能有致死危险。

步骤三：根据步骤一确定的确定矿井外因火灾易燃区现场基本参数，构建虚拟仿真巷道及设备模型，并矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建。

根据步骤一确定的确定矿井外因火灾易燃区现场基本参数，现场调研火灾事故影响区巷道布置和关键设备，利用建模软件建立各设备的虚拟仿真几何模型，所述虚拟仿真几何模型包括巷道、支护、采煤机、刮板输送机、掘进机、风筒、皮带、轨道、CO浓度传感器、应急播报系统、压风自救站、避难硐室、进风大巷。

利用虚拟现实编辑器编辑各设备的运动学、声学和视觉外观特性，实现各设备的功能，实现矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建。正常状态下，皮带机、掘进机、采煤机、刮板输送机工作，火灾发生后停止。CO浓度传感器显示所在火灾影响区的CO浓度，并在24PPm后进行声光报警。应急播报系统在火灾后自动播报事故信息。

步骤四：利用虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的火灾条件进行初始化，并对工人的生存状态和逃生速度初始化，并进行矿井外因火灾虚拟应急演练与逃生训练。

利用虚拟现实编辑器将人员虚拟到矿井环境中，根据人员职责，将人员虚拟到不同的位置，如采煤工虚拟到工作面，掘进工虚拟到掘进头。人员在工作位置能够进行漫游，并能操作相关设备。在正常工作面状态下，人员根据角色的职责，进行相应的工作，并获得一定的分值。

火灾发生后。根据人员所在步骤二对应的火灾事故影响区，即致死区，高危区，中危区，中低危区，低危区，健康损伤区，赋予相应限制。人员首选佩戴自救器，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，自救器在压风自救站中，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。

步骤五：矿井外因火灾虚拟应急演练与逃生训练效果评估。

在CO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。

还包括步骤六：利用步骤五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；

所述建模软件优选3DS MAX。

本发明公开的矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练系统，包括矿井现场基本参数据库模块、火灾事故数值模拟模块、矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建模块、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。

火灾事故数值模拟模块用于对矿井外因火灾易燃区典型矿井火灾进行数值模拟，并评估火灾影响区域。

矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建模块根据矿井现场基本参数据库模块确定的确定矿井外因火灾易燃区现场基本参数，构建虚拟仿真巷道及设备模型，并矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建。

矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建模块具体工作方法为，

根据确定的确定矿井外因火灾易燃区现场基本参数，现场调研火灾事故影响区巷道布置和关键设备，利用建模软件建立各设备的虚拟仿真几何模型，所述虚拟仿真几何模型包括巷道、支护、采煤机、刮板输送机、掘进机、风筒、皮带、轨道、CO浓度传感器、应急播报系统、压风自救站、避难硐室、进风大巷。

利用虚拟现实编辑器编辑各设备的运动学、声学和视觉外观特性，实现各设备的功能，实现矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建。正常状态下，皮带机、掘进机、采煤机、刮板输送机工作，火灾发生后停止。CO浓度传感器显示所在火灾影响区的CO浓度，并在24PPm后进行声光报警。应急播报系统在火灾后自动播报事故信息。

应急演练与逃生训练模块用于利用虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的火灾条件进行初始化，并对工人的生存状态和逃生速度初始化，并进行矿井外因火灾虚拟应急演练与逃生训练。

效果评估模块用于实现矿井外因火灾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、CO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。

巷道布置和关键设备参数子模块用于实现现场实地调研分析矿井数据，确定矿井外因火灾易燃区易燃物质、易燃地点、热量Q及CO浓度C产生速率。所述易燃物质包括皮带，所述易燃地点包括皮带机头、皮带机尾。

所述热量Q的计算公式：Q＝Vh×Vb×W

其中，Vh为热释放速率，当皮带火灾时，Vh取值在50KW/m²到100KW/m²之间；Vb为平均燃烧速率，当皮带火灾时，Vb取值在0.1m/s到1m/s之间；W为皮带宽度。

所述CO浓度C的计算公式：C＝Vc×Vb×W×T×D

其中，Vc为CO生成速率，当皮带火灾时，Vc取值在0.05Kg/Kg到0.1Kg/Kg之间；Vb为平均燃烧速率，当皮带火灾时，Vb取值在0.1m/s到1m/s之间；W为皮带宽度；T为皮带厚度；D为皮带密度。

