火災時期礦山通風巷道“特征環”與“關鍵環”的分布特征研究*

丁 翠

(中國勞動關系學院 安全工程系，北京 100048)

0 引言

目前，我國礦山井下火災仍然時有發生。礦井火災發生時，巷道內的風流由于受到加熱而發生狀態變化，火焰面的存在減小了巷道的有效通流面積，產生明顯的節流效應，使巷道內的風流狀況發生改變；同時，由于礦井火災會產生大量煙氣，進一步改變了巷道內的風流分布，此時礦井部分巷道內的通風風量會產生較大變化，研究火災對巷道內風流分布“特征環”和平均風速分布“關鍵環”的分布規律，對于準確評估火災時期通風巷道內的通風量十分重要。

目前，對于礦井火災的研究已經取得較多成果，但是主要集中在火災模型及煙氣運移規律等方面[1-6]，并且關于井下火災影響的研究更多是集中在對燃燒區熱阻力的分析上[7-8]，也有一部分研究集中在火災發生的機理及其防治方面[9-11]，而對于火災所引起的巷道內風流分布的變化及紊流充分發展處的“特征環”和“關鍵環”分布規律卻少見文獻報道。本文采用數值模擬手段，研究水平巷道內通風風速以及火災強度對巷道內風流分布“特征環”和“關鍵環”分布規律的影響，并得出正常通風時期風流分布“關鍵環”特征方程在巷道火災時期的使用條件。

1 火災巷道物理數學模型及假設

1.1 火災巷道物理數學模型

按照井下實際巷道尺寸，建立三心拱巷道三維物理模型，如圖1所示。巷道長度為100 m，三心拱截面尺寸為：墻高2 m，寬4.6 m，拱高1.5 m。火災假設發生在巷道的進風流處，即火源中心與巷道進風口的距離為30 m，并且設定火區長度為2 m，根據巷道頂板的限制以及文獻[12]所提供的公式進行計算，認為火焰的高度為3.5 m，并布滿整個三心拱巷道截面。

圖1 巷道模型Fig.1 The model of tunnel

采用標準k-ε方程以及氣體的輸運方程，計算巷道內風流的湍流流動和擴散。水平巷道內，火災過程連續性方程、動量方程、能量方程、組分方程、k方程、ε方程如下：

1.2 邊界條件及假設

巷道入口采用速度進口邊界條件，巷道出口采用壓力出口邊界條件。CFD火災模擬計算過程中，采取了如下假設：巷道壁面與風流氣體沒有熱交換；巷道內無工作人員、運輸車輛和其他相關設備等障礙物，忽略煤塵、瓦斯和炮煙對風流運移的影響；火災模型不考慮火災的燃燒過程、火源的熱輻射以及由火災所引發的巷道內氣體組分和質量的變化，把火源簡化為固定釋放熱量的熱源[13]。

同時，在火災期間，由于火源的加熱作用使巷道內的溫度升高，導致巷道內氣體的密度發生改變，加之重力的作用，從而使巷道內的氣體產生上下自然對流。因此，在火災模擬計算過程中，考慮了火災所產生的浮力效應以及重力對風流流動的影響。

1.3 參數設置

巷道入口風速分別設置為：1.0，1.5，2.0，3.0，5.0，6.0 m/s；火災強度分別設置為：0，300，600，900，1 200 kW。由此分別模擬分析不同通風風速和火災強度對通風巷道內“特征環”及“關鍵環”的影響規律。

2 火災強度對“特征環”分布規律影響

根據文獻[14]可知，“特征環”是指巷道紊流充分發展處截面上，表征風速分布的等值線環。任意形狀巷道內的橫截面上都有其特有的“特征環”。“特征環”對于研究井下巷道截面上的速度分布具有非常重要的意義，圖2給出了火災強度分別為0，300，1 200 kW以及通風風速分別為1.0，1.5，2.0，3.0，6.0 m/s工況下，紊流充分發展截面處(X=88 m截面處)“特征環”的分布情況。

圖2 不同通風風速和不同火災功率下X=88 m截面上“特征環”分布Fig.2 Velocity distribution on cross section under different velocity and different fire intensity in tunnel

由圖2分析可知，在正常通風時期，即火災強度為0 kW時，不同通風速度下，三心拱巷道紊流充分發展截面上“特征環”的分布均可描述為：截面中心速度最大，隨著距巷道邊幫距離逐漸減小，巷道內風速隨之減小。不同通風風速下，巷道內風速值的分布均是以截面中心為環心，逐漸向邊壁擴散的橢圓環，由此可以得出：正常通風時期，通風風速對“特征環”的環狀曲線影響較小，通風風速不是影響“特征環”分布的關鍵因素。

