丁 翠

(中國勞動關系學院 安全工程系，北京 100048)

0 引言

目前，我國礦山井下火災仍然時有發(fā)生。礦井火災發(fā)生時，巷道內(nèi)的風流由于受到加熱而發(fā)生狀態(tài)變化，火焰面的存在減小了巷道的有效通流面積，產(chǎn)生明顯的節(jié)流效應，使巷道內(nèi)的風流狀況發(fā)生改變；同時，由于礦井火災會產(chǎn)生大量煙氣，進一步改變了巷道內(nèi)的風流分布，此時礦井部分巷道內(nèi)的通風風量會產(chǎn)生較大變化，研究火災對巷道內(nèi)風流分布“特征環(huán)”和平均風速分布“關鍵環(huán)”的分布規(guī)律，對于準確評估火災時期通風巷道內(nèi)的通風量十分重要。

目前，對于礦井火災的研究已經(jīng)取得較多成果，但是主要集中在火災模型及煙氣運移規(guī)律等方面[1-6]，并且關于井下火災影響的研究更多是集中在對燃燒區(qū)熱阻力的分析上[7-8]，也有一部分研究集中在火災發(fā)生的機理及其防治方面[9-11]，而對于火災所引起的巷道內(nèi)風流分布的變化及紊流充分發(fā)展處的“特征環(huán)”和“關鍵環(huán)”分布規(guī)律卻少見文獻報道。本文采用數(shù)值模擬手段，研究水平巷道內(nèi)通風風速以及火災強度對巷道內(nèi)風流分布“特征環(huán)”和“關鍵環(huán)”分布規(guī)律的影響，并得出正常通風時期風流分布“關鍵環(huán)”特征方程在巷道火災時期的使用條件。

1 火災巷道物理數(shù)學模型及假設

1.1 火災巷道物理數(shù)學模型

按照井下實際巷道尺寸，建立三心拱巷道三維物理模型，如圖1所示。巷道長度為100 m，三心拱截面尺寸為：墻高2 m，寬4.6 m，拱高1.5 m?；馂募僭O發(fā)生在巷道的進風流處，即火源中心與巷道進風口的距離為30 m，并且設定火區(qū)長度為2 m，根據(jù)巷道頂板的限制以及文獻[12]所提供的公式進行計算，認為火焰的高度為3.5 m，并布滿整個三心拱巷道截面。

圖1 巷道模型Fig.1 The model of tunnel

采用標準k-ε方程以及氣體的輸運方程，計算巷道內(nèi)風流的湍流流動和擴散。水平巷道內(nèi)，火災過程連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、組分方程、k方程、ε方程如下：

1.2 邊界條件及假設

巷道入口采用速度進口邊界條件，巷道出口采用壓力出口邊界條件。CFD火災模擬計算過程中，采取了如下假設：巷道壁面與風流氣體沒有熱交換；巷道內(nèi)無工作人員、運輸車輛和其他相關設備等障礙物，忽略煤塵、瓦斯和炮煙對風流運移的影響；火災模型不考慮火災的燃燒過程、火源的熱輻射以及由火災所引發(fā)的巷道內(nèi)氣體組分和質(zhì)量的變化，把火源簡化為固定釋放熱量的熱源[13]。

同時，在火災期間，由于火源的加熱作用使巷道內(nèi)的溫度升高，導致巷道內(nèi)氣體的密度發(fā)生改變，加之重力的作用，從而使巷道內(nèi)的氣體產(chǎn)生上下自然對流。因此，在火災模擬計算過程中，考慮了火災所產(chǎn)生的浮力效應以及重力對風流流動的影響。

1.3 參數(shù)設置

巷道入口風速分別設置為：1.0，1.5，2.0，3.0，5.0，6.0 m/s；火災強度分別設置為：0，300，600，900，1 200 kW。由此分別模擬分析不同通風風速和火災強度對通風巷道內(nèi)“特征環(huán)”及“關鍵環(huán)”的影響規(guī)律。

