基于Pyrosim的風速對礦井火災蔓延規律影響研究

田水承 竇培謙 張成鎮，3

（1.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西西安710054；2.中國勞動關系學院安全工程系，北京100048；3.長江航運公安局九江分局，江西九江332000）

礦井火災是礦井五大災害之一［1］。據統計礦井 火災主要是由于運輸皮帶和機電設備著火導致的［2］，礦井火災不僅會使設備設施燒毀，而且可能會引發次生災害；另一方面，礦井巷道狹窄且相對封閉，一旦發生火災，煙氣及溫度蔓延迅速，瞬間會惡化井下工作環境，引發井下礦工恐慌，甚至導致窒息事故。目前，對于礦井火災的研究主要包括火災原因分析［3］、風險評價［4］等，仿真模擬及實驗研究較為缺少。張辛亥［5］采用火災動力學軟件（FDS）研究頂棚煙道對巷道火災煙氣流動的影響；李宗翔［6］采用實驗和TF1M3D仿真平臺對下行風流火災煙氣蔓延規律進行研究，通過綜述發現以往礦井火災仿真研究中火源的反應類型設置較為簡單，很難反應真實的火災情況。為此，本項目采用Pyrosim火災仿真模擬軟件構建礦井巷道模型，根據實際情況設置火源及反應類型，設置不同風速工況條件，以研究礦井在不同風速下火災煙霧及溫度的蔓延規律。

1 模型構建

1.1 礦井巷道火災模型建立

構建一個水平的礦井巷道模型，其總體框架是50 m×3 m×3 m的礦井巷道，如圖1所示，模型的左下角為模型的原點（0，0，0），模型內置材料有煤炭、石頭、泡棉、松木。模型中設置有監測火災蔓延的探測器如溫度探測器、煙霧濃度探測器等，溫度探測器設有6個，設置的具體位置坐標為（5，1.5，1.6）、（10，1.5，1.6）、（15，1.5，1.6）、（25，1.5，1.6）、（35，1.5，1.6）、（45，1.5，1.6），煙霧濃度探測器也設有6個，且設置位置與溫度探測器相同。將探測器設置在高為1.6 m處，是因為在火災時人員疏散逃生口鼻處的高度都接近于1.6 m［7］；同時，為更加直觀觀測火災隨時間的蔓延情況在模型中Y=1.5 m及Z=1.6 m平面都分別設置溫度切片和煙霧濃度切片；此外，在模型X=0 m及X=50 m兩平面分別設置通風口。

1.2 網格劃分與火源設置

礦井巷道模型單元網格大小為0.25 m×0.25 m×0.25 m，共28 800個網格。1 m×1 m火源中心設置在（5，1.5，1）處的松木基座上，考慮到礦井外因火災大多是由于運輸皮帶和機電設備著火導致故火源的反應類型為聚氨酯燃燒反應［8］。礦井火災發展過程屬于t2火模型［9］，該模型公式為Q=αt2，其中Q為熱釋放速率，kW；α為增長系數，kW/s2；t為時間，s。根據t2火模型等級劃分，礦井外因火災屬于中速，α取值為 0.011 27 kW/s2［10］；根據典型火災場所的最大熱釋放速率，礦井外因火災的最大熱釋放速率為1 500 kW，依據t2火模型公式，合院式古建筑火災360 s左右可達到最大熱釋放速率，火源熱釋放速率隨時間的變化如圖2所示。數值模擬時間為1 000 s，環境初始溫度為20 ℃，分別設置0.5 m/s、1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s 6種不同風速的工況分別進行礦井巷道數值模擬，如圖3所示。

