黎經(jīng)雷,牛會(huì)永,趙 蕾,李石林

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭市 411201)

煤礦發(fā)生火災(zāi)后,常導(dǎo)致人員傷亡、設(shè)備損壞、礦區(qū)停產(chǎn)、煤資源破壞,甚至?xí)T發(fā)瓦斯、媒塵或硫化礦塵的爆炸,致使災(zāi)害產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。在處理煤礦火災(zāi)事故過程中,通常認(rèn)為,當(dāng)發(fā)火時(shí)間超過2 h,若發(fā)火區(qū)的火勢沒有得到有效的緩解,應(yīng)立即對發(fā)火區(qū)采取封閉措施[1]。相關(guān)資料表明,地表大氣壓的變化引起礦井下巷道內(nèi)壓力分布的變化,將會(huì)造成火區(qū)防火墻內(nèi)外產(chǎn)生壓力差,導(dǎo)致火區(qū)內(nèi)空氣向外泄露或者外部空氣流入火區(qū),這種現(xiàn)象對于窒息火災(zāi),控制火勢程度是不利的。辛程鵬[2]系統(tǒng)性地闡述大氣壓力與采空區(qū)瓦斯涌出的關(guān)系,通過達(dá)西定律推導(dǎo)出大氣壓力變化對滲流區(qū)瓦斯涌出的數(shù)學(xué)關(guān)系式,由理想氣體狀態(tài)方程得出大氣壓力變化與自由瓦斯涌出的關(guān)系。蘇福鵬[3]利用K線圖法分析礦井大氣壓力的變化,由經(jīng)驗(yàn)公式得出大氣壓力與工作面瓦斯涌出的關(guān)系,對比不同的瓦斯涌出影響因素。苗逢春、李進(jìn)[4]等人理論分析了礦井壓力的變化對采用區(qū)瓦斯涌出的影響,通過實(shí)測數(shù)據(jù)得出結(jié)果：當(dāng)大氣壓力急劇變小時(shí)使得工作面的空氣壓力下降,引起瓦斯向工作面大量溢出。反之,當(dāng)?shù)乇泶髿鈮杭眲∩仙龝r(shí),瓦斯涌出量隨之下降;并對平煤六礦丁5.6—21110機(jī)巷瓦斯涌出的異?，F(xiàn)象進(jìn)行了驗(yàn)證。為此,本文依據(jù)開采工作面瓦斯涌出理論為基礎(chǔ),以封閉火區(qū)為研究對象,應(yīng)用Fluent軟件模擬大氣低壓下礦井火區(qū)內(nèi)氧氣和瓦斯的濃度場,確定了火區(qū)存在爆燃性,并劃分了易爆燃危險(xiǎn)區(qū)域,為在大氣低壓時(shí)防止火區(qū)內(nèi)瓦斯爆炸提供理論依據(jù)。

1 大氣壓力與瓦斯?jié)B流關(guān)系分析

礦井采空區(qū)瓦斯易爆區(qū)分為強(qiáng)流區(qū)、滲流區(qū)、非滲流區(qū)(“U型發(fā)火區(qū)”),其中滲流區(qū)瓦斯最易發(fā)生爆炸[5],故本文以滲流區(qū)為研究區(qū)域,將區(qū)內(nèi)瓦斯氣體的流動(dòng)視為一維定常流,則氣壓變化與區(qū)內(nèi)瓦斯涌出的關(guān)系滿足達(dá)西準(zhǔn)則：

式中,ν為瓦斯?jié)B流速度,m/s;k為滲透率,m2;μ為瓦斯粘度;P為瓦斯壓力,Pa;ρ為瓦斯密度,kg/m3。

由能量守恒定律可得：

在定常、理想氣體情況下,忽略重力作用,由式(1)、式(2)可得瓦斯在滲流區(qū)的數(shù)學(xué)模型為：

式中,P′為采空區(qū)穩(wěn)定區(qū)域的瓦斯壓力,Pa;P″為工作面壓力,Pa;x1為采面與穩(wěn)壓區(qū)的距離,m。

整理后可得：

由此可知,工作面壓力P″變化能影響采空區(qū)內(nèi)瓦斯的滲流。

2 燃燒模型

2.1 組分運(yùn)輸模型

火災(zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生CO、CO2等氣體,本文將其簡化為CO的燃燒反應(yīng)[6]：

