李宗翔，張慧博 ，路寶生，王天明

( 1．遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2．礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 阜新 123000)

0　引言

礦井外因火災(zāi)(以下稱礦井火災(zāi))是危害煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，礦井火災(zāi)造成人員傷亡，多是火災(zāi)后產(chǎn)生的高溫有毒煙流在礦井中蔓延，造成人員中毒或窒息。因此，對火災(zāi)時期礦井風(fēng)流紊亂，火災(zāi)煙流在礦井巷道網(wǎng)域中擴(kuò)散規(guī)律研究顯得十分緊迫和重要。

國內(nèi)外學(xué)者在礦井火災(zāi)煙流擴(kuò)散、火災(zāi)熱動力[1-3]等方面取得很大進(jìn)展，其中文獻(xiàn)[4-6]應(yīng)用FDS，F(xiàn)luent等通用軟件對礦井局部巷道系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。但對全礦井巷道系統(tǒng)下行風(fēng)流火災(zāi)時期風(fēng)流紊亂現(xiàn)象缺少系統(tǒng)的仿真分析研究，災(zāi)變時期風(fēng)流紊亂仿真分析[7-11]成果很少。本文應(yīng)用自行開發(fā)的礦井災(zāi)變時期通風(fēng)仿真系統(tǒng)TF1M3D軟件[12]，以典型礦井火災(zāi)為例，結(jié)合火災(zāi)風(fēng)流紊亂相似管道實(shí)驗(yàn)，對礦井下行風(fēng)流火災(zāi)風(fēng)流紊亂問題進(jìn)行分析。

1　礦井下行風(fēng)流火災(zāi)風(fēng)流紊亂相似管道實(shí)驗(yàn)

火災(zāi)風(fēng)流紊亂相似管道實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(b)所示。主干風(fēng)路由Φ44 mm的石英管件組成，并在其中布置電阻絲；旁側(cè)支路采用Φ48 mm的金屬管。實(shí)驗(yàn)采用抽出式通風(fēng)，由多檔位變壓器改變風(fēng)機(jī)通風(fēng)能力，變壓器可提供3，4.5，6，7.5，9，12 V等級電壓。模擬火源按圖2曲線模式實(shí)時調(diào)節(jié)。分別在不同電壓等級下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)各測點(diǎn)數(shù)據(jù)通過軟件實(shí)時采集，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。電壓等級超過4.5 V后，主干風(fēng)路風(fēng)流不發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

圖1　礦井火災(zāi)風(fēng)流紊亂實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1　Experiment device of airflow disorder

圖2　電阻絲實(shí)時電壓調(diào)節(jié)曲線Fig.2　Real-time voltage regulation curve of resistance wire

通過3 V與4.5 V 2組實(shí)驗(yàn)對比分析，在圖2火源模式的作用下，隨著火源強(qiáng)度前期快速增長，主干風(fēng)路和總風(fēng)量迅速下降，旁側(cè)支路風(fēng)量迅速上升，700 s左右時，各測點(diǎn)溫度最高，火風(fēng)壓最強(qiáng)，各路風(fēng)量達(dá)到極值，滯后火源最大值500 s。隨著通風(fēng)機(jī)能力增強(qiáng)(即電壓等級提高)，實(shí)驗(yàn)管道中風(fēng)量變化速率逐漸減小，其中主干風(fēng)路風(fēng)量極值越來越大，如圖4所示。在3 V電壓等級下主干風(fēng)路出現(xiàn)風(fēng)流逆退現(xiàn)象，旁側(cè)支路風(fēng)量超過總風(fēng)量，并聯(lián)管道出現(xiàn)內(nèi)循環(huán)風(fēng)流；當(dāng)電壓4.5 V及以上時主干風(fēng)路風(fēng)流衰減，但未逆退。第780 s火源熄滅后，管道才逐漸冷卻恢復(fù)到火災(zāi)前狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明，通風(fēng)機(jī)通風(fēng)能力越強(qiáng)，越有利于克服主干風(fēng)路風(fēng)流紊亂，維持風(fēng)流方向穩(wěn)定。

圖3　不同風(fēng)機(jī)電壓等級下實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)Fig.3　Experiment test data for different voltage ratings of fan

圖4　不同電壓等級主干風(fēng)路風(fēng)速極值Fig.4　Wind speed extreme value of main airflow branch under different voltage level

實(shí)驗(yàn)研究只能是針對簡單風(fēng)流網(wǎng)路的基本分析，對全域的礦井巷道系統(tǒng)情況就更加復(fù)雜，可以看做是眾多簡單風(fēng)路的集合，情況復(fù)雜，必須用仿真分析的方法來研究[11]。必須借助于仿真平臺手段。

2　礦井下行風(fēng)流火災(zāi)的仿真分析

2.1　TF1M3D災(zāi)變通風(fēng)仿真軟件簡介

圖5　n=260 r/min時關(guān)鍵時刻煙流濃度擴(kuò)散云圖Fig.5　n=260 r/min， smoke flow at the critical moment

