摘 要 以某地下矿山井下实际数据为背景，建立等比例全尺寸数值计算模型，模拟当发生突发灾害时井下人员可以逃往专门设置的避难场所躲避灾害的过程。分别模拟了无避难场所和含有4个、5个、6个、7个避难场所五种工矿并对有4个避难场所进行优化。计算得到，当不设置避难场所时人员逃生总时间为1199 s，设置4个、5个、6个、7个避难场所时最短时间分别为456 s、414 s、346 s、308 s，通过对有4个避难场所的工矿划分区域进行优化，得到最短时间为379 s。
关键词 避难场所；人员疏散；矿山；路线优化
中图分类号：X928 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）02-0033-03
根据世界各国对矿井事故的调查，在火灾、爆炸等事故发生现场受到伤害死亡的矿工只占事故伤亡总人数的很少一部分，绝大多数矿工都是因为在火灾、爆炸后不能及时升井或逃离高浓度有毒有害气体现场，导致窒息或中毒死亡的。因此，如何为矿难后井下被困的幸存员提供躲避有毒有毒害气体环境及其它伤害的密闭空间，为其提供必需的生存条件，延长其生存时间，直至救援人员到达，成为矿井应急救援的一个重要课题。论文以某矿井为背景，以其实际数据为基础，采用数值模拟软件进行模拟实验，得到了矿井工作人员在发生矿难时的疏散状态，并根据疏散过程中存在的问题，对疏散路径和紧急避险设施（救生舱及避难硐室）的优化布局进行研究。
1 避难场所
井下避难场所是当井下突发灾害事故时，为井下工作人员提供暂时避难的空间，它包括：避难硐室和应急救生仓。
矿井应急救生舱是设置在矿井下各危险工作区域的密闭空间，一般为钢制腔体，亦可依托巷道墙壁挖掘而成，整体设计上能够做到气密，并能抵御一定的外力冲击，内部通常有氧气（02）供给系统、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）净化系统、供电系统和通讯系统，以及相应的监视、防护措施，同时还有足够的水和食物。
移动救生舱一般用高强度钢材做成，一般可以容纳8～20人不等，避灾硐室最大的容纳人数可以达到100人，单机状态运行时间可达96 h。国外的经验数据表明，矿工距离避灾硐室的最大距离不能超过750 m，这个距离是自救器正常使用时间的50%时间段内，人员正常行走的经验数值，独头巷道掘进时，应每掘进500 m设置一个避灾硐室或救生舱；加拿大政府规定，井下避灾硐室至少距离火药库、柴油存贮设施和燃料站或电池充电站100 m。
2 数值计算软件
Pathfinder是由美国Thunderhead engineering公司开发的一种基于人员进出和运动的模拟器。Pathfinder可以通过3D results viewer三维动画视觉效果展现灾难发生时的场景，可以直接描绘疏散开始后各个时刻各个场所的人员分布，也可以分解构筑物区域，展示各个区域的人员逃生路径，可以计算每个成员独立运动的时间，并赋予一套独立的参数（最高速度，出口的选择等等）。它利用计算机图形仿真和游戏角色领域的技术，对多个群体中的每个个体运动都进行图形化的虚拟演练，从而可以准确确定每个个体在灾难发生时的最佳逃生路径和逃生时间，可以为紧急情况下人员疏散和建筑设计提供指导。
3 模型建立
井下避难场所设置优化主要考虑井下突发灾害事故时，能确保井下所有工作人员能尽快通过逃生通道、避难场所进行避难或逃生，缩短逃生时间是关键，本文根据某非煤矿采掘平面，运用数值计算软件按照等比例建立井下模型，优化逃生路线、不同数量和位置的避难场所设置确保井下人员缩短逃生时间。软件系统设置人员移动速度为1.19 m/s，肩宽为0.456 m。
根据井下资料，井下有80个工作人员需要避难逃生，每个工况80人所在位置固定且相同，由模拟计算软件随机产生。由于矿井地形条件和通风的限制，当发生突发事故时，只能按照固定的方向逃生，所在矿井并不能像平地一样，可以选择任意逃生方向。并且逃生时幸存人员经过事故现场时必须绕道而行，这样便会延长逃生时间，减少幸存人员被救的可能。建立避难硐室可以为发生矿难后井下被困的幸存人员提供躲避有毒有害气体环境及其它伤害的密闭空间，为其提供必需的生存条件，延长其生存时间，直至救援人员到达。避难场所必须建立在远离采取变电所、坑内爆破器材库等危险场所100 m。避难场所是可以容纳20人以内的避难硐室或逃生舱。
