不同火源位置對封閉火區氣體分布的影響規律

吳佳平 牛會永 魯義 李石林

(1.湖南科技大學資源環境與安全工程學院 湖南湘潭 411201；2.煤炭安全開采技術湖南省重點實驗室 湖南湘潭 411201)

0 引言

當煤礦火區發生事故時，如果火情非常嚴重無法快速撲滅，為了防止著火區域的擴大和人員的傷亡，通常采取封閉火區的方式進行處理[1]。許多學者對封閉火區內的氣體變化情況進行了研究。張九零等[2]研究了在封閉火區內，封閉順序、熱力作用以及外部壓力等因素對氣體運移的影響。鄧存寶等[3]通過對CO、O2在煤層和封閉墻之類的多孔介質中進行擴散的機理進行研究，對有效擴散系數的計算公式進行了推導，并根據公式對火區從封閉到啟封的時間進行計算。曹勝[4]通過實驗的方法，對封閉火區內氣體的變化規律進行了研究，優選出最適合指示出封閉火區熄滅情況的指標氣體。段玉龍等[5]研究了呼吸效應對礦井封閉火區氧濃度的影響。陸冬冬[6]通過對封閉火區及火災指標的分析，利用火災指標的值隨時間的變化趨勢及各種火災氣體成分在變化中的相互關系建立了新的封閉火區狀況評價體系。但均未對封閉火區火源位置對氣體運移的影響進行研究。本文針對火源在封閉火區中的不同位置，對甲烷、O2的分布規律進行研究，通過數值模擬來展示封閉火區中各種氣體的濃度分布，從而判斷出火區瓦斯爆炸危險性，為進風側防火墻位置的選取提供幫助。

1 封閉火區瓦斯爆炸危險性分析

瓦斯爆炸有3個基本條件：①瓦斯體積分數5%～16%；②引燃瓦斯的最低溫度在650～750 ℃；③O2的體積分數大于12%。

瓦斯實質上是指以甲烷為主的可燃氣體，其主要成分十分復雜，是一種無色無味的氣體。瓦斯的密度為0.716 kg/m3，比空氣密度小，所以瓦斯一般聚集在巷道上方。瓦斯雖然為無毒氣體，但含量較高時會導致人員窒息。封閉火區內，由于氣體無法流通，瓦斯便會在巷道內積聚，因此，一旦巷道內氧氣體積分數超過了12%，發生瓦斯爆炸的可能性就很大。

能夠引燃火源的最低溫度稱為引火溫度，鐵制工具撞擊和摩擦產生的火花或者礦井中出現明火，都有可能達到引燃瓦斯的最低溫度。在瓦斯濃度不同的情況下，所需的引火溫度也不同，但并不是瓦斯濃度越高，引火溫度就越高。根據資料顯示，在瓦斯爆炸的濃度范圍內，瓦斯最容易被點燃的體積分數為7%～8%。

封閉火區的環境對瓦斯爆炸的可能性也有較大的影響：①當火區內的火勢較大時，燃燒為富氧燃燒，由于燃燒產生火風壓，導致火源下風側煙流紊亂，煙流溫度高，對火區封閉更為不利，在封閉火區時導致瓦斯爆炸的危險性更高。②封閉火區往往并不是那么的“密閉”，一般都會存在漏風的現象，當漏風量增大時，進入火區內的新鮮風增多，氧氣體積分數下降到5%所需的時間延長，增加了瓦斯爆炸的危險性。