礦井立體巷道網(wǎng)域火災(zāi)時期通風(fēng)系統(tǒng)可視化仿真專業(yè)分析軟件 TF1M3D[9-12]，能夠形象、動態(tài)描述礦井火災(zāi)發(fā)展趨勢，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害演變過程的物理仿真。通過TF1M3D平臺，能科學(xué)預(yù)測煤礦火災(zāi)的災(zāi)害和波及范圍、獲得災(zāi)害經(jīng)驗(yàn)，評估礦井通風(fēng)系統(tǒng)火災(zāi)抗災(zāi)能力，制定科學(xué)的火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案，為最大限度的減災(zāi)救災(zāi)提供決策依據(jù)。 TF1M3D是基于MATLAB開發(fā)的基于有源風(fēng)網(wǎng)理論，可實(shí)現(xiàn)正常通風(fēng)與災(zāi)變過程一體化計算，能夠描述礦井的非穩(wěn)態(tài)通風(fēng)、礦井火災(zāi)、煤與瓦斯突出、反風(fēng)等過程。軟件不需要繪制通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，實(shí)現(xiàn)礦井巷道網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)上的真實(shí)描述。采用透視的三維圖顯示，并通過縮放、平移、旋轉(zhuǎn)進(jìn)行多視角觀察。在礦井火災(zāi)仿真計算中，引入收斂效果很好的風(fēng)流停滯與轉(zhuǎn)向的收斂因子，同時考慮因密度變化引起的熱阻力變化，以及風(fēng)流紊亂導(dǎo)致的瓦斯積聚和濃度超限；在描述火源強(qiáng)度時，考慮風(fēng)流氧濃度以及可能出現(xiàn)回燃的問題。

2.2　山家林礦典型案例火災(zāi)的仿真

山東棗莊集團(tuán)山家林煤礦在1986年11月24日發(fā)生重大礦井火災(zāi)事故?；馂?zāi)事故發(fā)生在井下二水平-380處的上倉皮帶巷，為下行風(fēng)流火災(zāi)，高溫?zé)熈餍纬傻幕痫L(fēng)壓，導(dǎo)致該巷道內(nèi)出現(xiàn)風(fēng)流逆退現(xiàn)象，造成危害范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。事故持續(xù)了3 d，造成了大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

用TF1M3D軟件搭建山家林煤礦立體仿真模型并進(jìn)行仿真。模擬采用與管道實(shí)驗(yàn)相似的火源燃燒模型，設(shè)定火源燃燒時間為10 000 s，最高溫度為1 092 ℃。3個風(fēng)井的通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)分別為260 ，340 ，450 ，590 r/min。運(yùn)行TF1M3D軟件，模擬出山家林煤礦在發(fā)生上述火災(zāi)事故時，井下煙流濃度和溫度的實(shí)時動態(tài)變化傳播過程，如圖5所示，其中圖6為山加林礦局部通風(fēng)系統(tǒng)。

火災(zāi)發(fā)生初期，火災(zāi)煙流在通風(fēng)機(jī)的動力作用下沿原風(fēng)流方向流動，第540 s大量火災(zāi)煙流侵入220上山和-380副巷，在220上山及-380副巷連接處形成局部火風(fēng)壓，對由220上山、-260副巷、223上山和-380副巷形成的回路產(chǎn)生逆時針的動力作用，如圖6(b)所示，對220上山和-260副巷風(fēng)流流動起促進(jìn)作用，對223上山和-380副巷風(fēng)流流動起阻礙作用。隨著火災(zāi)煙流持續(xù)侵入、煙流溫度逐漸增高，局部火風(fēng)壓逐漸增大，第1 020 s，-380副巷風(fēng)流反向火災(zāi)煙流逐漸退出，第1 380 s火災(zāi)煙流經(jīng)過-260副巷逆流進(jìn)入223上山，第2 340 s火災(zāi)煙流進(jìn)一步逆流進(jìn)入-380副巷，部分煙流達(dá)到二號回風(fēng)井，第10 267 s火災(zāi)煙流到達(dá)另外2個回風(fēng)井，經(jīng)3個回風(fēng)井排至大氣。

圖6　山家林礦局部通風(fēng)系統(tǒng)Fig.6　The partial ventilation plan of Shan Jialin Mine

2.3　山家林礦井火災(zāi)仿真結(jié)果分析

為考察通風(fēng)機(jī)對火災(zāi)的影響，模擬了不同轉(zhuǎn)速下上倉皮帶巷和223上山不同時刻風(fēng)量值，如圖7所示。

圖7　火災(zāi)時期不同轉(zhuǎn)數(shù)下關(guān)鍵巷道上的風(fēng)量變化Fig.7　Changes of air volume in the key roadway during fire period under different rotational speed

