礦井避難硐室凈化裝置布局數值模擬研究

鄧元媛 張祖敬 袁艷平

(1. 四川交通職業技術學院，四川省成都市，611130；2.西南交通大學機械工程學院，四川省成都市，610312；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市九龍坡區，400039)

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礦井避難硐室凈化裝置布局數值模擬研究

鄧元媛1張祖敬2,3袁艷平2

(1. 四川交通職業技術學院，四川省成都市，611130；2.西南交通大學機械工程學院，四川省成都市，610312；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市九龍坡區，400039)

為探索凈化裝置在避難硐室內的合理配置與布局，本文采用FLUENT數值計算軟件，研究了長通道式和轉角式礦井避難硐室內凈化裝置配置與布局對室內空氣流場及CO2濃度分布場的影響。研究結果表明，對于50人型避難硐室，僅采用1臺凈化裝置時，室內CO2濃度可控制在0.9%，室內濃度差為0.5%；采用兩臺凈化裝置時，室內CO2濃度范圍為0.4%～0.7%，室內最大CO2濃度差值為0.3%，長通道式避難硐室凈化裝置宜分布在硐室兩端，轉角式避難硐室凈化裝置宜分布在兩翼靠近壁面的中部；使用3臺凈化裝置時，室內CO2濃度控制在0.3%～0.5%的范圍，室內最大CO2濃度差值為0.2%。

長通道式避難硐室 轉角式避難硐室 凈化裝置 CO2濃度 空氣流場

礦井避難硐室是設置在礦井逃生路線上為事故遇險人員提供96 h以上安全防護的與災區環境相對隔絕的密閉空間。自2010年8·5智利圣何塞銅礦坍塌事故后，礦井避難硐室的作用和重要性得到前所未有的關注和重視。2017年神木縣板定梁塔煤礦4·19透水事故中，6名遇險礦工被困井下避難硐室77 h后成功獲救；2017年山西清徐東于煤礦5·22透水事故中，4名遇險礦工躲入避難硐室獲救。

空氣質量是井下人員安全避災的基本保障，澳大利亞與美國規定避難硐室內CO2平均濃度不高于1%，連續24 h內最高濃度不超過2.5%，CO濃度不大于0.0025%；我國要求避難硐室內CO2濃度不大于1%，CO濃度不大于0.0024%。由于災后井下供電中斷和設備的防爆要求，空氣凈化成為避難硐室內難以解決的關鍵技術。

周方年研究得出避災期間人體的CO2代謝速率為0.34 L/min；郭莉華等研究了人體代謝產生的CO、H2S、NH3等微量氣體成分與代謝速率；張祖敬等研究提出在避難硐室內對人體產生的CO、H2S等微量氣體無需凈化，重點考慮去除CO2。目前，大多數煤礦避難硐室采用的凈化方式是安裝空氣凈化裝置和懸掛凈化藥簾。葛亮等研究了一種集電動、氣動、腳踏3種驅動方式為一體的避難硐室用空氣凈化裝置；陳于金等研制了一種集成空氣凈化與降溫功能的降溫凈化裝置；何廷梅采用數值模擬方式研究認為2臺凈化裝置可將CO2濃度控制在0.50%以下。從已有文獻可看出，避難硐室內空氣凈化技術主要集中于凈化裝置的研制，而在硐室內凈化裝置合理配置與布局優化方面缺乏系統地研究。

為了合理配置避難硐室內凈化裝置數量并優化裝置布局，本文建立了長通道式和轉角式避難硐室幾何模型，采用FLUENT軟件研究了50人型避難硐室內不同人員分布和凈化裝置配置與布局情況下室內的空氣流場與CO2濃度場分布，得出不同結構避難硐室內，人員與凈化裝置的合理布局模型。

1 模型建立及工況、參數設置

1.1 模型建立

長通道式50人型避難硐室物理模型呈拱形，長17 m、寬4 m、高3.3 m，體積為223 m3；硐室內人員呈坐姿狀態，為降低建模與運算難度，人體模型簡化為由多個長方體組成的整體，高1.1 m，人員呼氣出口簡化為0.015 m×0.03 m的矩形面，相對底邊高1 m；凈化裝置簡化為0.4 m×0.4 m×1 m的長方體，在凈化裝置的正面距離底邊高0.8 m處作半徑為0.036 m的圓形面為凈化裝置出風口，底面為凈化裝置進風口。根據生存室內部結構及室內人員數量，主要考慮兩種布局模型。其中，模型1中，沿生存室長邊的一側放置3臺凈化裝置，而人員分坐于另一側；模型2中，2臺凈化裝置分布在硐室兩端，人員呈4排分坐在生存室內。兩種不同的布局模型如圖1(a)、(b)所示。