2 礦井火災溫度蔓延規律

數值模擬結束后，對各工況下數值模擬出來的數據進行分析處理，其中各工況下各監測點溫度隨時間的變化情況如圖3所示。由圖3可知，火災發生后各監測點的溫度在火源未達到最大熱釋放速率前呈二次函數升高，在火源熱釋放速率達到最大值后各監測點溫度緩慢升高直至穩定。0.5 m/s、1 m/s、4 m/s和5 m/s工況下各監測點穩定溫度隨監測點距離火源距離的增大而減低，但2 m/s和3 m/s工況下各監測點穩定溫度不是隨監測點距離火源距離的增大而減低，2 m/s工況下10 m處監測點穩定溫度低于20 m處監測點穩定溫度，3 m/s工況下20 m處監測點穩定溫度最低，且40 m處監測點穩定溫度高于30 m處監測點穩定溫度。

進一步分析2 m/s和3 m/s工況下各監測點穩定溫度不隨監測點距離火源距離的增大而減低的原因，將各監測點數值模擬數據穩定溫度階段中900～1 000 s的溫度數據取平均值進行分析，如圖4所示。發現各監測點穩定溫度隨風速呈波動變化，隨風速的增加穩定溫度都具有先升后降再升的趨勢，且趨勢隨著距離的增加而減弱；通過縱向比較各監測點穩定溫度的變化，也存在一定的規律，各監測點穩定溫度隨風速增加而降低的最低點會隨著距離的增加而增大，如5 m處最低點為風速2 m/s，10 m和20 m處最低點為風速3 m/s左右，30 m處最低點為風速4 m/s，40 m處最低點為風速5 m/s。

更進一步分析2 m/s和3 m/s工況下各監測點穩定溫度不隨監測點距火源距離的增大而減低的原因，所以將各工況下數值模擬數據穩定溫度階段中900～1 000 s的溫度數據取平均值隨距離增大的變化進行分析，如圖5所示。發現在風速為0.5 m/s、1 m/s、4 m/s和5 m/s工況下各監測點穩定溫度隨監測點距離火源距離的增大而減低，而2 m/s風速下各監測點穩定溫度隨監測點距離火源距離的增大呈波動變化，3 m/s風速下各監測點穩定溫度隨監測點距離火源距離的增大先快速降低后緩慢升高至穩定，通過比較發現3 m/s工況下利于礦井人員逃生，穩定溫度隨距離火源距離的增大快速下降，下降后的溫度在人的承受極限內，故最利于井下人員疏散逃生，相比4 m/s和5 m/s的風速更加經濟。

為歸納出各工況下穩定溫度隨距離的變化規律，本文對圖5中各工況下監測點穩定溫度隨距離的變化曲線進行擬合，0.5 m/s時擬合曲線函數為T=144.03d-0.177，相關性系數R2=0.99；1 m/s時擬合曲線函數為T=212.11d-0.296，相關性系數 R2=0.99；4 m/s時擬合曲線函數為T=190.24 d-0.44，相關性系數R2=0.97；5 m/s時擬合曲線函數為T=156.42 d-0.373，相關性系數R2=0.97。各曲線呈冪函數分布，且擬合曲線的相關性系數R2都大于0.95，具有顯著的相關性，而2 m/s和3 m/s風速下溫度波動大擬合出的冪函數相關性系數為0.5左右，故在此不與討論。將以上4種工況下擬合的冪函數（T=ad-b）系數進行進一步的擬合，其系數a擬合曲線如圖6所示，擬合函數為a=-14.738v2+78.29v+125.86；系數b擬合曲線如圖7所示，擬合函數為b=-0.034 8v2+0.230 7v+0.083 2。故構建出的各工況下穩定溫度與風速、距離的函數公式為

溫度切片可以更加直觀地觀察溫度在平面的分布情況，如圖8、圖9所示，為Tecplot軟件處理后各工況下Z=1.6 m平面和Y=1.5 m平面在950 s時溫度的分布情況。由圖8可知，在Y=1.5 m平面上隨著風速的增加豎直平面內距離火源相同距離的穩定溫度越低。

由圖9可知，在Z=1.6 m平面上隨著風速的增加水平平面內的穩定溫度越低，且3 m/s風速下的穩定溫度巷道兩側溫度較巷道中間溫度高，有利于井下人員逃生，這與數據分析的結果相吻合。