由于防火墻產(chǎn)生漏風(fēng)情況,防火墻外有氧氣以低速進(jìn)入火區(qū),火區(qū)內(nèi)的火源區(qū)與火區(qū)內(nèi)壁上分別有不等量的瓦斯涌出,涌出的瓦斯遇到氧氣發(fā)生反應(yīng),本文將其簡化為CH4的燃燒反應(yīng)：

因此,火區(qū)內(nèi)氣體成分主要包括CH4、O2、CO、CO2、H2O、N2等氣體,本文將其定為甲烷－空氣混合模型(methane－air)。

2.2 渦耗散模型

渦耗散模型認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)速率取決于未燃?xì)怏w微團(tuán)在湍流作用下破碎成更小微團(tuán)的速率,突出了湍流混合對燃燒速率的控制,公式為：

反應(yīng)速率計(jì)算(取較小者)：

式中,Yp為產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù);YR為反應(yīng)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù);A、B為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),A＝4.0,B＝0.5;v′i,r為反應(yīng)r中反應(yīng)物i的化學(xué)計(jì)量數(shù);v″i,r為反應(yīng)r中生成物i

3 物理模型及邊界條件

3.1 物理模型

計(jì)算區(qū)域選取火災(zāi)后采空區(qū)已封閉的區(qū)域,模擬的火區(qū)巷道為水平巷道,巷道長度為40 m,橫截面為4 m×2.5 m的圓弧形墻體。本文忽略機(jī)械風(fēng)壓的影響,即不考慮巷道內(nèi)機(jī)械風(fēng)壓的變化。模擬的幾何模型如圖1所示。

圖1 火區(qū)模型

3.2 邊界條件

Z軸左側(cè)為空氣入口面,平均風(fēng)速為0.02 m/s,氧氣濃度為21%;距空氣入口處5 m以R＝1 m的半球面為著火區(qū),CO從著火區(qū)溢出,濃度分別為7.87%,平均風(fēng)速為0.2 m/s,溫度為1500 K;火區(qū)兩幫和頂板向火區(qū)滲入瓦斯,濃度為3.5%的瓦斯以0.05 m/s的速度滲入火區(qū);Z軸右側(cè)為出流口,出流率為25%;其余邊界為墻體,墻體絕熱。湍流強(qiáng)度

3.3 氣壓值的設(shè)定

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)[7],地面大氣壓值設(shè)為993 k Pa,假設(shè)模擬的火區(qū)距地面900 m,本文忽略巷道內(nèi)的局部損失壓力,則火區(qū)壓力總壓值為地面氣壓值與沿程壓損值的差值;根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得出：

式中,ρ、ν為氣體的密度和速度;l、d為巷道的長度和內(nèi)徑;ΔP為巷道兩端的壓差;λ為沿程損失系數(shù)。對于λ,有 ：

由經(jīng)驗(yàn)公式有：

式中,ρ、ν、μ分別為流體的密度、流速、粘度系數(shù);d為模型的當(dāng)量直徑。

該巷道可視為為矩形管道模型,對于d有：

式中,a為寬度;b為高度。

將a＝4,b＝5.2代入式(7)得d＝4.52。

巷道內(nèi)氣體為空氣,查表得ρ＝10.5 kg/m3,設(shè)空氣流速為2 m/s,井下溫度26℃,查表得μ＝0.01842,代入式(6)得Re＝5153.09。

因Re＜105,則λ＝0.3164·Re－0.25＝0.038。

將其代入式(5)得ΔP＝158.89 Pa;則火區(qū)總壓＝地面總氣壓－ΔP＝992.841 k Pa。

因此,火區(qū)壓力值設(shè)為992.841 k Pa。

4 結(jié)果分析

煤礦火區(qū)中心截面的瓦斯?jié)舛?、氧氣濃度、火區(qū)溫度分布分別如圖2、圖3、圖4所示。由圖2可知瓦斯主要集中在頂板附近,濃度在3.8%左右,由于左側(cè)一直有氧氣漏入,瓦斯氣體密度比空氣小,故主要集中頂板附近瓦斯也順著風(fēng)流向火區(qū)右側(cè)擴(kuò)散;從圖3中可看出氧氣主要集中在入風(fēng)側(cè),氣體濃度為21.5%,隨著距離的增加氧氣擴(kuò)散的范圍也開始縮小,氧氣在經(jīng)過火區(qū)時(shí)與瓦斯發(fā)生反應(yīng),部分氧氣被消耗且剩余氧氣順著風(fēng)向流動(dòng);從圖4可看出著火區(qū)周圍溫度較高,溫度受風(fēng)流的作用逐漸降低,著火附近溫度在1500 K左右,在距著火區(qū)1～11 m處溫度達(dá)到最高的1636 K,這是由于著火后的溫度傳遞與瓦斯氧氣反應(yīng)放熱的共同作用。