圖1 長通道式50人硐室布局

轉角式50人型避難硐室物理模型中，硐室橫斷面與長通道式相同，內邊長8.5 m，外邊長10.5 m。除此之外，模型中人體與凈化裝置幾何尺寸與上述相同。根據生存室內部結構及室內人員數量，主要考慮兩種布局模型。其中，模型1中，沿生存室兩翼長邊的一側分別放置1臺凈化裝置，外轉角處放置1臺凈化裝置，而人員分坐于兩翼短邊的一側；模型2中，硐室兩翼的兩端各放置1臺凈化裝置，外轉角處放置1臺凈化裝置，人員分坐生存室內兩翼。兩種不同的布局模型如圖2(a)、(b)所示。

圖2 轉角式50人硐室布局

1.2 模擬工況

長通道布局模型1中，3臺凈化裝置從左到右依次編號為1、2、3；模型2中，2臺凈化裝置依次編號為4、5。轉角式布局模型1中，3臺凈化裝置從左到右依次編號為6、7、8；模型2中，3臺凈化裝置依次編號為9、10、11。

為檢驗凈化裝置數量與布局對避難硐室內空氣流場及CO2凈化效果的影響，對長通道式和轉角式避難硐室分別進行5種不同工況的模擬分析，凈化裝置使用情況如表1所示。

表1 凈化裝置使用工況

1.3 邊界類型與初始條件設置

根據避難硐室內空氣凈化裝置凈化工作原理，凈化裝置出風口為硐室的進風口，凈化裝置的進風口為模型出風口。因此，將模擬工況中運行的凈化裝置空氣進、出口分別設置為outflow與Velocity-inlet，而未運行的凈化裝置進、出口均設置為wall。人員呼氣出口為模型中CO2混合氣體的進風口，設置為Velocity-inlet。避災時，人為靜坐或睡眠狀態，根據文獻，取人均呼出CO2速率為0.34 L/min。呼出氣體中O2占16%，CO2占4%，N2占78%，其余氣體假定為水蒸氣，占2%。可計算出模型中人體呼氣出口風速為0.26 m/s。

根據常見礦井避難硐室內空氣凈化裝置的實際使用性能，凈化裝置出風口風速取值10 m/s。同時，假設凈化裝置出口吹出的氣流為新鮮風流。具體邊界類型定義及邊界條件設置如表2所示。

2 結果分析

2.1 長通道避難硐室內空氣流場分布

為了分析長通道式50人型避難硐室中5種不同工況下室內空氣流場分布效果，將風速顯示分辨率最大值設置為3 m/s，不同工況下室內氣流分布如圖3所示。

表2 邊界條件設置

圖3 不同工況下長通道避難硐室內氣流分布

由圖3可看出，在距離出風口2 m以內的范圍風速衰減到1 m/s以下；凈化裝置開啟數量的增加使室內風流分布更加均勻，但影響效果并不顯著，硐室內大部分區域的風流速度在0.4 m/s以下范圍。

2.2 長通道避難硐室內CO2濃度分布

將CO2濃度顯示分辨率最大值設置為1×10-2，5種不同工況避難硐室內CO2濃度分布如圖4所示。

圖4 不同工況下長通道避難硐室內CO2濃度分布

由圖4(a)、(d)看出，硐室內僅開啟1臺凈化裝置時，硐室內CO2濃度分布明顯不均勻，硐室兩頭CO2濃度較高，已接近0.90%，而凈化裝置所在的中心區域CO2濃度在0.06%～0.07%范圍內；由圖4(b)、(e)看出，硐室內開啟2臺凈化裝置時，硐室內CO2濃度分布相對比較均勻，濃度值在0.36%～0.50%之間；由圖4(c)可看出，硐室內開啟3臺凈化裝置時，硐室內CO2濃度分布更加均勻，分布在0.27%～0.35%之間。通過比較可以看出，增加避難硐室內的凈化裝置開啟數量能使硐室內CO2濃度分布更加均勻，起到更好的凈化效果。

2.3 轉角式避難硐室內空氣流場分布

為比較2臺凈化裝置不同布局時硐室內空氣流場分布，將工況7、9進行比較；為比較3臺凈化裝置不同布局時硐室內空氣流場分布，將工況8、10進行比較，不同工況下室內空氣流場分布如圖5所示。

圖5 不同工況下轉角式避難硐室內空氣流場分布

由圖5(a)、(c)看出，2臺凈化裝置時模型1與模型2中的空氣流場略有差距，室內風速主要分布在0.75 m/s以下；由圖5(b)、(d)看出，3臺凈化裝置時室內風速主要分布在0.5～1 m/s，模型1中風速較模型2中的分布均勻。

2.4 轉角式避難硐室內CO2濃度分布

CO2濃度顯示分辨率最大值設置為1×10-2，5種不同工況下避難硐室內CO2濃度分布如圖6所示。

圖6 不同工況下轉角式避難硐室內CO2濃度分布

由圖6(a)看出，僅有1臺凈化裝置工作情況下，室內大部分區域CO2濃度在1%以下，但局部CO2濃度在1%以上，因此1臺凈化裝置不能滿足50人的避難硐室CO2氣體凈化需要；由圖6(b)、(d)看出，2臺凈化裝置時，硐室內CO2濃度主要分布在0.4%～0.7%， CO2濃度差值小于0.2%，滿足室內CO2空氣凈化需要，而工況7較工況9凈化效果更好；由圖6(c)、(e)看出，3臺凈化裝置時，硐室內CO2濃度主要分布在0.3%～0.5%，CO2濃度差值小于0.1%，工況8較工況10凈化效果更好。