3 礦井火災煙霧蔓延規律

為探究各工況下數值模擬煙霧的蔓延規律，數值模擬結束后，對各工況下數值模擬出來的數據進行分析處理，其中各工況下各監測點煙霧濃度隨時間的變化情況如圖10所示。由圖10可知，在火災熱釋放速率達到最大值時，各工況下各監測點煙霧濃度都開始處于穩定，故圖10中只畫出500 s內的煙霧濃度變化情況。對于5 m處監測點其煙霧濃度上升迅速，各工況下的穩定煙霧濃度都能接近達到100%；10 m處監測點其煙霧濃度上升也較為迅速，除3 m/s風速下穩定煙霧濃度達到80%，其他工況下的穩定煙霧濃度都能接近達到100%；20 m、30 m和40 m處監測點其煙霧濃度較前2監測點處上升較為緩慢，各監測點穩定煙霧濃度隨著風速的增大而降低，而3 m/s、4 m/s和5 m/s工況下的穩定煙霧濃度變化不大，都分布在60%～80%內，所以3 m/s風速最有利于礦井人員的逃生，且相對4 m/s和5 m/s更加經濟。

為更加直觀觀察模型內橫豎平面內能見度隨時間的變化情況，在此，選取2 m/s風速下的能見度切片進行觀察，如圖11、圖12所示，為Tecplot軟件處理后各時刻Y=1.5 m平面和Z=1.6 m平面在2 m/s風速下的能見度情況。Y=1.5 m豎直平面300 s內各時刻下能見度，由圖11可知，相同位置隨時間的增加能見度越來越低，能見度由30 m逐漸降到1 m以內，200 s左右高1.6 m處的能見度就已經降到了4 m以內。

圖12為Z=1.6 m水平平面200 s內各時刻下的能見度情況。由圖可知，相同位置隨時間的增加能見度也越來越低，高1.6 m平面在50 s時平面內的能見度都在28 m左右，在100 s時該平面內大部分的能見度大致在15～20 m左右，在150 s時該平面內大部分的能見度大致在5～10 m左右，在200 s時該平面內大部分的能見度大致在4 m左右，這與豎直平面觀察的結果相吻合。

4 結論

（1）火源及反應類型的設置能很好地反應真實的礦井外因火災。火源設置為t2火，火災系數α取值為0.011 27 kW/s2，最大熱釋放速率為1 500 kW，反應類型設置為聚氨酯燃燒反應。以上設置都較好地符合礦井外因火災的特性，從而保證了數值模擬結果能夠反映礦井外因火災的真實情況。

（2）3 m/s風速最利于礦井下火災人員逃生，且最為經濟。對數值模擬結果溫度的數據及切片分析，發現3 m/s風速下各監測點穩定溫度隨監測點距離火源距離的增大先快速降低后緩慢升高至穩定，溫度的下降速度較其他工況下快，穩定溫度巷道兩側溫度較巷道中間溫度高，且穩定溫度與4 m/s和5 m/s工況下的穩定溫度相近都在人的承受極限內；對數值模擬結果煙霧濃度的數據分析，發現3 m/s風速下穩定煙霧濃度相比于其他工況的穩定煙霧濃度低，且最經濟；故通過2種方式都證明了3 m/s風速最利于礦井下火災人員逃生，且最為經濟。

（3）得出礦井火災穩定溫度函數公式，其與火源距離呈冪函數關系，且系數與風速呈二次函數關系。對各工況下監測點穩定溫度隨距離的變化曲線進行擬合，發現各曲線呈冪函數分布，且0.5 m/s、1 m/s、4 m/s和5 m/s風速下擬合曲線的相關性系數R2都大于0.95，具有顯著的相關性。于是對擬合出的冪函數系數進行深入分析發生其系數呈二次函數分布，故得出礦井火災穩定溫度與火源距離和風速間的函數公式。