CO浓度传感器参数子模块用于确定矿井外因火灾监控传感器的尺寸、安装位置和工作条件。

所述工作条件为，CO浓度传感器显示所在火灾影响区的CO浓度，并在CO浓度达24PPm后进行声光报警。

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。

所述工作条件为，在CO浓度超过规定值时，显示“CO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。

有益效果：

1、本发明公开的矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练方法及系统，利用虚拟现实技术，构建虚拟的矿井外因火灾虚拟应急演练火灾场景，利用输入设备实现多用户与虚拟场景交互，获得矿井外因火灾虚拟应急演练接近真实矿井外因火灾事故的体验，与传统的矿井外因火灾虚拟现实培训相比，能够使培训人员获得更真实的火灾逃生训练体验，提高煤矿外因火灾应急逃生训练效果。

2、本发明公开的矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练方法及系统，在矿井外因火灾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、本发明公开的矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练方法及系统，依据温度和CO浓度分布规律，将火灾事故影响区分为致死区、高危区、中危区、中低危区、低危区、健康损伤区，对典型CO浓度C产生速率、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，能够提高矿井外因火灾虚拟应急演练真实度和训练效果。

附图说明

图1为本发明公开的矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练方法；

图2为本发明公开的矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练系统的系统框图。

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，本实施例公开矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练方法，具体实施步骤如下：

步骤一：确定矿井外因火灾易燃区现场基本参数。

步骤1.1：通过现场实地调研分析矿井数据，确定矿井外因火灾易燃区易燃物质、易燃地点、热量Q及CO浓度C产生速率。所述易燃物质包括皮带，所述易燃地点包括皮带机头、皮带机尾。

所述热量Q的计算公式：Q＝Vh×Vb×W

其中，Vh为热释放速率，当皮带火灾时，Vh取值在50KW/m²到100KW/m²之间；Vb为平均燃烧速率，当皮带火灾时，Vb取值在0.1m/s到1m/s之间；W为皮带宽度。

所述CO浓度C的计算公式：C＝Vc×Vb×W×T×D

其中，Vc为CO生成速率，当皮带火灾时，Vc取值在0.05Kg/Kg到0.1Kg/Kg之间；Vb为平均燃烧速率，当皮带火灾时，Vb取值在0.1m/s到1m/s之间；W为皮带宽度；T为皮带厚度；D为皮带密度。

步骤1.2：现场调研确定矿井外因火灾监控传感器的尺寸、安装位置和工作条件。

步骤1.2工作条件为，CO浓度传感器显示所在火灾影响区的CO浓度，并在CO浓度达24PPm后进行声光报警。

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CO浓度超过规定值时，显示“CO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。

步骤二：对矿井外因火灾易燃区典型矿井火灾进行进行数值模拟，并评估火灾影响区域。

利用火灾数值模拟技术，对不同热量及CO浓度产生速率的矿井火灾进行数值模拟，模拟温度和CO在矿井的扩散过程，根据温度和CO浓度分布规律，得出在火灾事故发生5min、10min、20min、40min、1h、1.5h、2h不同时间段的火灾事故影响区，并评估火灾影响区域。

依据温度和CO浓度分布规律，将火灾事故影响区分为致死区、高危区、中危区、中低危区、低危区、健康损伤区。致死区：温度大于120摄氏度或CO浓度大于10000ppm，人员3分钟内死亡，能见度1m，逃生速度0.5m/；高危区：温度大于110℃小于120℃或CO浓度小于10000ppm大于6400ppm，10分钟内死亡，能见度2m，逃生速度1m/s；中危区：温度大于90℃小于110℃或CO浓度小于6400ppm大于3200ppm，30分钟内死亡，能见度5m，逃生速度2m/s；中低危区：温度大于70℃小于90℃或CO浓度小于3200ppm大于2400ppm，60分钟内死亡，能见度7m，逃生速度3m/s；低危区：温度大于50℃小于70℃或CO浓度小于2400ppm大于1600ppm，120分钟内死亡，能见度10m，逃生速度4m/s；健康损伤区：温度大于30℃小于50℃或CO浓度小于1600ppm大于100ppm，长时间也可能有致死危险。

