采掘面火災對井下通風的影響研究

王文軒

（西南科技大學 環境與資源學院，四川 綿陽621000）

1 概述

采煤工作面及其進回風巷極易發生火災，初期影響采掘工作面安全生產，燒毀設備，損壞井下通風設施等，而且發生火災后易引起瓦斯煤塵爆炸。隨著礦井采掘深度的增加，瓦斯災害也越來越嚴重，為了防止因瓦斯積聚而引起的瓦斯爆炸和瓦斯突出事故的發生，就需要對礦井巷道的瓦斯分布進行準確預測，但由于瓦斯分布又受到巷道風流流場的影響，因此，需要對風流流場進行分析和計算。目前對于采掘面火災的研究[1-2]，20世紀80 年代中期許多研究機構和研究人員先后用數值模擬方法研究了礦井火災時期煙流流動規律。中國礦業大學于1992年增加了對風門方向判斷的程序以及增編了二維非穩態流動模擬程序。利用考慮浮力影響的雙方程瑞流模型[3-4]，用SIMPLE半隱式算法計算了二維巷道溫度、壓力、風流速度的分布規律。

本文在前人對礦井火災研究基礎上應用流體力學、傳熱學、燃燒學的相關理論知識,適當簡化礦井物理模型，運用FDS流體力學軟件對典型的礦井火災場景采掘工作面進行數值模擬計算，FDS 即Fire Dynamics Simulator 火災動力學模擬工具，是一種由美國國家標準技術局開發的用于計算流體力學的模型，能模擬燃燒驅動流體流動。由于礦井火災井下特殊的地理環境以及通風網絡的復雜性，井下發生火災是煙流、風流、輻射換熱相結合的復雜過程[5]。運用FDS 模擬軟件對采掘工作面通風進行數值建模，研究采掘面發生火災后，井下火災對巷道通風所產生的影響，從而為井下火災的救援工作提供了相應的理論依據。

2 數值模型

2.1 基本守恒方程

FDS 以Navier-Stokes 方程為基礎[6]，它包括了質量、動量和能量的守恒。其表達式如下：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

理想氣體狀態方程：

氣體組分守恒方程：

以上五個方程具有非線性、耦合性、形式相同和封閉性的共同特性，它們共同構成了描述公路隧道火災高溫煙流發生發展特性的基本方程。

式中：ρ 為密度；u→為速度矢量，u→=（u，v，w）；T 為溫度；p 為壓強；f→包括重力和其它力，如噴淋系統水滴的拖拉力；τij為應力張量；q?為化學反應中單位體積的熱釋放速率；▽·q 代表了對流和輻射的影響；Φ 為耗散函數；h 為焓，

FDS 火災動力學模擬模型將溫度、壓力和密度區分為空間平均項和擾動項，溫度、壓力和密度的公式如下所示。

溫度：

壓力：

密度：

由上述公式及絕熱過程可得到空間平均項，包含空間平均壓力、空間平均溫度和空間平均密度，如下式所示：

空間平均壓力：

空間平均溫度：

空間平均密度：

溫度、壓力和速度的擾動項如下式所示：

由上述公式得到能量方程、動量方程和總壓力方程，如下所示。

能量方程：

動量方程：

總壓力方程：

綜上所述，FDS 的大渦模擬由上述式聯立組成方程組求解，即由能量方程、動量方程、總壓力方程、空間的平均溫度、密度與壓力方程式其同求解.得到所求計算空間的平均溫度、密度與壓力。

2.2 火災場景設置

采掘面巷道模型如圖1 所示。

圖1 采掘面巷道模型

上述建立的采掘面巷道模型是由兩條長×寬×高=50m×4m×4m 和一條長×寬高=100m×4m×4m。巷道內風速設置為0.3m/s；火源面積為1m×2m；水平巷道火源位置為（x1，x2；y1，y2；z1，z2）=（49，50，1.0，2.0，0，0），火源功率為180kW。

3 結果與分析

3.1 采掘面巷道的特點

根據《煤礦安全規程》，采掘工作面的進風流中，氧氣濃度不應低于20，二氧化碳濃度不宜超過0.5；采煤工作面和掘進中的煤巷風速應設置在0.25-4m/s 之間，本文巷道內風速設置為0.3m/s；生產礦井采掘工作面內的空氣溫度不得超過26℃。綜上可知，對采掘面通風進行數值模擬是必要的。

3.2 采掘面巷道火災對通風的影響

（1）在無火源設置的情況下：

圖2 采掘面速度矢量分布圖

圖2 為采掘面速度矢量分布圖，在無火源的采掘面巷道模型中，氣體隨時間的增大，逐漸趨于穩定的在巷道中流動。在Y=2 的巷道截面中，由于兩端是90°的轉角，氣流在轉角處速度發生巨大的變化，有大量的局部損失，速度矢量分布圖在轉角處為曲線。

在平直的巷道中，速度矢量分布圖呈相互平行的直線，速度的大小隨著時間的增大而增大。

（2）在設置火源的情況下：

圖3 有火源時采掘面巷道煙氣速度分布云圖

圖3 為有火源時上采掘面巷道的煙氣速度分布圖，分別取t=5s,t=50s,t=200s,t=900s 作為研究對象。取y=2m 時的截面以t=50s 的速度云圖為例，巷道截面速度分布也可以分為A 與B兩個區域。A 區速度從開始到結束時變化不大，在0.78～2.00m/s范圍內。

由上圖可明顯看到A 區分為兩層速度，由于火源上方氣體受到加熱作用，密度變小，在浮力的作用下向上方運動，并由上層氣流向前輸運，而下層的氣體則不斷補充至火源附近，從而造成了上層的速度值大大增加。B 區同理，從火源燃燒開始下層速度大于上次速度，這主要是因為上層受到巷道頂部煙氣射流的影響，并且煙氣射流在逆方向運動時逐漸沉降，對下層有擠壓作用，使下層出現節流效應，速度增大下層速度略微增加，在0.60-1.56m/s 范圍內。

圖4 有火源時采掘面煙氣分布

4 結論

結果表明，當火災發生時，巷道氣流的運動規律發生了改變，巷道速度分布可分為多個區域，采掘面巷道A 區速度從開始到結束時變化不大，在0.78～2.00m/s 范圍內。B 區速度略微有所增加，在0.60～1.56m/s 范圍內。采掘面巷道存在著節流效應和輕微的浮力效應，并且節流效應與浮力效應隨著熱釋放功率的增大而變得更加明顯。

5 展望

在進行FDS 數值模擬分析時，可以通過對物理模型進行局部網格加密處理以滿足研究需要，這樣既能夠得到相對精確的模擬結果又不會加重計算負擔。如可以在火源點附近、安全出口、排煙口等空間位置進行網格加密處理。

本文對火災的模擬研究中，主要依賴于火災的動態發展過程，缺少對實際數據的處理。同時在對比模擬研究中，模型庫的數量也較小。因此通過火災荷載調查、火災熱釋放速率的實驗測試，增加模型庫數量，優化模型，可以讓模擬結果更加準確，結論更有效。