3 結論

(1)在不考慮凈化裝置的條件下，在50人型避難硐室中使用1臺風量為2.4 m3/min、出口風速為10 m/s的凈化裝置時，能將室內CO2濃度控制在0.9%以下，但CO2濃度與風速分布不均勻，室內最大CO2濃度差達0.5%。長通道式避難硐室使用1臺凈化裝置時，凈化裝置布置在硐室的一端室內CO2濃度分布更加均勻；轉角式避難硐室使用1臺凈化裝置時，凈化裝置宜布置在室內轉角處。

(2)使用2臺凈化裝置時，室內CO2濃度控制在0.4%～0.7%的范圍，室內最大CO2濃度差為0.3%。長通道式避難硐室使用2臺凈化裝置時，凈化裝置宜布置在硐室兩端；轉角式避難硐室使用2臺凈化裝置時，凈化裝置宜布置在兩翼沿墻壁的中部。

(3)使用3臺凈化裝置時，室內CO2濃度控制在0.3%～0.5%的范圍，室內最大CO2濃度差為0.2%。在轉角式避難硐室內，3臺凈化裝置宜布置在硐室兩翼端部和轉角處。

[1] K.A. Margolis, C.Y.K. Westerman, K.M. Kowalski-Trakofler. Underground mine Refuge Chamber Expectations Training: Program development and evaluation[J]. Safety Science,2011(3)

[2] 楊大明.煤礦井下緊急避險系統建設中的重要問題研究[J].中國煤炭,2011(11)

[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(5)

[4] 周方年.升溫期煤礦避難硐室內環境溫度變化規律研究[J].礦業安全與環保,2014(3)[5] 郭莉華,徐國鑫,何新星.密閉環境中人體代謝微量污染物的釋放行為研究[J].載人航天,2013(1)

[6] 張祖敬,王克全.礦井避難硐室環境有害氣體濃度控制技術[J].煤炭科學技術,2015(3)

[7] Bauer E.R., Kohler J.L.. Update on refuge alternatives: research, recommendations and underground deployment[J]. Mining Engineering, 2009(12)

[8] 葛亮.多功能組合式緊急避險系統用氣體凈化裝置的研制[J].煤炭技術,2014(5)

[9] 伯志革.緊急避險系統氣體凈化裝置的研制及性能分析[J].煤炭科學技術,2014(7)

[10] 陳于金.空氣凈化制冷一體機的研制[J].煤礦機械,2014(3)

[11] 陳于金,許凱.避難硐室氣體凈化理論分析與試驗研究[J].礦業安全與環保,2014(3)

[12] 何廷梅.煤礦避難硐室空氣凈化裝置布局研究[J].礦業安全與環保,2014(6)

(責任編輯 張艷華)

Numerical simulation research on the layout of purification devices in mine refuge chamber

Deng Yuanyuan1, Zhang Zujing2,3，Yuan Yanping2

(1. Sichuan Vocationaland Technical College of Communications, Chengdu, Sichuan 611030, China;2. Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610312, China;3. China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Jiulongpo, Chongqing 400700, China)

In order to explore a reasonable configuration and layout of purification devices in mine refuge chamber, the influence of air purification devices layout in long tunnel and corner-shaped chambers on air flow field and CO2concentration distribution was studied by using FLUENT software. The results showed that, for 50-person refuge chambers, with only 1 set of purification devices, the CO2concentrations could be controlled under 0.9% and the concentration difference was 0.5%; with two sets of purification devices, the CO2concentration ranged from 0.4% to 0.7%, CO2concentration difference was 0.3%. For the long tunnel refuge chamber, the purification devices should be distributed in both ends of the chamber; for corner-shaped refuge chamber, the cleaning device should be distributed in the middle of the wings which close to the wall surface. Using 3 purification devices, the indoor CO2concentration was controlled in the range of 0.3%～0.5%, the maximum CO2concentration difference was 0.2%.

long-tunnel refuge chamber, corner-shaped refuge chamber, purification device, CO2concentration, air flow field

鄧元媛，張祖敬等.礦井避難硐室凈化裝置布局數值模擬研究[J].中國煤炭，2017,43(7)：126-130，138. Deng Yuanyuan, Zhang Zujing，Yuan Yanping. Numerical simulation research on the layout of purification devices in mine refuge chamber [J]. China Coal, 2017，43(7):126-130，138.

TD774

A

鄧元媛(1981-)，女，四川達州人，本科學歷，副教授，主要從事建筑節能與通風研究方面的工作。