步骤三：根据步骤一确定的确定矿井外因火灾易燃区现场基本参数，构建虚拟仿真巷道及设备模型，并矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建。

根据步骤一确定的确定矿井外因火灾易燃区现场基本参数，现场调研火灾事故影响区巷道布置和关键设备，利用3DS MAX建模软件建立各设备的虚拟仿真几何模型，所述虚拟仿真几何模型包括巷道、支护、采煤机、刮板输送机、掘进机、风筒、皮带、轨道、CO浓度传感器、应急播报系统、压风自救站、避难硐室、进风大巷。

利用虚拟现实编辑器编辑各设备的运动学、声学和视觉外观特性，实现各设备的功能，实现矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建。正常状态下，皮带机、掘进机、采煤机、刮板输送机工作，火灾发生后停止。CO浓度传感器显示所在火灾影响区的CO浓度，并在24PPm后进行声光报警。应急播报系统在火灾后自动播报事故信息。

步骤四：利用Virtools或Unity虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的火灾条件进行初始化，并对工人的生存状态和逃生速度初始化，并进行矿井外因火灾虚拟应急演练与逃生训练。

利用Virtools或Unity虚拟现实编辑器将人员虚拟到矿井环境中，根据人员职责，将人员虚拟到不同的位置，如采煤工虚拟到工作面，掘进工虚拟到掘进头。人员在工作位置能够进行漫游，并能操作相关设备。在正常工作面状态下，人员根据角色的职责，进行相应的工作，并获得一定的分值。

火灾发生后。根据人员所在步骤二对应的火灾事故影响区，即致死区，高危区，中危区，中低危区，低危区，健康损伤区，赋予相应限制。人员首选佩戴自救器，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，自救器在压风自救站中，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。

步骤五：矿井外因火灾虚拟应急演练与逃生训练效果评估。

在CO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。

还包括步骤六：利用步骤五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，本实施例公开的矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练系统，包括矿井现场基本参数据库模块、火灾事故数值模拟模块、矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建模块、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。

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、CO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。

巷道布置和关键设备参数子模块用于实现现场实地调研分析矿井数据，确定矿井外因火灾易燃区易燃物质、易燃地点、热量Q及CO浓度C产生速率。所述易燃物质包括皮带，所述易燃地点包括皮带机头、皮带机尾。

所述热量Q的计算公式：Q＝Vh×Vb×W

其中，Vh为热释放速率，当皮带火灾时，Vh取值在50KW/m²到100KW/m²之间；Vb为平均燃烧速率，当皮带火灾时，Vb取值在0.1m/s到1m/s之间；W为皮带宽度。

所述CO浓度C的计算公式：C＝Vc×Vb×W×T×D

其中，Vc为CO生成速率，当皮带火灾时，Vc取值在0.05Kg/Kg到0.1Kg/Kg之间；Vb为平均燃烧速率，当皮带火灾时，Vb取值在0.1m/s到1m/s之间；W为皮带宽度；T为皮带厚度；D为皮带密度。

CO浓度传感器参数子模块用于确定矿井外因火灾监控传感器的尺寸、安装位置和工作条件。

所述工作条件为，CO浓度传感器显示所在火灾影响区的CO浓度，并在CO浓度达24PPm后进行声光报警。

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。

所述工作条件为，在CO浓度超过规定值时，显示“CO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。

火灾事故数值模拟模块用于对矿井外因火灾易燃区典型矿井火灾进行数值模拟，并评估火灾影响区域。

矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建模块根据矿井现场基本参数据库模块确定的确定矿井外因火灾易燃区现场基本参数，构建虚拟仿真巷道及设备模型，并矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建。

矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建模块具体工作方法为：

根据确定的确定矿井外因火灾易燃区现场基本参数，现场调研火灾事故影响区巷道布置和关键设备，利用建模软件建立各设备的虚拟仿真几何模型，所述虚拟仿真几何模型包括巷道、支护、采煤机、刮板输送机、掘进机、风筒、皮带、轨道、CO浓度传感器、应急播报系统、压风自救站、避难硐室、进风大巷。

利用Virtools或Unity虚拟现实编辑器编辑各设备的运动学、声学和视觉外观特性，实现各设备的功能，实现矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建。正常状态下，皮带机、掘进机、采煤机、刮板输送机工作，火灾发生后停止。CO浓度传感器显示所在火灾影响区的CO浓度，并在24PPm后进行声光报警。应急播报系统在火灾后自动播报事故信息。