巷道發生火災時，同一火災強度下，隨著通風風速的增加，巷道紊流充分發展截面處風速分布，先呈現出紊亂，再逐漸呈現出環狀分布的特征。當火災強度為300 kW時，巷道內橫截面上風速分布具備“特征環”分布特征的臨界風速為1.5 m/s；當火災強度為1 200 kW時，巷道內橫截面上風速分布具備“特征環”分布特征的臨界風速為2 m/s。由此進一步分析可得：同一火災強度下，巷道內橫截面上風速“特征環”分布特征存在臨界風速值。當通風風速低于臨界風速值時，火災下通風巷道內風速不再具備“特征環”分布特征；當通風風速大于臨界風速值時，火災下通風巷道內風速具備“特征環”分布特征，且隨著通風風速的增大，其分布特征逐漸接近正常通風時期的分布規律。出現這種現象的原因主要是：火災時期，當通風風速較低時，火災所產生的火風壓和“煙流滾退”對火災下風流的通風狀態影響相對較強，風流分布紊亂；而當通風風速大于一定值時，一方面巷道通風壓力增大并大于火災產生的火風壓，另一方面“煙流滾退”距離縮小甚至消失，使火災下風流的分布狀態受影響較小，故逐漸呈現與正常通風時期相同的風速分布規律。

同一通風風速下，隨著功率的增加，“特征環”的分布曲線越容易出現紊亂現象。當通風風速低于1 m/s時，火災下通風巷道內橫截面上風速分布具備“特征環”分布特征的臨界火災強度低于300 kW；當通風風速大于2 m/s時，火災下通風巷道內橫截面上風速分布具備“特征環”分布特征的臨界火災強度大于1 200 kW。由此進一步分析可得：礦井火災時期，同一通風風速下，通風巷道內風速“特征環”分布特征存在臨界火災強度值。當火災強度大于臨界火災強度值時，通風巷道內風速不再具備“特征環”分布特征；當火災強度小于臨界火災強度值時，火災下通風巷道內風速具備“特征環”分布特征，且隨著通風風速的增大，其分布特征逐漸接近正常通風時期的分布規律。

圖3 不同通風風速及火災強度下X=88 m截面上“關鍵環”分布Fig.3 “Key ring” maps on cross section at different fire intensity and different velocity

由上述分析可知，礦井火災時期，通風風速與火災強度均是影響通風巷道內橫截面上風速 “特征環”分布的關鍵因素。

3 火災強度對巷道截面“關鍵環”分布規律影響

基于上文分析，火災情況下，巷道內紊流充分發展處截面上的“特征環”分布，由于火災強度的變化和通風風速的不同，均受到了不同程度的影響，其“關鍵環”的分布也會產生相應的變化。“關鍵環”的定義為：在“特征環”上，與截面上平均風速值相等的環稱為“關鍵環”[14]。“關鍵環”對于實現風量的準確測量具有非常重要的意義。圖3給出了通風風速分別為1.0，1.5，2.0，3.0，5.0，6.0 m/s以及火災強度分別為0，300，600，900，1 200 kW工況下，X=88 m截面處“關鍵環”的分布情況。

由圖3分析可知：火災時期，當通風風速低于1 m/s時，由于橫截面上風速分布不再具備“特征環”分布特征，故平均風速分布紊亂，未呈現出環狀分布；當通風風速大于1.5 m/s時，火災時期通風巷道內橫截面上平均風速分布具備“關鍵環”分布特征，且巷道底板與兩幫平均風速“關鍵環”與正常通風時期“關鍵環”分布特征一致，而巷道頂板平均風速“關鍵環”與正常通風時期“關鍵環”分布特征區別較大；當通風風速大于5 m/s時，火災時期通風巷道內平均風速“關鍵環”分布與正常通風時期的趨近一致。出現以上現象的原因主要是：當通風風速較小時，由于火災的浮力效應，高溫煙氣主要聚集在巷道頂部流動，因此巷道頂板平均風速“關鍵環”分布特征較不明顯；當通風風速較大時，通風壓力較大，并可克服火災所產生的浮力效應，巷道內平均風速“關鍵環”與正常通風時期的趨近一致。

基于上述分析可知，為適應正常通風和火災時期巷道內通風風速的準確測量，對于井下通風風速較大的巷道，在不影響運輸和人員通行的前提下，可將傳感器布置在巷道頂板和兩幫附近；對于井下通風風速較小的巷道，可將傳感器布置在巷道兩幫附近。同時進一步分析可知，當巷道內通風風速大于或等于5 m/s時，通風巷道內平均風速“關鍵環”分布規律可認為依然符合正常通風時期的分布特性，即滿足“關鍵環”分布的特征方程[15]。