4 数值计算工况
数值计算目的主要有两个：1）分析井下发生矿难事故时救生舱对人员疏散所用时间的影响；2）针对发生矿难事故时井下工作人员在有救生舱情况下的紧急逃生，提出合理疏散路线进行优化，并通过数值计算模拟得出优化以后的人员疏散相关数据。
根据矿井自生结构，共分六种数值计算工况见表1，每种工况均是在相同条件下改变避难场所的位置进行多次模拟选出在发生矿难后人员逃生所需时间最短的方案。
各工矿中井下人数80人，人员位置随机均匀分布，建立的是可以容纳20人以内的避难场所，所以建立4个、5个、6个、7个避难场所。工况一中没有建立避难场所，在发生矿难事故时只能通过主井电梯和副井电梯进行逃生。工况二至五模拟计算当发生突发事故后幸存人员通过主井电梯、副井出口和避难场所逃往安全位置，避难场所数目从四个依次增加至七个，位置按表1在图1中查找。工况六对工况二进行优化，避难场所位置与数目不改变，将矿井划分为五个区域，当发生突发事故后人员按照固定逃生路线逃往所指定的安全场所。
表1 数值计算工况
计算工况救生舱（个）救生舱位置
（见图1）主井电梯疏散口副井疏散通道口
一00均有均有
二41#、2#、8#、10#
三51#、2#、4#、6#、11#
四61#、2#、3#、5#、9#、12#
五71#、2#、3#、7#、5#、9#、12#
六41#、2#、8#、10#
图1 数值计算工况模型
5 数值计算结果分析
5.1 常规方案人员疏散路线分析
工况一中，只有主井电梯和副井出口逃生。矿井横向长度约为2100 m，纵向长度约为800 m。发生突发事故时矿井工作人员只能从所在位置逃往主井电梯和副井出口逃生，由于矿井跨度较大，幸存人员在逃生时需要较长时间。人员全部到达安全位置所用时间为1199 s。主井电梯疏散68人所用时间为1199 s，副井出口疏散12人所用时间为935 s。由结果可知，由于逃生路线单一，可有效利用的逃生出口较少，副井出口在幸存人员逃生时作用相对较小，85%人员均从主井电梯逃往安全场所，所用时间长达20分钟，在疏散过程中使用率较低。说明在矿井中逃生路线受到限制，没有高效的逃生路线。
5.2 救生舱的分析
工况二在矿井结构基础上，建立4个避难硐室，按照矿井模型进行疏散模拟。幸存人员逃生所需时间为456 s，结论见表2。有16人由主井电梯到达安全场所，所用时间为415 s，副井出口有3人共用282 s逃出，61人进入避难场所躲避灾害。其中2#救生舱有24人在等待救援，超过了救生舱的容纳范围，8#救生舱作用时间最长为456 s，有12人等待救援，人均耗时38 s，10#救生舱只有5人等待救援，并且5人逃往10#救生舱共用167 s，人均耗时33.4 s，8#、10#救生舱的使用效果并不显著。与工况一相比逃生时间减少了743 s，到达安全位置人数最多的不再是通过主井电梯而是救生舱。由此可见，当矿井下发生突发事故时，利用救生舱可以缩减幸存人员的逃生时间，为矿工提供更多的生存机会，降低人员伤亡率，当多数矿工选择避难硐室作为安全场所等待救援时，矿工逃往避难硐室所用时间随之增加，使用主井电梯逃往安全场所人数下降，使主井电梯使用效率大大减少。
工况三在矿井中建立5个避难场所，幸存人员逃生所需时间为414 s，与工况二相比时间减少了42 s，实验结论见表2。共有63人逃往避难硐室，占总人数的78%，每个避难场所等待救援的幸存人员均控制在20人以内，作用时间均在300 s以上，但6#、11#救生舱人均耗时均在50 s以上。在矿难发生后幸存人员有效的利用了避难场所等待救援人员营救但6#、11#救生舱利用率相对较低。