应急演练与逃生训练模块用于利用Virtools或Unity虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的火灾条件进行初始化，并对工人的生存状态和逃生速度初始化，并进行矿井外因火灾虚拟应急演练与逃生训练。

效果评估模块用于实现矿井外因火灾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 (6)

1.矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：确定矿井外因火灾易燃区现场基本参数；

步骤二：对矿井外因火灾易燃区典型矿井火灾进行数值模拟，并评估火灾影响区域；

利用火灾数值模拟技术，对不同热量及CO浓度产生速率的矿井火灾进行数值模拟，模拟温度和CO在矿井的扩散过程，根据温度和CO浓度分布规律，评估火灾影响区域；

步骤三：根据步骤一确定的矿井外因火灾易燃区现场基本参数，构建虚拟仿真巷道及设备模型，并矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建；

步骤四：利用虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的火灾条件进行初始化，并对工人的生存状态和逃生速度初始化，并进行矿井外因火灾虚拟应急演练与逃生训练；

步骤五：矿井外因火灾虚拟应急演练与逃生训练效果评估；

在CO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；

步骤六，利用步骤五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；

其中，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：通过现场实地调研分析矿井数据，确定矿井外因火灾易燃区易燃物质、易燃地点、热量Q及CO浓度C产生速率；所述易燃物质包括皮带，所述易燃地点包括皮带机头、皮带机尾；

所述热量Q的计算公式：Q＝Vh×Vb×W

其中，Vh为热释放速率，当皮带火灾时，Vh取值在50KW/m²到100KW/m²之间；Vb为平均燃烧速率，当皮带火灾时，Vb取值在0.1m/s到1m/s之间；W为皮带宽度；

所述CO浓度C的计算公式：C＝Vc×Vb×W×T×D

其中，Vc为CO生成速率，当皮带火灾时，Vc取值在0.05Kg/Kg到0.1Kg/Kg之间；Vb为平均燃烧速率，当皮带火灾时，Vb取值在0.1m/s到1m/s之间；W为皮带宽度；T为皮带厚度；D为皮带密度；

步骤1.2：现场调研确定矿井外因火灾监控传感器的尺寸、安装位置和工作条件；

步骤1.2工作条件为，CO浓度传感器显示所在火灾影响区的CO浓度，并在CO浓度达24PPm后进行声光报警；

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CO浓度超过规定值时，显示“CO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；

步骤二具体实现方法为，

利用火灾数值模拟技术，对不同热量及CO浓度产生速率的矿井火灾进行数值模拟，模拟温度和CO在矿井的扩散过程，根据温度和CO浓度分布规律，得出在火灾事故发生5min、10min、20min、40min、1h、1.5h、2h不同时间段的火灾事故影响区，并评估火灾影响区域；

依据温度和CO浓度分布规律，将火灾事故影响区分为致死区、高危区、中危区、中低危区、低危区、健康损伤区；致死区：温度大于120摄氏度或CO浓度大于10000ppm，人员3分钟内死亡，能见度1m，逃生速度0.5m/；高危区：温度大于110℃小于120℃或CO浓度小于10000ppm大于6400ppm，10分钟内死亡，能见度2m，逃生速度1m/s；中危区：温度大于90℃小于110℃或CO浓度小于6400ppm大于3200ppm，30分钟内死亡，能见度5m，逃生速度2m/s；中低危区：温度大于70℃小于90℃或CO浓度小于3200ppm大于2400ppm，60分钟内死亡，能见度7m，逃生速度3m/s；低危区：温度大于50℃小于70℃或CO浓度小于2400ppm大于1600ppm，120分钟内死亡，能见度10m，逃生速度4m/s；健康损伤区：温度大于30℃小于50℃或CO浓度小于1600ppm大于100ppm，长时间也可能有致死危险。

2.如权利要求1所述的矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练方法，其特征在于：步骤三具体实现方法为，

根据步骤一确定的确定矿井外因火灾易燃区现场基本参数，现场调研火灾事故影响区巷道布置和关键设备，利用建模软件建立各设备的虚拟仿真几何模型，所述虚拟仿真几何模型包括巷道、支护、采煤机、刮板输送机、掘进机、风筒、皮带、轨道、CO浓度传感器、应急播报系统、压风自救站、避难硐室、进风大巷；