4 結論

1)同一火災強度下，通風巷道內風速“特征環”分布特征存在臨界風速值。當通風風速低于臨界風速值時，火災時期通風巷道內風速不再具備“特征環”分布特征。同一通風風速下，火災時期通風巷道內風速“特征環”分布特征存在臨界火災強度值。

2)正常通風時期，通風風速并非是影響巷道通風風速“特征環”分布的關鍵因素；礦井火災時期，通風風速與火災強度均是影響通風巷道內風速“特征環”分布的關鍵因素。

3)對于井下通風風速較大的巷道，在不影響運輸和人員通行的前提下，可將傳感器布置在巷道頂板和兩幫附近；對于井下通風風速較小的巷道，可將傳感器布置在巷道兩幫附近。

4)當巷道內通風風速大于或等于5 m/s時，火災時期風流平均風速點的位置，可由正常通風時期的“關鍵環”特征方程進行計算。

[1] Lin C J, Chuah Y K. A study on long tunnel smoke extraction strategies by numerical simulation[J]. Tunnelling & Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research, 2008, 23(5):522-530.

[2] 馬洪亮，周心權，王軒．多單元區域方法在礦井火災模擬中的應用[J]．煤炭科學技術，2008，36(1)：62-64, 81.

MA Hongliang, ZHOU Xinquan, WANG Xuan. Application of multi element area method to mine fire disaster simulation[J]. Coal Science and Technology,2008,36(1):62-64,81.

[3] YANG D, HU L-h, JIANG Y-q, et al. Comparison of FDS predictions by different combustion models with measured data for enclosure fires[J]. Fire Safety Journal, 2010, 45(5): 298-313.

[4] 劉劍，王銀輝，李靜，等．傾斜巷道內火災逆流層變化規律數值模擬[J]．安全與環境學報，2015，15(4)：94-97.

LIU Jian, WANG Yinhui, LI Jing,et al. Numerical simulation for the countercurrent fire change regularity in the inclined tunnel[J]. Journal of Safety and Enviroment,2015,15(4):94-97.

[5] Hu L H, Huo R, Chow W K. Studies on buoyancy-driven back-layering flow in tunnel fires[J]. Experimental Thermal & Fluid Science, 2008, 32(8):1468-1483.

[6] 崔慧強．不同火源功率及火源-出口距離對隧道火災臨界風速的影響研究[J]．中國安全生產科學技術，2015，11(8)：5-9.

CUI Huiqiang. Study on effect of different fire HRR and fire-exit distances to critical wind velocity in tunnel fires[J]. Journal of Safety Science and Technology,2015,11(8):5-9.

[7] 王德明，周福寶，周延．礦井火災中的火區阻力及節流作用[J]．中國礦業大學學報，2001，30(4)：328-331.

WANG Deming, ZHOU Fubao, ZHOU Yan. Fire resistance and its effect on fire-throttling during mine fire[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2001, 30(4): 328-331.

[8] 李傳統, 王省身. 礦井火災燃燒區熱阻力的研究[J]. 中國礦業大學學報, 1996, 25(4): 6-11.

LI Chuantong,WANG Xingshen. Study on thermal drag in the combustion zone of mine fire[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 1996, 25(4): 6-11.

[9] 徐永亮，王蘭云，宋志鵬，等．基于交叉點法的煤自燃低溫氧化階段特性和關鍵參數[J]．煤炭學報，2017，42(4)：935-941.

XU Yongliang,WANG Lanyun,SONG Zhipeng, et al. Characteristics and critical parameters of coal spontaneous combustion at low temperature stage based on CPT method[J]. Journal of China Coal Society, 2017,42(4):935-941.

[10] SINGH A K, SINGH R , SINGH M P, et al. Mine fire gas indices and their application to Indian underground coal mine fires[J]. International Journal of Coal Geology, 2007, 69(3): 192-204.

[11] 齊慶杰，王歡，周新華，等. 線火源與點火源在巷道火災中煙流特性對比[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版)，2017，36(2):147-153.

QI Qingjie, WANG Huan, ZHOU Xinhua,et al. Comparative analysis on smoke flow characteristics of line and ignition source in roadway fire[J]. Journal of Liaoning Technical University (Natural Science),2017,36(2):147-153.

[12] G. Heskestad. The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering (Third Edition)[M]. Quincy, MA: Society of Fire Protection Engineers, 2002

[13] 何學秋.中國煤礦災害防治理論與技術[M].北京：中國礦業大學出版社, 2006.

[14] 丁翠.礦井巷道風流狀態“關鍵環”實驗與數值研究[D].北京：中國礦業大學(北京), 2013.

[15] Ding C, He X, Nie B. Numerical simulation of airflow distribution in mine tunnels[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2017, 27(4): 663-667.