火區封閉后，由于新鮮風的涌入受到限制，火區內的氧氣濃度快速下降，而甲烷濃度有上升的趨勢，當兩種氣體皆符合爆炸條件且溫度夠高時，易發生瓦斯爆炸事故。而封閉順序不同，對封閉后火區內的氣體濃度和分布的影響也不同。當采用“先進后回”的封閉順序時，進風側封閉后，由于新鮮風無法進入，巷道內的火源還未熄滅，消耗氧氣的量較大，同時進入火區內的氣體大幅度減少使火區內的壓力迅速下降，造成火區內的瓦斯濃度升高；同時，新鮮風消失后火區內只存在火風壓的作用，易造成風紊亂從而引起瓦斯爆炸事故。當采用“先回后進”的封閉順序時，機械風壓并不會立即消失，但由于回風側已經封閉，火區內的壓力開始緩慢增加，可以減少煤巖層中瓦斯的滲出，封閉完成后，由于機械風壓突然消失，瓦斯又開始滲出，并且此時火區內的氧氣濃度仍處于較高的水平，極易引發瓦斯爆炸，因此在礦井救災中一般不選用此方法。當采用“進回同時”的封閉方法時，瓦斯濃度較封閉前略高，氧氣濃度顯著降低，這種方法所需的救災時間最短，且火區封閉后，火區內的瓦斯通過通風孔漏出，火區內的瓦斯濃度降低，瓦斯爆炸的危險性下降，是礦井救災中最常用的方法[7]。

采取合適的封閉措施后，因封閉火區內火源位置不相同，封閉火區內危險狀態也不相同，且對后續滅火措施以及啟封影響較大，因此對封閉火區內不同火源位置情況下的氧氣和瓦斯濃度分布進行研究，并在此基礎上對封閉火區內的危險性進行分析，為實際情況下后續滅火措施和火區啟封增加安全性。

2 封閉火區模型的建立以及邊界條件

2.1 物理模型的建立

本文不考慮封閉火區內浮力效應的影響，因此選擇的巷道模型為水平巷道。如圖1所示火區為總長100 m，橫截面為4 m×2.2 m的拱形墻體，火源簡化為R=1的半球面，分別位于巷道中心以及距離中心左、右30 m處，具體坐標為左側(0，0，30)、中間(0，0，0)、右側(0，0，-30)，運用Geometry建立的巷道立體三維模型如圖1所示。

圖1 不同火源位置的巷道三維物理模型示意

本文所研究的巷道是一段連通型的巷道空間，對模型采用六面體主導的網格劃分方法，整個模型共劃分46 095個網格，劃分完成后的網格如圖2所示。

圖2 巷道模型網格劃分

2.2 邊界條件及初始條件的確定

入口條件設為壓力入口，壓力為20 Pa，入口物質是溫度為300 K、體積分數為21%的O2，壁面條件為絕熱無滑移壁面，壁面溫度為300 K，火源是位于巷道底部半徑為1 m的半圓球，表面釋放一定質量流的CO氣體，右側防火墻上的小孔設為壓力出口，頂板和兩幫不斷有瓦斯滲入火區，質量流率為8.9×10-8kg/(m3·s)。

進行數值模擬計算之前需要先進行初始化，給定流場的初始條件，O2體積分數21%，CH4、CO2、H2O均為0，溫度300 K。

2.3 封閉火區流場模型

礦井火災中的物理化學反應十分復雜，因此實現真實的火災模擬過程十分困難，對巷道內的復雜條件進行如下簡化：

(1)忽略封閉區域內高溫煙流與其他物質之間的化學反應；

(2)流體為均勻重力場體積內密度為定值的流動，即不可壓縮流；

(3) 巷道壁面采用無滑移的邊界條件，且巷道壁絕熱，與風流和高溫煙流不存在換熱；

(4)模擬過程中不考慮巷道內瓦斯向外涌出，即瓦斯不會沿密閉墻涌出。

由于頂板和兩幫內不斷有瓦斯滲入封閉區域，滲入封閉區內的瓦斯遇到足夠的氧氣和高溫會發生化學反應，本文忽略其復雜的反應機理，將CH4的燃燒簡化為以下簡單化學反應：

CH4+2O2=CO2+2H2O

2CO+O2=CO2

由上述簡化方程可知，封閉火區內的氣體組分主要包含CH4、O2、CO、CO2、N2和水蒸氣等，因此將模擬封閉火區的流場模型視為甲烷與空氣(methane-air)的混合燃燒模型。