1) 從圖7(a)可以看出，前期由于火區(qū)熱阻力迅速增大到極值，上倉皮帶巷風(fēng)量快速衰減，繼而平緩，隨火風(fēng)壓增大風(fēng)量逐漸減少達(dá)到最小值，其中：當(dāng)n=260 r/min時，風(fēng)量為8.98 m3/s；當(dāng)n=340 r/min時，風(fēng)量為10.26 m3/s；當(dāng)n=450 r/min時，風(fēng)量為10.4 m3/s；當(dāng)n=590 r/min時，風(fēng)量為10.6 m3/s。通風(fēng)機(jī)能力越強(qiáng)，上倉皮帶巷風(fēng)量衰減到的極小值越大，即主干風(fēng)路風(fēng)流逆退越困難；隨著火源強(qiáng)度降低，風(fēng)流狀態(tài)逐漸恢復(fù)至火災(zāi)發(fā)生前，其中：當(dāng)n=260 r/min時，時間為10 140 s；當(dāng)n=340 r/min時，時間為9 960 s；當(dāng)n=450 r/min時，時間為9 900 s；當(dāng)n=590 r/min時，時間為9 830 s。隨著通風(fēng)機(jī)能力提高，上倉皮帶巷風(fēng)量恢復(fù)至火災(zāi)發(fā)生前狀態(tài)耗時變短。

火災(zāi)模擬中，采用點(diǎn)火源，火源強(qiáng)度小于實(shí)際火災(zāi)事故中的巷道線火源的強(qiáng)度；未出現(xiàn)主干風(fēng)路風(fēng)流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但模擬到了上倉皮帶巷(即火災(zāi)主干風(fēng)路)風(fēng)流的衰減變化趨勢。從圖7的變化趨勢得出，在礦井火災(zāi)時期，提高礦井通風(fēng)機(jī)能力可有效克服主干風(fēng)路風(fēng)流紊亂現(xiàn)象發(fā)生。所得到的模擬結(jié)果與下行風(fēng)流火災(zāi)管道相似實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果基本一致，直觀揭示了礦井火災(zāi)時期，通風(fēng)機(jī)能力對主干風(fēng)路風(fēng)流穩(wěn)定性的影響。

2) 從圖7(b)可以看出，礦井火災(zāi)時期，223上山風(fēng)量隨火源燃燒強(qiáng)度變化呈現(xiàn)出先迅速衰減，直至零點(diǎn)，再繼續(xù)反向至最大值，最終隨火源衰減、熄滅恢復(fù)火災(zāi)前風(fēng)流狀態(tài)。與常規(guī)現(xiàn)象不同，山家林礦下行風(fēng)流火災(zāi)，即使在上倉皮帶巷(即火源處)風(fēng)流未發(fā)生逆退，仍會引起井下223上山巷道產(chǎn)生風(fēng)流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。且223上山巷道風(fēng)流穩(wěn)定性并不是隨通風(fēng)機(jī)能力增強(qiáng)而提高，反而隨通風(fēng)機(jī)能力增強(qiáng)，223上山巷道風(fēng)量衰減至零的時間變短，風(fēng)量達(dá)到反向最大值增大，風(fēng)流紊亂現(xiàn)象更加明顯。

223上山風(fēng)流紊亂狀態(tài)隨通風(fēng)機(jī)能力提高而增強(qiáng)，是由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大，巷道內(nèi)風(fēng)速增高，火災(zāi)煙氣在風(fēng)機(jī)作用為主導(dǎo)的動力作用下，同樣時間內(nèi)，在220上山巷道內(nèi)傳播距離更遠(yuǎn)，產(chǎn)生更強(qiáng)的局部火風(fēng)壓，促使223巷道風(fēng)流紊亂現(xiàn)象加劇。

3　結(jié)論

1) 下行風(fēng)流火災(zāi)時期，火源強(qiáng)度與火區(qū)熱阻力同步增大，節(jié)流效應(yīng)使主干風(fēng)路風(fēng)量迅速減小。在礦井大尺度的影響下，火風(fēng)壓最大與火源強(qiáng)度存在時間差或滯后效應(yīng)，火風(fēng)壓最大是火災(zāi)煙流溫度與擴(kuò)散距離綜合作用的結(jié)果；使主干風(fēng)路風(fēng)量達(dá)到極值，時間滯后于火源強(qiáng)度達(dá)到最大值的時間。

2) 在下行風(fēng)流火災(zāi)的礦井中，通風(fēng)機(jī)能力越強(qiáng)，主干風(fēng)路風(fēng)流克服火風(fēng)壓作用、保持原狀態(tài)的能力越強(qiáng)；火災(zāi)結(jié)束后，風(fēng)流恢復(fù)原風(fēng)流狀態(tài)所用的時間越短。但在某些巷道上，通風(fēng)機(jī)能力增強(qiáng)后，發(fā)生風(fēng)流紊亂幅度更加明顯。

3) 在復(fù)雜礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，即使火災(zāi)主干風(fēng)路風(fēng)流未發(fā)生逆退，井下某些巷道內(nèi)仍可能產(chǎn)生風(fēng)流紊亂的現(xiàn)象，甚至在局部巷道內(nèi)形成循環(huán)風(fēng)流。

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