圖2 中心截面瓦斯?jié)舛确植?/p>

圖3 中心截面氧氣濃度分布

圖4 中心截面溫度場分布

煤礦火區(qū)水平截面的瓦斯?jié)舛取⒀鯕鉂舛?、溫度分布云圖如圖5～圖10所示。圖5中,左側(cè)為進(jìn)風(fēng)口,瓦斯由兩幫向火區(qū)內(nèi)漏入,兩幫附近瓦斯?jié)舛茸罡?著火區(qū)附近瓦斯?jié)舛群艿?圖6中(y＝1.5 m),兩幫處瓦斯?jié)舛容^高,著火區(qū)瓦斯氣體濃度較低,這是因?yàn)橥咚古c氧氣反應(yīng)被消耗。圖7中(y＝1 m),氧氣主要集中在進(jìn)風(fēng)側(cè),濃度在6%～21%之間,著火區(qū)附近的氧氣被反應(yīng)所消耗,故氣體濃度較低。圖8中(y＝1.5 m),氧氣濃度順著風(fēng)流方向逐漸降低,著火區(qū)附近參與反應(yīng)剩余的氧氣繼續(xù)向右流動(dòng);圖9中(y＝1 m),著火區(qū)周圍溫度較高,溫度在1300～1600 K之間,隨著傳熱距離的增加溫度逐漸降低。圖10中(y＝1.5 m),著火區(qū)周圍溫度相對較高,溫度在700～1000 K之間,隨著傳熱距離的增加溫度逐漸降低。

圖5 水平截面(y＝1 m)瓦斯?jié)舛确植?/p>

圖6 水平截面(y＝1.5 m)瓦斯?jié)舛确植?/p>

圖7 水平截面(y＝1 m)氧氣濃度分布

圖8 水平截面(y＝1.5 m)氧氣濃度分布

圖9 水平截面(y＝1 m)溫度場分布

圖10 水平截面(y＝1.5 m)溫度場分布

煤礦瓦斯爆炸需要一定的條件：即在一定的溫度下(650℃以上),巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛仍?%～16%,氧氣濃度不低于12%[8];從上述結(jié)果來看,在火區(qū)高1 m、長5 m處氧氣與瓦斯沒有達(dá)到混合狀態(tài),但由于進(jìn)風(fēng)側(cè)不斷有空氣流入,氧氣有可能繼續(xù)擴(kuò)散,兩幫也會(huì)漏入瓦斯,在氧氣與瓦斯?jié)舛冉唤缣幙赡苡斜ǖ奈ｋU(xiǎn);在火區(qū)高1.5 m、長5 m處氧氣與瓦斯達(dá)到混合的狀態(tài),如果瓦斯繼續(xù)從兩幫漏入,此區(qū)間的溫度在700～1000 K之間,存在爆炸危險(xiǎn)性。

5 結(jié) 論

(1)煤礦火區(qū)內(nèi)氣體分布受地表大氣壓力的影響,在流體力學(xué)、滲流理論的研究基礎(chǔ)上,對火區(qū)漏風(fēng)狀態(tài)、氣壓值、湍流強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算并確定數(shù)值。

(2)火區(qū)截面進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧氣濃度較高,隨著距離的增加濃度逐漸降低;火區(qū)兩幫及頂板附近瓦斯?jié)舛容^高,火區(qū)中間部分瓦斯?jié)舛容^低;著火區(qū)10 m內(nèi)火區(qū)溫度較高;火區(qū)高1 m、長5 m氧氣與瓦斯?jié)舛冉唤缣幙赡苡斜ǖ奈ｋU(xiǎn),高1.5 m、長15 m范圍內(nèi)氧氣與瓦斯達(dá)到混合的狀態(tài),存在爆炸危險(xiǎn)性。