趙韶波

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 晉城 048000）

引言

礦井火災(zāi)作為煤炭開采的常見災(zāi)害之一，對生產(chǎn)以及工作人員的生命安全有極大的威脅[1-3]。本文主要研究了寺河煤礦工作面進(jìn)風(fēng)巷下行風(fēng)流火災(zāi)流動特性，并進(jìn)行了通風(fēng)改進(jìn)，收到了良好的效果。

1 礦井下行風(fēng)流火災(zāi)時期風(fēng)流流動規(guī)律分析

寺河煤礦二號井工作面采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)進(jìn)行開采，工作面采用Y 型通風(fēng)方式，由于沿空留巷方法原理限制問題，工作面及采空區(qū)容易出現(xiàn)瓦斯涌出異常導(dǎo)致礦井火災(zāi)。當(dāng)?shù)V井發(fā)生火災(zāi)沒有及時進(jìn)行救災(zāi)時，火災(zāi)產(chǎn)生大量的濃煙以及有害氣體迅速充滿狹小巷道，影響通風(fēng)效果，當(dāng)火災(zāi)事故嚴(yán)重時，巷道內(nèi)極易出現(xiàn)風(fēng)流紊亂現(xiàn)象，徹底擾亂礦井的通風(fēng)系統(tǒng)。

風(fēng)流紊亂是指在礦井發(fā)生火災(zāi)時，因燃燒產(chǎn)生的氣體以及氣量干擾了巷道內(nèi)原有的通風(fēng)設(shè)計，氣流發(fā)生變化時，加速了工作面以及采空區(qū)氣體的燃燒，使得火災(zāi)范圍擴(kuò)展迅速，其主要表現(xiàn)有以下兩種。

1.1 煙流逆退現(xiàn)象

圖1 為煙流逆退現(xiàn)象示意圖，從圖中可以看出，當(dāng)?shù)V井發(fā)生火災(zāi)時，氣體燃燒后因密度小的原因主要聚集在頂板位置，形成一定區(qū)域的頂板射流區(qū)，射流區(qū)的氣體一部分會順著礦井通風(fēng)方向流出，另外一部分會以回流的方式流進(jìn)巷道進(jìn)風(fēng)側(cè)，此回流現(xiàn)象稱為煙流逆退。礦井火災(zāi)現(xiàn)象較為復(fù)雜，燃燒的氣體由于濃度以及燃燒速度等的差異，導(dǎo)致煙流逆退現(xiàn)象不同，靠近巷道頂板的燃燒氣體在巖石吸附阻力的作用下流動速度最小，隨著和頂板距離的增加，氣體速度加快，在巷道底部氣體的速度最小，出現(xiàn)臨界速度。在氣體懸浮的作用下，煙氣前端往往會出現(xiàn)下沉又上升的趨勢，形成的旋渦將新鮮空氣卷吸進(jìn)來，擴(kuò)大了旋渦范圍。

圖1 煙流逆退現(xiàn)象示意圖

1.2 風(fēng)流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象

火災(zāi)發(fā)生會直接影響氣體的密度，燃燒氣體使得氣體密度迅速變化，在風(fēng)壓的作用下使得通風(fēng)系統(tǒng)中的部分區(qū)域風(fēng)流方向發(fā)生變化，當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化后，有毒有害氣體可能流向進(jìn)風(fēng)巷以及采空區(qū)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的進(jìn)行，當(dāng)風(fēng)流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重時，對礦井生產(chǎn)的影響程度也不同。為此進(jìn)行相關(guān)方面的研究就顯得尤為重要。

2 礦井下行風(fēng)流火災(zāi)數(shù)值模擬及分析

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在下行風(fēng)流巷道時，燃燒產(chǎn)生的高溫氣體迅速充滿頂板上空區(qū)域，因為機(jī)械通風(fēng)由高向低的通風(fēng)原理，標(biāo)高較低的巷道內(nèi)煙流逆退現(xiàn)象嚴(yán)重，在相反風(fēng)壓的作用下，極易出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象，倒吸的新鮮空氣使得火勢增加，造成二次火災(zāi)現(xiàn)象，二次火災(zāi)使得通風(fēng)更加復(fù)雜，加大了火災(zāi)控制的難度。

