D0L:10.13374.issn1001-053x.2013.12.006 第35卷第12期 北京科技大学学报 Vol.35 No.12 2013年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2013 基于元胞自动机的井巷火灾仿真 李翠平☒，胡磊，侯定勇，张佳 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mai让：cpli@ustb.edu.cm 摘要提出了一种基于元胞自动机的井巷火灾可视化仿真方法.在矿井巷道可视化的基础上，通过对火灾元胞进行表 征，综合考虑可燃物类型与投放密度、井巷通风、井巷坡度等因素对井巷火源引燃效果的影响及双扩散作用、井巷通风、 浮力作用和节流作用等因素对火灾烟气蔓延效果的影响，采用概率函数进行元胞自动机建模，构建了表达元胞温度的井 巷火源燃烧模型和表达元胞浓度的井巷火灾烟气蔓延模型.基于火源元胞燃烧演化规则和烟气元胞蔓延演化规则，通过 可视化手段展示了井巷火灾火源燃烧和有害气体浓度的时空发展变化.同时以矿山实际数据进行检验，说明了基于元胞 自动机的井巷火灾仿真的可行性与有效性. 关键词矿山火灾：元胞自动机：计算机仿真：可视化 分类号TD75+2 Cellular automata-based tunnel fire simulation LI Cui--ping☒，HU Lei,,HOU Ding-yomg,ZHANG Jia Key Laboratory of High Efficiency Mining and Safety for Metal Mines (Ministry of Education of China),University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:cpli@ustb.edu.cn ABSTRACT This article introduces a mine fire visualization simulation method based on cellular automata.On the basis of mine tunnel visualization,a tunnel fire combustion model for expressing cellular temperature and a tunnel fire smoke spread model for expressing cellular concentration were built by fire cell characterization.In these models the influence of fuel type and input density,ventilation and roadway slope on mine fire ignition and the effect of double diffusion,ventilation,buoyancy and throttling on fire smoke spread were taken into account,and a probability function was used for cellular automata modelling.Then according to the fire cellular combustion evolution rules and smoke cellular spreading evolution rules,the spatial changes of tunnel fire burning and harmful gas concentration were demonstrated through visualization means.Actual data from a mine proves the feasibility and effectiveness of tunnel fire simulation based on cellular automata. KEY WORDS mine fires;cellular automata;computer simulation;visualization 地下矿山火灾仍是我国矿山典型的灾害，对矿好地解释矿井火灾本质，实验研究又受实验费用高 山生产的正常运行和井下工作人员的生命安全造成昂、实验条件有限、实验过程不具可重复性等客观 了威胁.为控制和降低火灾造成的影响，进行矿井条件的限制，而计算机模拟技术因其计算能力强、 火灾规律的研究具有重要意义-4刂.虽然从20世 模拟条件灵活、可重复性强等特点在矿井火灾研究 纪50年代起就开始了矿井火灾的大量研究，但以中具有一定优势.为此，本文探讨了基于元胞自动 热力学、流体力学为基础的理论研究目前仍不能很 机的井巷火灾仿真模型的构建与可视化的研究. 收稿日期：2013-03-10 基金项目：因家自然科学基金资助项目(51174032)：教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-10-0225):中央高校基本科 研业务费专项资金资助项目(FRF-TP-09-001A)第 35 卷 第 12 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 12 2013 年 12 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec. 2013 基于元胞自动机的井巷火灾仿真 李翠平 ，胡 磊，侯定勇，张 佳 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: cpli@ustb.edu.cn 摘 要 提出了一种基于元胞自动机的井巷火灾可视化仿真方法. 在矿井巷道可视化的基础上，通过对火灾元胞进行表 征，综合考虑可燃物类型与投放密度、井巷通风、井巷坡度等因素对井巷火源引燃效果的影响及双扩散作用、井巷通风、 浮力作用和节流作用等因素对火灾烟气蔓延效果的影响，采用概率函数进行元胞自动机建模，构建了表达元胞温度的井 巷火源燃烧模型和表达元胞浓度的井巷火灾烟气蔓延模型. 基于火源元胞燃烧演化规则和烟气元胞蔓延演化规则，通过 可视化手段展示了井巷火灾火源燃烧和有害气体浓度的时空发展变化. 同时以矿山实际数据进行检验，说明了基于元胞 自动机的井巷火灾仿真的可行性与有效性. 关键词 矿山火灾；元胞自动机；计算机仿真；可视化 分类号 TD75+2 Cellular automata-based tunnel fire simulation LI Cui-ping , HU Lei, HOU Ding-yong, ZHANG Jia Key Laboratory of High Efficiency Mining and Safety for Metal Mines (Ministry of Education of China), University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China Corresponding author, E-mail: cpli@ustb.edu.cn ABSTRACT This article introduces a mine fire visualization simulation method based on cellular automata. On the basis of mine tunnel visualization, a tunnel fire combustion model for expressing cellular temperature and a tunnel fire smoke spread model for expressing cellular concentration were built by fire cell characterization. In these models the influence of fuel type and input density, ventilation and roadway slope on mine fire ignition and the effect of double diffusion, ventilation, buoyancy and throttling on fire smoke spread were taken into account, and a probability function was used for cellular automata modelling. Then according to the fire cellular combustion evolution rules and smoke cellular spreading evolution rules, the spatial changes of tunnel fire burning and harmful gas concentration were demonstrated through visualization means. Actual data from a mine proves the feasibility and effectiveness of tunnel fire simulation based on cellular automata. KEY WORDS mine fires; cellular automata; computer simulation; visualization 地下矿山火灾仍是我国矿山典型的灾害，对矿 山生产的正常运行和井下工作人员的生命安全造成 了威胁. 为控制和降低火灾造成的影响，进行矿井 火灾规律的研究具有重要意义 [1−4] . 虽然从 20 世 纪 50 年代起就开始了矿井火灾的大量研究，但以 热力学、流体力学为基础的理论研究目前仍不能很 好地解释矿井火灾本质，实验研究又受实验费用高 昂、实验条件有限、实验过程不具可重复性等客观 条件的限制，而计算机模拟技术因其计算能力强、 模拟条件灵活、可重复性强等特点在矿井火灾研究 中具有一定优势. 为此，本文探讨了基于元胞自动 机的井巷火灾仿真模型的构建与可视化的研究. 收稿日期：2013-03-10 基金项目：国家自然科学基金资助项目 (51174032)；教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目 (NCET-10-0225)；中央高校基本科 研业务费专项资金资助项目 (FRF-TP-09-001A) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.006