基于FDS 的礦井巷道火災煙氣致災的數值模擬

沈云鴿，王德明

（中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116）

礦井火災作為礦井的五大災害之一，造成的事故后果是嚴重的。礦井火災發生后產生的有毒有害氣體不僅威脅了火源附近礦工的生命安全，而且高溫煙氣還會在井下迅速蔓延，破壞巷道作業設施，將有害氣體和高溫熱流傳播到其它區域，擴大礦井受災范圍[1-2]。通過研究火災時期巷道風速和火源功率變化，能掌握災變時期不同風速對礦井煙氣蔓延速度和距離以及溫度分布變化情況，對于井下人員逃生及現場救援具有現實意義。

眾多學者從多個角度對礦井火災進行了數值模擬[3-8]。Oka 和Atkinson 建立了一系列比例模型隧道研究火災時期不同火源功率下的臨界速度[9]。美國礦山安全健康局通過搭建實驗臺研究風速對運輸巷火災的影響[10]。周福寶等通過數值模擬研究了礦井火災中的煙流滾退距離，得到了煙流滾退距離與礦井風速和火源熱釋放速率的關系[11]。齊慶杰等研究了不同火源和風速下，運輸巷發生火災時帶式輸送機平均燃燒速率和火源區巷道溫度分布情況[12]。蘇墨等基于山西省申家莊煤礦模擬研究了運輸巷發生火災時礦井巷道煙氣溫度、濃度和能見度變化情況[13]。上述研究都是針對礦井火災的固定可燃物或某一參數研究的，鮮少有人研究火災發展期間不同風速和火源功率下煙氣致災的影響。鑒于此，通過數值模擬研究“L”型巷道火災,綜合考慮水平巷道和豎直巷道中不同風速和火源功率下煙氣致災的影響，其中包括礦井火災發展的煙氣蔓延時間和距離、全巷火災期溫度變化情況，均可為火災時期巷道人員逃生提供依據。

1 數值模擬理論與模型

1.1 FDS 基本理論

FDS 是一款應用于火災研究領域的場模擬軟件，主要通過數值方法計算低馬赫數下熱驅流動的N-S 方程，并將計算結果進行可視化處理[14-15]。其計算求解過程主要包括連續性方程、能量守恒方程、動量守恒方程及組分守恒方程等，具體方程如下：

連續性方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

組分方程：

式中：ρ 為密度，kg/m3為速度矢量，m/s；▽為哈密頓算子；為作用于流體上外力矢量，kg（/s2·m）；t為時間，s；h 為比焓，kJ；τ 為黏性力張量，kg（/s2·m)；p為壓力，Pa；ω 為渦度，s-1；g 為重力加速度，m/s2；為熱輻射通量，kW/m2；T 為溫度，K；k 為導熱系數，W（/m2·K）；i 為第i 種組分；Yi為第i 種組分的質量分數；Di為第 i 種組分的擴散系數為第i種組分的質量產生速率，kg/（s·m3）；hi為第i 種組分的比焓，kJ。

1.2 模型建立

在此選擇兼顧水平巷道與豎直巷道的“L”型巷道。主要有2 點考慮：一是由于模擬“L”型巷道火災符合實際礦井巷道火災現狀，然鮮少有人研究；二是由于火災發生后在直角彎巷道中重力、風流和火源熱效應的綜合作用更復雜，通過模擬能直觀看出煙氣分布規律。其中水平巷道尺寸140 m×4 m×4 m，豎直巷道尺寸4 m×4 m×100 m。一系列的測點設置在1.6 m 高度；火源位置在中部偏右，考慮到巷道可燃物主要是帶式輸送機和木材等材料，根據礦井火災火源燃燒特性實驗[5]中火源熱釋放速率，確定火源功率大小為 1.92 MW 和 2.7 MW；環境溫度為 20 ℃，總模擬時間為 600 s。風速選擇 0.25、1.05、1.65、2.1 m/s。巷道模型平面圖如圖1。

在FDS 中，網格尺寸的選擇決定了模擬結果的精確性和穩定程度。有研究表明當網格尺寸是0.1D*和0.2D*（D*為火源特征直徑）時能較好的反應模擬結果，由于設定的火源熱釋放速率是1.92 MW 和2.7 MW，火源特征直徑D*計算公式[15]算出合適的火源特征直徑是 1.246 m 和 1.428 m，考慮到模擬時間和計算機性能，最終選擇0.2D*的網格尺寸，將網格尺寸設置為 0.2 m×0.2 m×0.2 m。

2 模擬結果分析

2.1 煙氣蔓延分析

礦井火災時期煙氣中含有微小顆粒，直接影響巷道能見度，妨礙人員逃生。火災時期風速對煙氣蔓延時礦井能見度有較大影響，在此選取t=100 s和t=450 s 觀察煙氣蔓延。t=100 s 時巷道煙氣蔓延如圖2。

圖1 巷道平面圖Fig.1 Roadway model

圖2 Q= 1.92 MW, t= 100 s 時巷道煙氣蔓延情況Fig.2 Smoke spread process in the roadway with Q= 1.92 MW and t= 100 s