2 火災強度對“特征環(huán)”分布規(guī)律影響

根據(jù)文獻[14]可知，“特征環(huán)”是指巷道紊流充分發(fā)展處截面上，表征風速分布的等值線環(huán)。任意形狀巷道內(nèi)的橫截面上都有其特有的“特征環(huán)”?！疤卣鳝h(huán)”對于研究井下巷道截面上的速度分布具有非常重要的意義，圖2給出了火災強度分別為0，300，1 200 kW以及通風風速分別為1.0，1.5，2.0，3.0，6.0 m/s工況下，紊流充分發(fā)展截面處(X=88 m截面處)“特征環(huán)”的分布情況。

圖2 不同通風風速和不同火災功率下X=88 m截面上“特征環(huán)”分布Fig.2 Velocity distribution on cross section under different velocity and different fire intensity in tunnel

由圖2分析可知，在正常通風時期，即火災強度為0 kW時，不同通風速度下，三心拱巷道紊流充分發(fā)展截面上“特征環(huán)”的分布均可描述為：截面中心速度最大，隨著距巷道邊幫距離逐漸減小，巷道內(nèi)風速隨之減小。不同通風風速下，巷道內(nèi)風速值的分布均是以截面中心為環(huán)心，逐漸向邊壁擴散的橢圓環(huán)，由此可以得出：正常通風時期，通風風速對“特征環(huán)”的環(huán)狀曲線影響較小，通風風速不是影響“特征環(huán)”分布的關鍵因素。

巷道發(fā)生火災時，同一火災強度下，隨著通風風速的增加，巷道紊流充分發(fā)展截面處風速分布，先呈現(xiàn)出紊亂，再逐漸呈現(xiàn)出環(huán)狀分布的特征。當火災強度為300 kW時，巷道內(nèi)橫截面上風速分布具備“特征環(huán)”分布特征的臨界風速為1.5 m/s；當火災強度為1 200 kW時，巷道內(nèi)橫截面上風速分布具備“特征環(huán)”分布特征的臨界風速為2 m/s。由此進一步分析可得：同一火災強度下，巷道內(nèi)橫截面上風速“特征環(huán)”分布特征存在臨界風速值。當通風風速低于臨界風速值時，火災下通風巷道內(nèi)風速不再具備“特征環(huán)”分布特征；當通風風速大于臨界風速值時，火災下通風巷道內(nèi)風速具備“特征環(huán)”分布特征，且隨著通風風速的增大，其分布特征逐漸接近正常通風時期的分布規(guī)律。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是：火災時期，當通風風速較低時，火災所產(chǎn)生的火風壓和“煙流滾退”對火災下風流的通風狀態(tài)影響相對較強，風流分布紊亂；而當通風風速大于一定值時，一方面巷道通風壓力增大并大于火災產(chǎn)生的火風壓，另一方面“煙流滾退”距離縮小甚至消失，使火災下風流的分布狀態(tài)受影響較小，故逐漸呈現(xiàn)與正常通風時期相同的風速分布規(guī)律。

同一通風風速下，隨著功率的增加，“特征環(huán)”的分布曲線越容易出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象。當通風風速低于1 m/s時，火災下通風巷道內(nèi)橫截面上風速分布具備“特征環(huán)”分布特征的臨界火災強度低于300 kW；當通風風速大于2 m/s時，火災下通風巷道內(nèi)橫截面上風速分布具備“特征環(huán)”分布特征的臨界火災強度大于1 200 kW。由此進一步分析可得：礦井火災時期，同一通風風速下，通風巷道內(nèi)風速“特征環(huán)”分布特征存在臨界火災強度值。當火災強度大于臨界火災強度值時，通風巷道內(nèi)風速不再具備“特征環(huán)”分布特征；當火災強度小于臨界火災強度值時，火災下通風巷道內(nèi)風速具備“特征環(huán)”分布特征，且隨著通風風速的增大，其分布特征逐漸接近正常通風時期的分布規(guī)律。

