煤礦避難硐室噴淋系統模擬分析研究

摘 要：噴淋系統是煤礦避難硐室安全防護的重要組成部分。利用計算機模擬軟件，分析不同配置方式的噴淋系統對過渡室內有害氣體凈化效果的影響情況。根據模擬結果，設置3個噴淋裝置的噴淋系統，對過渡室內有毒有害氣體去除效果最好。

關健詞：煤礦；避難硐室；噴淋系統；模擬分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.047

0 前言

煤礦避難硐室是煤礦安全生產的重要保障設施[1-2]。噴淋系統是煤礦避難硐室安全防護的重要組成部分，其通過噴出的高速氣流對避險人員從外部攜帶的有毒有害氣體進行沖洗、稀釋，使帶入生存室的有毒有害氣體大幅減少，在避險人員進入避險設施的初期即可盡量降低有毒有害氣體濃度，保證生存艙內的空氣質量[3-4]。目前，對噴淋系統如何配置并沒有詳細具體的規定，在避難硐室建設時，大多根據相關經驗來進行設計和配置，噴淋效果上有很大差異。筆者利用計算機模擬軟件，對避難硐室噴淋效果形成的流場以及噴淋氣體對過渡室內有毒有害氣體的稀釋效果進行分析研究，為避難硐室噴淋系統的設計提供理論依據。

1 模擬實驗設計

1.1 模型建立與網格劃分

建模是基于典型煤礦避難硐室過渡室的實際尺寸，采用三維建模軟件UG建立滿足流體仿真需要的1：1尺寸過渡室模型，并在過渡艙空間中按盤管型噴淋裝置的實際噴氣平面位置與排氣管位置建立了噴頭與出風口模型。由于過渡室區域空間較大，而噴盤局部又有較細微的噴嘴結構，因此對網格數量和大小進行了獨特的劃分，在噴嘴位置適當加密，而遠離噴嘴的開放空間適當放大網格尺寸，以減小求解代價。使用FluentMeshing質量檢查工具對網格劃分質量進行檢查，得到最差網格質量為0.71，平均網格質量為0.2389。對于四面體網格，fluent計算要求網格質量在0.9以下，推薦為0.8以下，因此網格質量完全可滿足求解要求。網格數量控制在645萬，在可接受的求解范圍之內。過渡室及噴淋出口網格劃分如圖1～2所示。

1.2 邊界條件與計算條件設置

流體介質為常態空氣，密度取1.225kg/m3；入口取流量邊界條件，換算為質量流量0.0565 kg/s；出口取為大氣條件，設為壓力出口，壓力為1atm，入口管線氣體流量為60m3/h，壓力為0.5MPa；出口為大氣狀況。

1.3 模擬工況條件

過渡室內安裝噴淋裝置的位置如圖3所示。

根據過渡室室內噴淋裝置布置情況，設計以下工況條件進行模擬：

工況1：1#、2#、3#噴淋裝置均開啟；

工況2：1#、2#噴淋裝置開啟，3#噴淋裝置關閉；

工況3：1#、3#噴淋裝置開啟，2#噴淋裝置關閉；

工況4：2#、3#噴淋裝置開啟，1#噴淋裝置關閉；

工況5：1#噴淋裝置開啟，2#、3#噴淋裝置關閉；

工況6：2#噴淋裝置開啟，1#、3#噴淋裝置關閉；

工況7：3#噴淋裝置開啟，1#、2#噴淋裝置關閉。

2 模擬結果

按照設計工況條件，逐個進行計算機數值模擬計算，數值模擬計算后形成的整體流場如圖4～10所示。

3 試驗結果分析

（1）當有且僅有1個噴淋裝置開啟時，噴淋裝置僅能對其下方及周邊區域的空氣進行擾動，對過渡室整體的空氣擾動范圍較??；對3個噴淋裝置獨立開啟時過渡室內空氣的擾動情況進行比較，可以發現當噴淋裝置位于中間時雖然擾動范圍仍然較小，但能帶動整個過渡室的空氣進行擾動，噴淋裝置位于兩邊時僅能對自身一側的空氣進行擾動，對較遠一端的空氣擾動作用非常微弱，因此如果只安置1個噴淋裝置時，應盡量放在過渡室的中心區域。

（2）當有2個噴淋裝置同時開啟時，噴淋裝置對過渡室整體空氣的擾動范圍增大；對2個噴淋裝置開啟時過渡室內空氣的擾動情況進行比較，可以發現當噴淋裝置較為靠近時（即1#、2#同時開啟或2#、3#同時開啟）過渡室內的氣體擾動更為強烈，當噴淋裝置位于過渡室兩側時（即1#、3#同時開啟）過渡室內氣體擾動范圍更廣但過渡室中間出現了死角，因此，如果可以安置2個噴淋裝置時，應同時考慮噴淋裝置的距離和覆蓋范圍。

（3）當3個噴淋裝置同時開啟時，噴淋裝置對過渡室整體空氣的擾動范圍最大，從整體流場圖中也能看到過渡室的地面幾乎沒有死角，同時由于噴淋氣體的互相作用，氣體混合的更為均勻，噴淋效果也更好。

參考文獻：

[1]楊大明.關于井下緊急避險系統設計的探討[J].煤礦安全，2012，

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[2]李芳瑋，金龍哲，韓海榮等.煤礦井下避難硐室的選址及其關鍵技術[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2012，31（05）：687-689.

[3]孫繼平.煤礦井下避難硐室與救生艙關鍵技術研究[J].煤炭學報，2011，36（05）：713-716.

[4]祝雁輝.煤礦避難硐室通風及溫度調控關鍵技術研究[D].中國礦業大學，2014.

基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃“煤礦井下逃生及緊急避險技術及裝備”（2012BAK04B09）

作者簡介：吳兆宏（1980-），男，江蘇鹽城人，碩士，主要從事礦用設備安全性能研究與安全標志管理工作。