王文軒

（西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽621000）

1 概述

采煤工作面及其進(jìn)回風(fēng)巷極易發(fā)生火災(zāi)，初期影響采掘工作面安全生產(chǎn)，燒毀設(shè)備，損壞井下通風(fēng)設(shè)施等，而且發(fā)生火災(zāi)后易引起瓦斯煤塵爆炸。隨著礦井采掘深度的增加，瓦斯災(zāi)害也越來越嚴(yán)重，為了防止因瓦斯積聚而引起的瓦斯爆炸和瓦斯突出事故的發(fā)生，就需要對(duì)礦井巷道的瓦斯分布進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，但由于瓦斯分布又受到巷道風(fēng)流流場的影響，因此，需要對(duì)風(fēng)流流場進(jìn)行分析和計(jì)算。目前對(duì)于采掘面火災(zāi)的研究[1-2]，20世紀(jì)80 年代中期許多研究機(jī)構(gòu)和研究人員先后用數(shù)值模擬方法研究了礦井火災(zāi)時(shí)期煙流流動(dòng)規(guī)律。中國礦業(yè)大學(xué)于1992年增加了對(duì)風(fēng)門方向判斷的程序以及增編了二維非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模擬程序。利用考慮浮力影響的雙方程瑞流模型[3-4]，用SIMPLE半隱式算法計(jì)算了二維巷道溫度、壓力、風(fēng)流速度的分布規(guī)律。

本文在前人對(duì)礦井火災(zāi)研究基礎(chǔ)上應(yīng)用流體力學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)的相關(guān)理論知識(shí),適當(dāng)簡化礦井物理模型，運(yùn)用FDS流體力學(xué)軟件對(duì)典型的礦井火災(zāi)場景采掘工作面進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，F(xiàn)DS 即Fire Dynamics Simulator 火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬工具，是一種由美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局開發(fā)的用于計(jì)算流體力學(xué)的模型，能模擬燃燒驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)。由于礦井火災(zāi)井下特殊的地理環(huán)境以及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，井下發(fā)生火災(zāi)是煙流、風(fēng)流、輻射換熱相結(jié)合的復(fù)雜過程[5]。運(yùn)用FDS 模擬軟件對(duì)采掘工作面通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值建模，研究采掘面發(fā)生火災(zāi)后，井下火災(zāi)對(duì)巷道通風(fēng)所產(chǎn)生的影響，從而為井下火災(zāi)的救援工作提供了相應(yīng)的理論依據(jù)。

2 數(shù)值模型

2.1 基本守恒方程

FDS 以Navier-Stokes 方程為基礎(chǔ)[6]，它包括了質(zhì)量、動(dòng)量和能量的守恒。其表達(dá)式如下：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

理想氣體狀態(tài)方程：

氣體組分守恒方程：

以上五個(gè)方程具有非線性、耦合性、形式相同和封閉性的共同特性，它們共同構(gòu)成了描述公路隧道火災(zāi)高溫?zé)熈靼l(fā)生發(fā)展特性的基本方程。

式中：ρ 為密度；u→為速度矢量，u→=（u，v，w）；T 為溫度；p 為壓強(qiáng)；f→包括重力和其它力，如噴淋系統(tǒng)水滴的拖拉力；τij為應(yīng)力張量；q?為化學(xué)反應(yīng)中單位體積的熱釋放速率；▽·q 代表了對(duì)流和輻射的影響；Φ 為耗散函數(shù)；h 為焓，

FDS 火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬模型將溫度、壓力和密度區(qū)分為空間平均項(xiàng)和擾動(dòng)項(xiàng)，溫度、壓力和密度的公式如下所示。

溫度：

壓力：

密度：

由上述公式及絕熱過程可得到空間平均項(xiàng)，包含空間平均壓力、空間平均溫度和空間平均密度，如下式所示：

空間平均壓力：

空間平均溫度：

空間平均密度：

溫度、壓力和速度的擾動(dòng)項(xiàng)如下式所示：

由上述公式得到能量方程、動(dòng)量方程和總壓力方程，如下所示。

能量方程：

動(dòng)量方程：

總壓力方程：

綜上所述，F(xiàn)DS 的大渦模擬由上述式聯(lián)立組成方程組求解，即由能量方程、動(dòng)量方程、總壓力方程、空間的平均溫度、密度與壓力方程式其同求解.得到所求計(jì)算空間的平均溫度、密度與壓力。

