基于实时数据的井下避灾路线动态规划与发布方法研究∗

王金华汪有刚张 雷疏礼春

(1.中国煤炭科工集团有限公司,北京市朝阳区,100013; 2.中煤科工能源投资有限公司,北京市朝阳区,100013; 3.煤炭科学技术研究院有限公司,北京市朝阳区,100013)

★煤炭科技·机电与信息化★

基于实时数据的井下避灾路线动态规划与发布方法研究∗

王金华1汪有刚2张 雷2疏礼春3

(1.中国煤炭科工集团有限公司,北京市朝阳区,100013; 2.中煤科工能源投资有限公司,北京市朝阳区,100013; 3.煤炭科学技术研究院有限公司,北京市朝阳区,100013)

煤矿井下发生事故时,井下避灾路线的合理制定直接关系到遇险人员的生命安全,这是煤矿安全生产与管理的一个重要课题。本文将巷道类型、高度、坡度以及通道障碍物等因素纳入指标体系,并根据井下的有害气体、温度、烟雾和风向等监测数据,研究形成了动态的井下避灾路线规划方法,该方法能够及时动态地调整避灾路线,并运用多种技术手段将实时信息发布给井下人员,确保遇险人员能够安全快速地逃生。

井下避灾路线 动态规划与发布 实时数据 逃生信息发布

避灾路线是事故发生后供遇险人员迅速撤离的安全和可行的路线,生产矿井通常根据矿井开拓部署情况和灾害类型提前规划避灾路线并制定应急预案,从而使井下人员在灾害发生时可以按照规划的避灾路线进行逃生。然而,这种避灾路线的规划也存在一些问题:一是由于煤矿井下巷道环境的复杂性以及安全出口数量的限制,导致井下避灾路线常常被临时灾情及灾变生成物所阻断;二是由于井下情况随时可能变化,某条通路也许会在短时间内受灾变影响,按照既定路线继续逃生很可能会遇到危险。

本文针对避灾路线无法根据井下实时条件进行智能调整的问题,在将巷道类型、高度、坡度以及通道障碍物等传统因素纳入避灾路线规划体系的同时,还需根据井下监测的有害气体、温度、烟雾和风向等实时数据,形成一套动态的井下避灾路线规划方法,在逃生过程中及时调整避灾路线,并结合井下多媒体设备进行信息发布,确保井下人员安全快速地逃生。

1 井下巷道拓扑结构的建立

本文以山西天地王坡煤业有限公司的井下巷道模拟图为例,展示本方法的计算和运行过程。首先要针对井下巷道建立拓扑结构,将井下巷道转变成一个带权拓扑图,并根据安全情况对巷道进行筛选,按照最短路径算法进行规划。本方法节选出王坡煤矿的部分巷道作为实例,将巷道分岔与汇合点设置为顶点,建立的拓扑图如图1所示。

由图1可见,01和101节点分别表示主井口和副井口,48和98节点为避难硐室,68、78和88节点为工作面,其余节点为交叉路口节点。由此,对于最短避灾路线的规划问题可描述如下:在井下巷道中有n个拓扑顶点,根据当前拓扑图的信息,选出巷道内的指定位置节点到达01和101节点或48和98节点的安全且最短的路径。

图1 王坡煤矿巷道网络拓扑图(节选)

2 计算路径权重

在井下巷道转化成的拓扑图中,标记井下巷道的交点,将两个交点之间的通路作为有向图中的一条带权边,因为井下每条路径在长度、高度、宽度、坡度、有害气体浓度以及巷道障碍物等因素上的不同,这些因素将影响该路径的安全性和通过速度,从而导致各边的权重有差异。对这些因素用行进难易度系数表示,使之与巷道的实际长度相乘后,得到的长度为相对长度。最短路径问题便转化为求最短相对长度的问题。在计算最优避灾路线时,依次考虑下列条件。

2.1 计算巷道高度影响

巷道高度影响工人逃生的基本速度,根据一般测试情况,在巷道高度达到2 m以上时,工人可以奔跑,常人速度大约在Vrun＝2.25 m/s左右;在2 m以下时,工人奔跑可能会撞伤头部导致受伤,故只能采取快速行进的方式,速度大约为Vwalk＝1.5 m/s左右。

2.2 计算巷道类型影响

井下巷道基本可分为矿井轨道运输巷、带式输送机运输巷、回风大巷以及联络巷等,不同类型的巷道对行走速度是有影响的,如对于设置风门的巷道,由于打开风门需要一定时间,所以需要考虑增加通行的时间。因此,针对每一种巷道类型,单独设置巷道类型行进难易系数Kd对巷道进行修正。针对不同的巷道进行设置的Kd具体值见表1。