利用虚拟现实编辑器编辑各设备的运动学、声学和视觉外观特性，实现各设备的功能，实现矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建；正常状态下，皮带机、掘进机、采煤机、刮板输送机工作，火灾发生后停止；CO浓度传感器显示所在火灾影响区的CO浓度，并在24PPm后进行声光报警；应急播报系统在火灾后自动播报事故信息。

3.如权利要求2所述的矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练方法，其特征在于：步骤四具体实现方法为，

利用虚拟现实编辑器将人员虚拟到矿井环境中，根据人员职责，将人员虚拟到不同的位置，如采煤工虚拟到工作面，掘进工虚拟到掘进头；人员在工作位置能够进行漫游，并能操作相关设备；在正常工作面状态下，人员根据角色的职责，进行相应的工作，并获得一定的分值；

火灾发生后；根据人员所在步骤二对应的火灾事故影响区，即致死区，高危区，中危区，中低危区，低危区，健康损伤区，赋予相应限制；人员首选佩戴自救器，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，自救器在压风自救站中，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。

4.矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练系统，其特征在于：包括矿井现场基本参数数据库模块、火灾事故数值模拟模块、矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建模块、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；

火灾事故数值模拟模块用于对矿井外因火灾易燃区典型矿井火灾进行数值模拟，并评估火灾影响区域；

矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建模块根据矿井现场基本参数据库模块确定的确定矿井外因火灾易燃区现场基本参数，构建虚拟仿真巷道及设备模型，并包括矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建；

应急演练与逃生训练模块用于利用虚拟现实编辑器，对VR技术所要虚拟的火灾条件进行初始化，并对工人的生存状态和逃生速度初始化，并进行矿井外因火灾虚拟应急演练与逃生训练；

效果评估模块用于实现矿井外因火灾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；

矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练系统还包括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。

5.如权利要求4所述的矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练系统，其特征在于：矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建模块具体工作方法为，

根据确定的确定矿井外因火灾易燃区现场基本参数，现场调研火灾事故影响区巷道布置和关键设备，利用建模软件建立各设备的虚拟仿真几何模型，所述虚拟仿真几何模型包括巷道、支护、采煤机、刮板输送机、掘进机、风筒、皮带、轨道、CO浓度传感器、应急播报系统、压风自救站、避难硐室、进风大巷；

利用虚拟现实编辑器编辑各设备的运动学、声学和视觉外观特性，实现各设备的功能，实现矿井外因火灾虚拟现实基本场景构建；正常状态下，皮带机、掘进机、采煤机、刮板输送机工作，火灾发生后停止；CO浓度传感器显示所在火灾影响区的CO浓度，并在24PPm后进行声光报警；应急播报系统在火灾后自动播报事故信息。

6.如权利要求5所述的矿井外因火灾事故虚拟仿真及应急逃生训练系统，其特征在于：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、CO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；

巷道布置和关键设备参数子模块用于实现现场实地调研分析矿井数据，确定矿井外因火灾易燃区易燃物质、易燃地点、热量Q及CO浓度C产生速率；所述易燃物质包括皮带，所述易燃地点包括皮带机头、皮带机尾；

所述热量Q的计算公式：Q＝Vh×Vb×W

其中，Vh为热释放速率，当皮带火灾时，Vh取值在50KW/m²到100KW/m²之间；Vb为平均燃烧速率，当皮带火灾时，Vb取值在0.1m/s到1m/s之间；W为皮带宽度；

所述CO浓度C的计算公式：C＝Vc×Vb×W×T×D

其中，Vc为CO生成速率，当皮带火灾时，Vc取值在0.05Kg/Kg到0.1Kg/Kg之间；Vb为平均燃烧速率，当皮带火灾时，Vb取值在0.1m/s到1m/s之间；W为皮带宽度；T为皮带厚度；D为皮带密度；

CO浓度传感器参数子模块用于确定矿井外因火灾监控传感器的尺寸、安装位置和工作条件；

所述工作条件为，CO浓度传感器显示所在火灾影响区的CO浓度，并在CO浓度达24PPm后进行声光报警；

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；

所述工作条件为，在CO浓度超过规定值时，显示“CO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。

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