大氣壓力變化對鎖風啟封火區氣體積聚的影響規律

2019-09-27 06:26:34黎經雷牛會永李石林

煤礦安全 2019年9期

黎經雷，牛會永，魯義，李石林，趙蕾

（1.湖南科技大學能源與安全工程學院，湖南湘潭411201；2.湖南科技大學煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南湘潭411201）

礦井火災治理過程中，火區在封閉一段時間后，對于非永久性封閉的火區來說，在火區內部環境滿足規定的條件下，方可對其采取啟封措施。然而，由于復雜的火災因素和環境因素，工作人員在對火區條件的判斷上易產生誤判，在這種情況下啟封火區易造成火區復燃，甚至有瓦斯爆炸的危險。孫若山[1]等人在分析礦井火區啟封安全性的基礎上，提出了在火區治理過程中的氣體信息采集準則16 項和火區燃燒狀態判斷準則12 項。許滿貴[2]等人在對高瓦斯礦井象上礦280 總回風巷進行鎖風偵查的基礎上，應用鎖風啟封法將該火區安全啟封，并提出火區偵查、鎖風偵查、縮小火區對于高瓦斯礦井火區的啟封是非常有效的。楊小強[3]等人通過自主研發的實驗系統研究了煤在多種條件下火區的復燃性及氣體產物的生成規律，得出煤體溫在250～260℃，即使火區內存在較高濃度的可燃性氣體，啟封過程中供氧也不會發生復燃。由此看出，火區啟封前對火區內部及周圍環境的分析極其重要。火區啟封過程中受自然因素的影響較大，大氣壓力變化會造成防火墻內外產生壓力差，引起火區內有毒氣體流出或新鮮空氣漏入，這對于火區啟封的安全性是不利的。為此，通過對火區內外壓力間相互關系的理論分析，運用數值模擬方法對火區鎖風啟封過程中火區內氣體分布規律進行研究，分析大氣壓力變化對火區鎖風啟封的影響，以便為火區啟封時減少有毒氣體流出及火區復燃的可能性提供理論依據，從而提高火區啟封的安全性。

1 大氣壓力變化對火區內氣體運移作用機理

礦井下的壓力變化受多種因素的影響，例如風門開與關、風機轉速、礦車的移動等等[4]。相關文獻顯示，礦井下通風壓力的變化與地表大氣壓力密切相關。地表大氣壓力的急劇升高與下降，將會引起新鮮空氣滲入火區或區內氣體流出，即“呼吸作用”。這對于控制火勢的封閉火區來說是不利的。因此，研究大氣壓力對火區內氣體運移的影響是有必要的。

礦井火區封閉后，火區內氣壓基本不受機械風壓的影響，此時區的氣壓內主要受火風壓的影響。火區內氣體的變化滿足理想氣體狀態方程：

式中：pa為火區氣體壓力，Pa；Va為火區氣體體積，m3；pb為火區外氣體壓力，Pa；Vb為火區外氣體體積，m3；T 為理想氣體熱力學溫度，K；Ta為火區溫度，K。

《煤礦安全規程》第248 條對于火區啟封前溫度的規定[5]：“火區內空氣溫度下降到與火災發生前該區的日常空氣溫度相同”，這里可認為Ta=T；則因火區外壓力變化引起火區內氣體變化的狀態方程為：

對時間t 求導得：

由上述假設的條件知火區內氣體體積Va與時間t 的變化率就是火區內氣體的涌出量Qa，即：

從式（5）可知，火區氣體涌出量Qa與火區外壓力的變化率有關。當地表大氣壓力下降時，火區外壓力也下降，火區外壓力的變化率為負值，從而火區氣體涌出量Qa為正值，即火區氣體向外涌出。當地表大氣壓力上升時，火區外壓力的變化率為正值，火區氣體涌出量Qa為負值，火區內無氣體涌出。

大氣壓力與封閉火區氣體關系圖如圖1。礦井內火區封閉后，基本隔絕了機械通風動力，但并不能完全停止火區內的空氣流動。這時封閉區內的熱風壓起主導作用[6-7]，帶動區內空氣緩慢而絮亂流動，流動狀態很大程度上取決于封閉區范圍、巷道結構、標高差、著火帶溫度等因素。當大氣壓力上升時，若防火墻密閉性不夠，新鮮空氣將漏入火區內而增大區內的氧含量，為由熱風壓主導作用的風流提供氧量，這種風流繼續流向著火帶并形成熾熱煙流，熾熱風流再次進入火源則可能引發爆炸。當地表大氣壓力下降時，封閉區內的有毒有害氣體可能流出，易引起人員中毒。

圖1 大氣壓力與封閉火區氣體關系圖

2 數值模擬

2.1 動力學控制方程

1）質量守恒方程。封閉區內的氣體流動滿足質量守恒定律，即單位時間內流入流體微元體中的凈質量等于同時刻該微元體中質量的增量。根據這一定律，可得出質量守恒方程：

式中：p0為靜壓，Pa；v 為速度矢量，m/s；p 為流體微元體上的壓力，Pa；g 為作用于微元體上的體積力，N；F 為外部體積力，N；τ 為黏性應力張量。

2）動量守恒定律。封閉區內的流動系統也滿足動量守恒定律，即微元體中流體動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上各力之和，也就是牛頓第二定律，可表示為：