2.3 计算巷道障碍物影响

设n为第i条巷道中的局部障碍个数;lij为第i条巷道中第j个局部障碍的长度值,因此巷道障碍物对逃生的影响表现为长度的增加,即增加了

表1 巷道类型对应难易系数Kd

2.4 计算巷道坡度影响

巷道坡度对逃生的速度、时间以及工人的体力等都会产生一定程度的影响。为了方便计算,确定当上坡角度小于5°时,可认为速度没有削减;在5°～8°之间时,则行进速度为水平速度的2/3;在8°以上时,则行进速度为水平速度的1/3。综上可知,角度对行进距离的影响可表现为坡度行进难易系数其中α为水平面与坡面的夹角。

2.5 计算路径综合权重

通过上述条件的计算,可归纳巷道路径的相对长度见式(1):

式中:L——巷道路径的相对长度,m;

Ks——坡度行进难易系数;

Kd——巷道类型行进难易系数;

l——巷道路径的实际长度,m;

li——第i条巷道中所有局部障碍物的长度之和,m。

则工人通过一段巷道所需的时间可由式(2)计算:

式中:t——通过路径所需的时间,min;

L——巷道路径的相对长度,m;

Vp——工人的平均行走速度(根据巷道高度不同取Vrun或Vwalk),m/s。

式(2)中计算得到的t即为各条路径的权重。王坡煤矿拓扑图各路径权重计算如图2所示。

图2 王坡煤矿井下路径权重(节选)

3 最优路线计算与动态调整

3.1 确定逃生出口

在计算最优路线前,先从监测监控系统和视频监控系统获取避难硐室内外的实时环境监测信息,当避难硐室处于安全状态时,则将距离该避难硐室最近的人的逃生出口设置为逃到避难硐室,其余人设置为逃生到井口出口。选择前往避难设施的人数不应大于避难设施能承载的核定人数。在可到达的情况下,王坡煤矿选取01和101节点为逃生出口。

3.2 确定可通行巷道路径

在计算最佳避灾路线前,需要预先判断安全的可通行巷道。可以通过甲烷传感器、一氧化碳传感器、温度传感器、烟雾传感器和风向传感器等井下各类实时传感器,采集甲烷浓度、一氧化碳浓度、巷道实时温度、烟雾浓度和风流方向等实时数据,如果被采集的数据数值出现异常,则可判定相应传感器的路段可能受灾变影响无法通行。

3.2.1 传感器数值超限的路径

针对不同的灾害类型,分析其易发生的地点,并在相应巷道内安装反映受灾变影响程度的传感器,设置传感器的报警值,当传感器监测的数值大于等于设定的报警值时,计算机系统自动判定该路径为无效路径并从拓扑结构图中移除。

3.2.2 传感器失灵的路径

在紧急逃生过程中,传感器如果突然失灵,可能包含以下几种情况:

(1)瓦斯气体瞬时大量冲击传感器,导致传感器失灵;

(2)当传感器在通电状态时,如果接触到气体浓度远超出其量程的气体时,有可能造成传感器的化学物质失去活性,无法再对气体浓度的变化产生反应,称为传感器中毒;

(3)伴生的瓦斯爆炸和巷道冒顶事故导致传感器、井下输电线路或通信网络损坏,信号中断。

根据可能出现的情况,可以对原始巷道拓扑图进行筛选,得到一个具备安全可通行路径的拓扑图,用于进行最优避灾路线的计算和选择。

3.3 计算最优路线

在计算最优路线的时候,使用典型的最短路径选择算法——Dijkstra算法,计算出当前条件下的最短逃生路径P1。当发生灾害时,系统在自动排除危险路段和路况未知路段后,通过Dijkstra算法为井下工人选择一条从该工人所在位置到安全逃生出口(井口或避难硐室)安全且路径权重之和最短的路径作为最优避灾路线。由Dijkstra算法计算出的逃生路径概念示意图如图3所示。由图3可以看出,Dijkstra算法为处于工作面68节点的工人提供了一条到井口的最短安全逃生路径,分别经过68、67、57、56、46、36、35、34、33、32、12和02节点到达01节点;为处于工作面78节点的工人提供的最短安全路径经过78、88、87、86、85、84、94、104和103节点到达101节点。图中没有标注权重的路径表示该路径存在危险,不可通行。

图3 逃生路径概念示意图

3.4 路线动态调整

避灾路线很有可能发生新的险情,导致路线中断,因此在逃生过程中,可能需要根据实际情况对避灾路线进行临时修改。传感器采集周期为1～5 s,当采集的数据被解析后未出现危险状况,则路线不变;如果出现危险状况,则自动重新计算路径,并在第一时间发出通知和警告。

如图3所示,当35和36节点之间路径的传感器产生报警超限,则系统立即将其定为危险路段,并自动重新计算最短安全路线。此时,从46节点经45、44、34、33、32、12和02节点到达01节点的路线最短,因此可获得重新计算后的路线为68、67、57、56、46、45、44、34、33、32、12、 02和01节点,传感器超限后动态调整的逃生路径概念示意图如图4所示。