2.2 火災(zāi)場景設(shè)置

采掘面巷道模型如圖1 所示。

圖1 采掘面巷道模型

上述建立的采掘面巷道模型是由兩條長×寬×高=50m×4m×4m 和一條長×寬高=100m×4m×4m。巷道內(nèi)風(fēng)速設(shè)置為0.3m/s；火源面積為1m×2m；水平巷道火源位置為（x1，x2；y1，y2；z1，z2）=（49，50，1.0，2.0，0，0），火源功率為180kW。

3 結(jié)果與分析

3.1 采掘面巷道的特點(diǎn)

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，采掘工作面的進(jìn)風(fēng)流中，氧氣濃度不應(yīng)低于20，二氧化碳濃度不宜超過0.5；采煤工作面和掘進(jìn)中的煤巷風(fēng)速應(yīng)設(shè)置在0.25-4m/s 之間，本文巷道內(nèi)風(fēng)速設(shè)置為0.3m/s；生產(chǎn)礦井采掘工作面內(nèi)的空氣溫度不得超過26℃。綜上可知，對(duì)采掘面通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬是必要的。

3.2 采掘面巷道火災(zāi)對(duì)通風(fēng)的影響

（1）在無火源設(shè)置的情況下：

圖2 采掘面速度矢量分布圖

圖2 為采掘面速度矢量分布圖，在無火源的采掘面巷道模型中，氣體隨時(shí)間的增大，逐漸趨于穩(wěn)定的在巷道中流動(dòng)。在Y=2 的巷道截面中，由于兩端是90°的轉(zhuǎn)角，氣流在轉(zhuǎn)角處速度發(fā)生巨大的變化，有大量的局部損失，速度矢量分布圖在轉(zhuǎn)角處為曲線。

在平直的巷道中，速度矢量分布圖呈相互平行的直線，速度的大小隨著時(shí)間的增大而增大。

（2）在設(shè)置火源的情況下：

圖3 有火源時(shí)采掘面巷道煙氣速度分布云圖

圖3 為有火源時(shí)上采掘面巷道的煙氣速度分布圖，分別取t=5s,t=50s,t=200s,t=900s 作為研究對(duì)象。取y=2m 時(shí)的截面以t=50s 的速度云圖為例，巷道截面速度分布也可以分為A 與B兩個(gè)區(qū)域。A 區(qū)速度從開始到結(jié)束時(shí)變化不大，在0.78～2.00m/s范圍內(nèi)。

由上圖可明顯看到A 區(qū)分為兩層速度，由于火源上方氣體受到加熱作用，密度變小，在浮力的作用下向上方運(yùn)動(dòng)，并由上層氣流向前輸運(yùn)，而下層的氣體則不斷補(bǔ)充至火源附近，從而造成了上層的速度值大大增加。B 區(qū)同理，從火源燃燒開始下層速度大于上次速度，這主要是因?yàn)樯蠈邮艿较锏理敳繜煔馍淞鞯挠绊懀⑶覠煔馍淞髟谀娣较蜻\(yùn)動(dòng)時(shí)逐漸沉降，對(duì)下層有擠壓作用，使下層出現(xiàn)節(jié)流效應(yīng)，速度增大下層速度略微增加，在0.60-1.56m/s 范圍內(nèi)。

圖4 有火源時(shí)采掘面煙氣分布

4 結(jié)論

結(jié)果表明，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，巷道氣流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)生了改變，巷道速度分布可分為多個(gè)區(qū)域，采掘面巷道A 區(qū)速度從開始到結(jié)束時(shí)變化不大，在0.78～2.00m/s 范圍內(nèi)。B 區(qū)速度略微有所增加，在0.60～1.56m/s 范圍內(nèi)。采掘面巷道存在著節(jié)流效應(yīng)和輕微的浮力效應(yīng)，并且節(jié)流效應(yīng)與浮力效應(yīng)隨著熱釋放功率的增大而變得更加明顯。

5 展望

在進(jìn)行FDS 數(shù)值模擬分析時(shí)，可以通過對(duì)物理模型進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理以滿足研究需要，這樣既能夠得到相對(duì)精確的模擬結(jié)果又不會(huì)加重計(jì)算負(fù)擔(dān)。如可以在火源點(diǎn)附近、安全出口、排煙口等空間位置進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。

本文對(duì)火災(zāi)的模擬研究中，主要依賴于火災(zāi)的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程，缺少對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)的處理。同時(shí)在對(duì)比模擬研究中，模型庫的數(shù)量也較小。因此通過火災(zāi)荷載調(diào)查、火災(zāi)熱釋放速率的實(shí)驗(yàn)測試，增加模型庫數(shù)量，優(yōu)化模型，可以讓模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，結(jié)論更有效。