圖3 不同通風風速及火災強度下X=88 m截面上“關鍵環(huán)”分布Fig.3 “Key ring” maps on cross section at different fire intensity and different velocity

由上述分析可知，礦井火災時期，通風風速與火災強度均是影響通風巷道內(nèi)橫截面上風速 “特征環(huán)”分布的關鍵因素。

3 火災強度對巷道截面“關鍵環(huán)”分布規(guī)律影響

基于上文分析，火災情況下，巷道內(nèi)紊流充分發(fā)展處截面上的“特征環(huán)”分布，由于火災強度的變化和通風風速的不同，均受到了不同程度的影響，其“關鍵環(huán)”的分布也會產(chǎn)生相應的變化?！瓣P鍵環(huán)”的定義為：在“特征環(huán)”上，與截面上平均風速值相等的環(huán)稱為“關鍵環(huán)”[14]?！瓣P鍵環(huán)”對于實現(xiàn)風量的準確測量具有非常重要的意義。圖3給出了通風風速分別為1.0，1.5，2.0，3.0，5.0，6.0 m/s以及火災強度分別為0，300，600，900，1 200 kW工況下，X=88 m截面處“關鍵環(huán)”的分布情況。

由圖3分析可知：火災時期，當通風風速低于1 m/s時，由于橫截面上風速分布不再具備“特征環(huán)”分布特征，故平均風速分布紊亂，未呈現(xiàn)出環(huán)狀分布；當通風風速大于1.5 m/s時，火災時期通風巷道內(nèi)橫截面上平均風速分布具備“關鍵環(huán)”分布特征，且巷道底板與兩幫平均風速“關鍵環(huán)”與正常通風時期“關鍵環(huán)”分布特征一致，而巷道頂板平均風速“關鍵環(huán)”與正常通風時期“關鍵環(huán)”分布特征區(qū)別較大；當通風風速大于5 m/s時，火災時期通風巷道內(nèi)平均風速“關鍵環(huán)”分布與正常通風時期的趨近一致。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因主要是：當通風風速較小時，由于火災的浮力效應，高溫煙氣主要聚集在巷道頂部流動，因此巷道頂板平均風速“關鍵環(huán)”分布特征較不明顯；當通風風速較大時，通風壓力較大，并可克服火災所產(chǎn)生的浮力效應，巷道內(nèi)平均風速“關鍵環(huán)”與正常通風時期的趨近一致。

基于上述分析可知，為適應正常通風和火災時期巷道內(nèi)通風風速的準確測量，對于井下通風風速較大的巷道，在不影響運輸和人員通行的前提下，可將傳感器布置在巷道頂板和兩幫附近；對于井下通風風速較小的巷道，可將傳感器布置在巷道兩幫附近。同時進一步分析可知，當巷道內(nèi)通風風速大于或等于5 m/s時，通風巷道內(nèi)平均風速“關鍵環(huán)”分布規(guī)律可認為依然符合正常通風時期的分布特性，即滿足“關鍵環(huán)”分布的特征方程[15]。

4 結(jié)論

1)同一火災強度下，通風巷道內(nèi)風速“特征環(huán)”分布特征存在臨界風速值。當通風風速低于臨界風速值時，火災時期通風巷道內(nèi)風速不再具備“特征環(huán)”分布特征。同一通風風速下，火災時期通風巷道內(nèi)風速“特征環(huán)”分布特征存在臨界火災強度值。

2)正常通風時期，通風風速并非是影響巷道通風風速“特征環(huán)”分布的關鍵因素；礦井火災時期，通風風速與火災強度均是影響通風巷道內(nèi)風速“特征環(huán)”分布的關鍵因素。

3)對于井下通風風速較大的巷道，在不影響運輸和人員通行的前提下，可將傳感器布置在巷道頂板和兩幫附近；對于井下通風風速較小的巷道，可將傳感器布置在巷道兩幫附近。

4)當巷道內(nèi)通風風速大于或等于5 m/s時，火災時期風流平均風速點的位置，可由正常通風時期的“關鍵環(huán)”特征方程進行計算。

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