式中：ui為在i 方向上的分子黏度系數；uj為在j 方向上的分子黏度系數；p0為靜壓，Pa；τij為應力張量；gi和Fi分別為i 方向上的重力體積力和外部體積力，N。

3）能量守恒定律。煤礦火區氣體流動過程中的熱交換系統也必須滿足能量守恒定律，即流體微元體中能量的增率等于流入該微元體的凈熱流量與微元體受體積力和表面力所做功之和，也是熱力學第一定律，可表述為：

式中：cp為混合氣體的比熱容，J/（kg·K）；T 為溫度，K；k 為流體的傳熱系數，W/（m2·K）；ST為黏性耗散項；v 為速度失量，m/s。

2.2 物理模型與參數

2.2.1 物理模型

鎖風啟封火區法適用于發火面積大，難以判斷區內火源是否完全熄滅的情況。其步驟就是在原防火墻外建立1 個臨時的風門，待工作人員進入防火墻觀察火區情況后再將原防火墻清除，由外到內向火源位置逐段移動防火墻的位置，最后在火區封閉的狀態下進入著火帶，實現全部啟封。忽略建立臨時風門的步驟，研究防火墻逐漸向火源推進的過程。

依據唐山礦T1493 巷道尺寸建立物理模型（圖2），火區長100 m，橫截面為4 m×2.2 m 的圓弧形墻體，火源簡化為R=1 m 的半球面且位于巷道中心位置,火源中心點坐標為（0 ，0 ，0）。新鮮空氣從左側防火墻漏入火區，右側防火墻設為自由出流口（Outflow），頂板和兩幫不斷有瓦斯滲入火區。將火區內原有氧氣的濃度設為2%。

圖2 火區物理模型

2.2.2 參數設置

根據唐山礦T1493 實測數據[8]，即對大氣壓力值與瓦斯濃度值的實測。整理所得的大氣壓力與瓦斯濃度變化對比見表1。

表1 大氣壓力與瓦斯濃度對比表

假設火區啟封時段在9：00—13：00，由表1 數據對模擬基本參數進行設置，邊界條件見表2。

表2 邊界條件

3 結果分析

在鎖風啟封火區時，工作人員在進入封閉區域內后便開始監測封閉區內氣體狀態（有無爆炸性）并判斷是否能進行下一步的啟封工作。啟封過程中封閉區內的溫度基本不變，可視為等溫過程。

3.1 鎖風啟封前火區狀態分析

啟封前封閉火區中心縱截面氧氣分布圖如圖3。左側進風端氧濃度最高，順著風流的方向氧濃度逐漸減低。由于新鮮空氣的漏入和火風壓的作用，著火帶附近的氧濃度在3%～5%之間。正常通風狀態下，巷道內的氣流流動方向由左自右，頂板和兩幫的瓦斯流動方向除了垂直于頂板向外涌出外，還會順著風流向右移動[9]。火區縱截面上的瓦斯體積分數呈較規則的分層分布（圖4），瓦斯氣體主要積聚在火源附近且靠近出風口一側的瓦斯濃度較大，下風側瓦斯濃度在0.7%以上。瓦斯體積分數由頂板向底板逐漸降低，因為瓦斯除了垂直于頂板和兩幫向外涌出外，同時也受到新鮮風流的稀釋作用。

圖3 啟封前封閉火區中心縱截面氧氣分布圖

圖4 啟封前封閉火區中心縱截面瓦斯分布圖

在此狀態下啟封火區時，由于封閉區域內基本不受機械風壓的影響，這時封閉區內的氣體流動很大程度受大氣壓力變化的影響[10]。大氣壓力壓力上升時預示著更多新鮮空氣可能漏入火區，下降時預示著封閉區內的有毒有害氣體可能流出[11]。封閉區域內的氣體無爆炸性，可繼續進行啟封工作。

3.2 全部啟封火區后的計算結果分析

對封閉火區實施全部啟封，即把巷道物理模型由左至右減少40 m 后進行計算。新鮮風流逐漸充滿整個巷道，全部啟封火區后中心縱截面氧氣分布圖如圖5。順著風流方向氧濃度逐漸降低，下風側及頂板處的氧濃度相對較低。這是因為原封閉區域內即使火源已熄滅，但下風側還是存在一定程度的節流效應從而短暫地抑制新鮮風流的流動，隨著通風時間的增加巷道內的氧氣分布也會和火災前巷道內的情況大體一致。巷道內的瓦斯主要積聚在下風側且濃度相對較低，全部啟封火區后中心縱截面瓦斯分布圖如圖6。瓦斯的分布順著風流流動方向分層分布，下風側瓦斯濃度在0.1%～0.48%之間。這是由于巷道內新鮮風流的突然涌入，帶著啟封前封閉區域內的瓦斯向下風側流動，新鮮風流在流動的同時也大幅度地稀釋了瓦斯氣體的濃度[12-14]。