图4 传感器超限后动态调整的逃生路径概念示意图

4 发布井下逃生信息

4.1 发布逃生信息到井下广播系统

井下出现险情时,调度中心部署的避灾路线规划系统与井下广播系统联动,通过井下广播装置对全矿井下范围进行广播通知,广播的内容包括井下灾害的类型与等级、灾害位置、采用何种应急预案以及井下实时危险地带等信息。

4.2 发布逃生信息到井下指示牌

在井下交叉路段的重要路口处设置井下智能信息指示牌,指示牌可滚动显示人工编辑的信息,也可以发布由避灾路线规划系统自动发送的路线安全信息。当灾害发生时,有危险的路段入口处的智能信息指示牌将显示为禁止通行标志,表示该路段危险禁止进入;未探测到危险的路段入口处智能信息指示牌显示为通行畅通标志,表示该路段畅通。在井下工人撤离过程中,一旦系统探测到某路段出现新的危险,则将指示牌由通行畅通变为禁止通行,从而对逃生中的工人给予警示,避免他们在逃生过程中不慎闯入危险区域。

4.3 发布逃生信息到移动终端

针对深处不同位置的井下工人个体,通过工人持有的井下智能终端进行信息发布。避灾路线规划系统通过与人员定位系统联动获取工人所在的位置区域,并将位置信息发送到工人所持智能终端中,由智能终端设备上安装的客户端路线规划程序进行实时路线规划,生成从工人实际位置到最近逃生出口的最安全和最短路线。一旦避灾路线规划系统通过传感器探测到新的危险,则将新的危险所在位置与工人当前位置信息重新发送给工人所持终端,并由终端生成新的避灾路线,从而最大程度地避免工人在逃生过程中误入危险路段的情况发生。

5 结语

井下避灾路线动态规划与发布方法在王坡煤矿进行了应用测试,模拟井下掘进工作面发生火灾的情况,同时在井下人员逃生可选择的巷道上模拟了部分测点瓦斯监测值超过3%,在避灾路线规划系统(集成了井下瓦斯监控系统和人员定位系统的实时动态监测数据)中选择安全出口为行人斜井底。系统根据井下人员定位系统的人员分布位置自动提示井下各地点人员到行人斜井底的避灾路线,路线除了遵循最短路径原则外,还自动避开了人为设定的瓦斯监测值达到3%的路径,在井下采掘图上动态显示逃生路径,同时把发生灾害掘进工作面的位置,井下瓦斯监测值3%的位置 以及最优避灾路线的路径信息通过数据接口发送到井下广播系统上位机,广播系统自动把上述信息进行全矿井广播,要求全矿井人员撤离,并提示逃生路线。全体井下人员根据井下广播的提示,按照避灾路线规划软件提示的避灾路线进行了撤离,全部安全撤到行人斜井口。由于受井下实际情况的限制,在与井下指示牌与移动终端联动方面没有测试,下一步可寻找有条件的煤矿,把避灾路线信息发布到多种井下终端。

[1] 解迎刚,尹根成,王志良等.基于Supermap的二代井下人员定位系统及避灾路线规划研究[A].2009年中国智能自动化会议论文集[A],2009

[2] 付恩俊,唐安东.井下火灾期间最佳避灾路线的选择[J].煤矿安全,2006(10)

[3] 汪金花,张亚静,朱令起等.井下避险路线的GIS数学模型与水灾仿真实验[J].中国煤炭,2013 (3)

[4] 康晓龙,王伟,赵耀华等.城市地下快速通道坡度与风速变化对隧道内人员逃生的影响[J].建筑科学,2011(4)

[5] 王德明,王省身.计算机选择矿井火灾时期最佳避灾路线的研究[J].中国矿业大学学报,1994(3)

[6] 贾进章.矿井火灾仿真与避灾路线的数学模型[J].自然灾害学报,2008(1)

Dynamic programming and release system of underground emergency escape route based on real-time data

Wang Jinhua1,Wang Yougang2,Zhang Lei2,Shu Lichun3
(1.China Coal Technology and Engineering Group Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Energy Investment Co.,Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group Co.,Ltd., Chaoyang,Beijing 100013,China; 3.China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China)

When an accident happened in coal mine,an escape route formulated scientifically is directly related to the safety of miners in the coal mine,and is also an important issue not only for the safe production but management.In this paper,the roadway＇s style,altitude and slope as well as obstacle in tunnel were covered in the index system,and the dynamic programming of escape routes was built up,based on the real-time monitoring data such as harmful gas,temperature,smoke and wind direction.By using this method,the escape routes could be timely adjusted and the relevant information could be sent to the underground miners in different ways so as to ensure the miners to escape safely and fastly.

underground escape routes,dynamic programming and release system,real-time data,information release about escape

TD77

A

王金华(1957－),男,河北衡水人,博士,研究员,博士生导师,现任中国煤炭科工集团有限公司董事长,国家能源专家咨询委员会委员,享受国务院政府特殊津贴专家。

(责任编辑 路 强)

中国煤炭科工集团有限公司重点基金资助项目(2013ZD010)