由圖2 可以看出，不同風速下巷道內火源上游和下游煙氣蔓延差異較大。由圖2 還可以看出，當火源功率Q=1.92 MW，風速v=0.25 m/s 時，煙氣在風流的作用下被斜吹到頂板且迅速在火源下游蔓延，火源上游有短距離煙氣逆退，隨著風速變大火源下游煙氣蔓延速度變快,巷道能見度迅速降低；火源上游煙氣逆流距離逐漸減小至v>1.62 m/s 時該現象消失。出現這種情況主要是因為火災發展前期，在火源下風側，火源熱效應壓力與機械通風壓力方向一致，煙氣在火源下游擴散速度快；火源上游火源熱效應壓力與機械風壓方向相反，減小煙流逆退距離。當風速提高后，機械通風壓力隨之提高，火源上游通風壓力克服了煙氣壓力造成煙流逆退現象消失。因此，在火災發展初期，提高風速能有效抑制火源上游煙流逆退。

t=450 s 時巷道內煙氣蔓延的情況如圖3。隨著火勢發展，火源下風側巷道充滿高溫煙氣，火源上游煙氣逆退隨風速變化有所不同。當v=0.25 m/s 時，煙氣逆流至巷道入口處，巷道能見度很低；當風速在1.05～2.1 m/s，煙氣層厚度和煙流逆退距離隨風速增大逐漸減小，v=2.1 m/s 時，煙氣停止逆退，上游能見度提高，主要是因為機械風壓逐漸克服了煙流壓力。

圖3 Q=1.92 MW,t=450 s 時巷道煙氣蔓延變化情況Fig.3 Smoke spread process in the roadway with Q=1.92 MW and t= 450 s

煙氣在 1.92 MW 和 2.7 MW 火源功率、4 種風速下蔓延到下游巷道盡頭的時間如圖4。

由圖4 可以看出，巷道下游煙氣擴散時間規律一致，隨著風速增大下游巷道煙氣擴散時間大幅減小，當v≥1.65 m/s 時，時間降幅減弱。煙氣擴散速度與風速正相關。且1.92 MW 火源功率下的煙氣擴散時間長于2.7 MW 火源功率下的擴散時間。在巷道下游，火災熱效應產生的壓力差為正值且機械風壓與煙氣擴散方向一致，當火源功率較大時，煙氣擴散速度加快。不同功率和風速下巷道上游煙氣擴散表現不同變化。

巷道上游煙氣逆流時間和距離隨風速變化關系如圖5。相同火源功率下，當v≥1.05 m/s 時，隨著風速增大煙氣逆流時間線性下降。火源功率大的煙氣逆流時間比功率小的煙氣逆流時間長，同時伴隨著煙氣逆流距離有所增加。當v=0.25 m/s 時，2 種火源功率下煙氣都逆退至進風節點，但2.7 MW 火源功率煙氣擴散時間比1.92 MW 功率下減少130 s。當風速較低時，火源功率越大，火災熱效應產生的壓力和風壓之間的壓力差越大，短時間煙流逆退距離越大；當風速提高，機械風壓變強煙氣逆流阻力增強，煙流逆退距離減小甚至該現象消失。

圖4 巷道下游煙氣擴散時間規律Fig.4 Time law of smoke spread in the downstream of the roadway

圖5 巷道上游煙氣逆流時間與距離隨風速變化關系Fig.5 Relationship between smoke blakflow time and distance with wind speed in the upstream roadway

2.2 溫度分布分析

巷道發生火災時，煙氣中攜帶大量熱量灼傷人員身體器官，破壞人體體溫調節機制，危害人員生命安全。因此有必要研究巷道火災時期溫度變化情況。整條巷道間隔10 m 布置1 個熱電偶；以火源中心間隔2 m 和2.5 m 向兩側布置5 個熱電偶；水平巷道和豎直巷道相接處間隔2 m 布置熱電偶，共計27 個熱電偶監測火災時期巷道溫度變化。不同風速下巷道最高溫度變化如圖6。在2 種火源功率下，巷道溫度分布曲線趨勢一致，都是自火區向巷道兩側衰減，巷道最高溫度出現在火區下游5 m 以內；不同的是，當Q=2.7 MW、v=0.25 m/s 時，巷道最高溫度在火源中心處。相同火源功率下，巷道火區的高溫隨著與火源距離的增大大幅下降，到巷道下游段降溫趨勢變慢。相同風速下，火源功率大的巷道中溫度分布總體高于火源功率低的巷道溫度，主要表現在巷道火區段和巷道下游。對比分析1.92 MW 和2.7 MW 功率巷道溫度分布，4 種風速下巷道上游溫升率25%從降到0，而巷道平均溫升率分別為42.3%、13.2%、13.9%和18.8%。

圖6 4 種風速下巷道最高溫度變化Fig.6 Maximum temperature change of roadway under 4 kinds of wind speed

4 種風速下1.92 MW 功率和2.7 MW 功率下的不同巷道火區段的均溫升率變化圖如圖7。其中隨著風速增加，火源中心上游的溫升率迅速降低；火區段和下游段趨勢一致，都是隨著風速增大到1.05 m/s 溫升率下降而當風速增加到2.1 m/s 時溫升率上升。火區段的溫升比例從64.45%降到8.6%又升高到25.5%，火區下游段的溫升比例從14.1%降到13.5%最后升高穩定在17%左右。由此可以看出，當火源功率增大后，增加風速影響在一定程度上能降低巷道溫度，當風速提高到一定程度，其影響因素變弱。

圖7 巷道不同區段均溫升率變化規律Fig.7 Change law of temperature rise rate in different sections of roadway

3 結 論

1）在相同的風速下，巷道下游煙氣擴散速度和火源功率正相關。火源功率越大，煙氣擴散速度越快，但隨著風速增加到一定程度，煙氣擴散速度趨緩，正相關趨勢變弱。

2）當風速提高到低于臨界風速時，相同風速下巷道上游煙氣逆退時間和距離與火源功率直接相關。火源功率大的煙氣逆流時間和距離大于火源功率小的。

3）1.92 MW 和 2.7 MW 火源功率下的溫度分布趨勢一致，巷道最高溫在火源下游5 m 內，巷道高溫區隨著與火源中心距離增大降幅大。