3 不同火源位置對封閉火區內氣體分布的模擬結果及分析

3.1 左側火源位置巷道縱截面場分布

取巷道中心縱截面(yz平面，x=0 m)上的甲烷、氧氣的濃度分布云圖，見圖3、圖4。

圖3 左側火源位置甲烷濃度場分布

圖4 左側火源位置氧氣濃度場分布

如圖3所示，整個巷道內的甲烷濃度都比較低，但也呈現較規則的分層分布，由于甲烷密度小于空氣密度，所以甲烷較多地分布在巷道的上層，順著漏風風流方向，巷道內甲烷濃度越來越高，在距離巷道進風側防火墻最遠處的甲烷濃度最高，大約為0.42%；火源點附近的甲烷濃度相對較低，大約為0.17%～0.21%。

如圖4所示，防火墻漏風導致新鮮風流進入，漏風端的氧氣濃度最高，順著風流方向，氧氣濃度越來越低。由于火源點釋放一定質量流的CO，CO與O2反應，導致火源點附近的氧氣濃度下降。火源上風側的氧氣體積分數為15.4%～21%，火源點處的氧氣體積分數大約為14%，氧氣體積分數大于12%的區域長度大約為22 m。

3.2 中間火源位置巷道縱截面場分布

中間火源位置甲烷、氧氣濃度場分布云圖見圖5、圖6。

圖5 中間火源位置甲烷濃度場分布

圖6 中間火源位置氧氣濃度場分布

如圖5、圖6所示，和火源位置在左側時相比，火源位置在中間時，火區內甲烷、氧氣濃度在這兩種位置時差別不大，整體甲烷濃度還是比較低。甲烷多聚集于巷道的右上方，氧氣則多聚集于巷道的左下方。火源位置處的瓦斯體積分數為0.29%～0.34%，比火源位置在左側時高；氧氣體積分數為8.1%～9.9%，比火源位置在左側時低，火源處的氧氣濃度和甲烷濃度均未達到瓦斯爆炸標準，氧氣體積分數大于12%區域的巷道長度大約為32 m，比火源位置在左側時長。

3.3 右側火源位置巷道縱截面場分布

右側火源位置甲烷和氧氣濃度場分布云圖見圖7、圖8。

圖7 右側火源位置甲烷濃度場分布

圖8 右側火源位置氧氣濃度場分布

如圖7、圖8所示，當火源位置位于巷道右側時，火區內整體瓦斯濃度有略微的提升，最高瓦斯體積分數為0.45%，整體氧氣濃度有略微的下降，最低氧氣體積分數為1.49%，但整體變化幅度較小。封閉巷道內整體氧氣濃度偏低的范圍較大，火源位置處的甲烷體積分數為0.41%～0.45%，氧氣體積分數為3.4%～7.3%，未達到瓦斯爆炸標準，發生瓦斯爆炸的危險性較小。氧氣體積分數大于12%的區域長度大約為34 m。

對圖4、圖6、圖8進行對比可知，火源位置距離進風側防火墻的距離越遠，火區內氧氣體積分數高于12%的區域就越大，滿足瓦斯爆炸條件的區域也越大，越不利于后續火區的滅火和啟封。

4 結論

(1)火源在封閉火區內的不同位置會對火區內的氣體運移產生不同的影響。當火源位置在左側時，氧氣濃度達到瓦斯爆炸標準，瓦斯濃度未達到；火源位置在中間和右側時，氧氣濃度和瓦斯濃度均未達到爆炸標準。相對而言火源位置在左側時瓦斯爆炸危險性較高；但由于瓦斯濃度很小，3種位置情況下均不易發生瓦斯爆炸。

(2)火源位置距離進風側防火墻越近，火區內瓦斯濃度越低，瓦斯爆炸的危險性越低。

(3)火源位置距離進風側防火墻越近，防火墻漏風導致的高氧氣濃度(氧氣體積分數≥12%)區域越小，有利于控制著火帶，因此進風側防火墻應盡量靠近火源；但在實際情況中防火墻還需建立在兩側巖石堅硬、巷道規則的巷段內，所以防火墻的位置需根據實際情況確定。