工况四在矿井中建立6个避难场所，意外事故发生后，幸存人员需要346 s逃往安全场所，与工况三相比逃生所需时间减少了68 s，实验结果见表2。每个避难场所在人员逃生时作用时间均在240 s以上，但5#救生舱与12#救生舱中分别只有2人、4人在等待救援，人均耗时分别为62.25 s、139.5 s，使救生舱不能充分利用，利用率严重降低。
图2 各个工况疏散时间曲线图
工况五在矿井中建立7个避难场所，所有幸存者在事故发生后逃往安全位置共用308 s，与工况四相比所需时间减少了32 s，实验结果见表2。由表2可以看出5#救生舱、7#救生舱、12#救生舱在发生事故后使用人数分别为4人、2人、2人，人均耗时分别为62.25 s、40.5 s、139.5 s。随着救生舱数量的增加，幸存人员所需逃生时间确有减少，但时间减少并不显著，然而，避难硐室利用率降低这一现象愈来愈严重，使避难舱不能充分利用。
5.3 疏散路线优化分析
由上述各工况可知，在矿井中随着避难场所数量的增加，意外事故发生后幸存人员逃生所需时间逐渐减少，为幸存人员赢得了更多的生存机会。但是，随着避难场所数目的增加，利用率较低的避难场所数目也在相应增加。因此合理的设计避难场所不仅可以给幸存人员提供等待救援的安全空间还可以有效地降低建造避难场所所需成本。
由图2各工况疏散时间曲线图可以看出工况二所需疏散时间减少迅速，说明避难场所可以减少矿井中发生突发事故后幸存人员所需的逃生时间，工况三、工况四、工况五疏散时间减少量开始变得缓慢并趋于相对稳定的数值。其中工况二建立4个避难场所满足理论要求，但工况二逃生所需时间过长，并且避难场所的利用率不高，因此工况六通过优化逃生路线改进这一问题。
工况六对工况二进行优化，在工况二的基础上对矿井进行分区，矿井中建立的四个避难场所位置不发生改变（如图3）。工况六将矿井分为五个区域，1#区域含有1#救生舱躲避灾害，2#区域含有2#救生舱躲避灾害，3#区域含有8#救生舱躲避灾害，4#区域含有10#救生舱和副井出口躲避灾害，5#区域含有主井电梯躲避灾害。当发生突发事故时每个区域的工作人员按照指定的路线逃往安全场所，所得到疏散结果见表2。每个避难场所中等待救援的幸存人员都控制在20人以内，所有幸存者在事故发生后逃往安全位置所需时间为379 s，与工况二相比时间减少了77 s，与工况三相比时间减少了35 s，1#、2#、8#、10#救生舱人均耗时分别为17.16 s、18.8 s、37.9 s、24.66 s，结果证明，划分路线可有效降低疏散时间，因此井下救生舱使用需要合理分区。
图3 工况六模型
6 结论
通过以上各工况进行数值模拟计算与分析，得出了各工况中矿井在发生意外事故后幸存人员疏散所用的时间。综合上述各工况可知在没有避难场所的情况下幸存人员逃往安全位置所需时间为1199 s，随着避难场所数目的增加，当矿井在发生意外事故后幸存人员疏散所用的时间也在相应的减少，但随着避难场所数目的增加，导致避难场所利用率降低的现象越来越严重，建立避难场所的成本也在增加，因此避难场所的数目并不是越多越好。工况二是相对较优的方案，但工况二每个避难场所在发生事故时，等待救援的矿工人数并没有控制在20人以内，且救生舱的利用率不高，工况六就此问题对工况二进行优化。工况六将矿井划分为五个区域，每个区域的人按照规定的路线逃往指定的安全场所，经过优化将人数控制在20人之内，疏散时所用时间为379 s与工况二所用时间456 s相比减少了77 s。工况三中每个避难场所等待救援人员虽然控制在20人以内，但工况三中共建立了5个避难场所，疏散时间为414 s比工况六还增加了35 s，所以工矿六是相对较优的方案，幸存人员逃生时不仅所用时间最少，建立避难场所所用成本也是最低的。结果证明，将矿井划分区域可有效降低疏散时间，因此，井下救生舱的使用需要合理分区。
项目基金
国家级大学生创新创业训练计划项目（编号：201210488017）。
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作者简介
陈昕楠（1991-），女，主要从事工业安全与环保方面的研究工作。
李丹天（1992-），男，汉族，主要从事矿井火灾及人员疏散数值模拟方面的研究工作。