為此對礦井下行風(fēng)流進(jìn)行數(shù)值模擬分析，借助PyroSim 數(shù)值模擬軟件，對寺河煤礦工作面進(jìn)行研究，數(shù)值模型如下頁圖2 所示，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷尺寸一致，長45 m、寬5 m、高4 m?；鹪窗l(fā)生的位置距離地面1.4m，距離進(jìn)風(fēng)巷道約11m遠(yuǎn)，整個膠帶長10m、寬1.7 m、高0.3 m。

為了對比不同傾角下進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)氣體的流動特性，因此分別對傾角為5°、10°、15°和 20°進(jìn)風(fēng)巷道進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

為了保證模擬計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時候，利用火源特征直徑方程確定最為合適的單元格以保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 數(shù)值模擬模型圖

式中：火源特征直徑為D*，m；空氣密度為ρ∞，kg/m3；空氣比熱容為Cp，kJ/（kg·K）；g 取9.8 m/s2；Q 為熱釋放速率，kW；

模型建立進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，對其進(jìn)行邊界條件設(shè)定：

1）當(dāng)?shù)V井未發(fā)生火災(zāi)時，巷道內(nèi)收到1 個大氣壓作用，巷道溫度維持在20 ℃，進(jìn)風(fēng)巷道的初始風(fēng)速為2.1 m/s，巷道內(nèi)的平均風(fēng)速滿足0.15～4.5 m/s 之間；

2）假設(shè)巷道壁為絕對隔熱，不存在與燃燒氣體的熱交換問題，為得到隔熱的效果，將墻壁厚度設(shè)置為0.2 m。

3）火源燃燒的面積為1 m2，膠帶為引火源，膠帶的長度為11 m；

4）整個模擬運(yùn)行時間為800 s。

模擬通過布置在巷道內(nèi)的探測點(diǎn)測得，本文研究巷道內(nèi)CO 以及溫度的變化規(guī)律。

圖3 為不同坡度下進(jìn)風(fēng)巷道內(nèi)CO 濃度（體積分?jǐn)?shù)，在本文研究中同溫同壓下體積分?jǐn)?shù)即為摩爾分?jǐn)?shù)）隨時間的變化曲線。從圖3-1 中可以看出，不同坡度下進(jìn)風(fēng)巷道下層CO 濃度整體較低，在各個坡度下，因為燃燒氣體的煙流逆退使得CO 濃度濃度增加時間普遍延長21 s，頂層煙氣在蔓延以及沉降作用下，煙氣逐漸向巷道低層下沉，直至到下層位置；從圖3-2 中可以看出，當(dāng)火災(zāi)燃燒時間在300～500 s 時間內(nèi)，不同坡度巷道內(nèi)的CO 濃度相對穩(wěn)定，但是隨著坡度的增加，CO 濃度減少，從5°坡度的0.001 4 降低至20°坡度的0.000 5，究其原因，當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷坡度較小時，坡度浮力效應(yīng)不明顯；當(dāng)坡度有所增加時，進(jìn)風(fēng)巷道上層CO 達(dá)到峰值后便會下降，下降時間點(diǎn)約為215 s 處，在300 s 之后，隨著坡度的增加，CO 濃度減少，究其原因，火風(fēng)壓達(dá)到一定數(shù)值后，阻礙了氣體的流動，因此下風(fēng)側(cè)CO 濃度較低。

圖3 不同坡度下進(jìn)風(fēng)巷道內(nèi)CO 體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化曲線

圖4 不同坡度下進(jìn)風(fēng)巷道溫度隨火源距離的變化曲線

圖4 為不同坡度下進(jìn)風(fēng)巷道溫度隨火源距離的變化曲線。從圖4-1 中可以看出，在距離火源4 m 的位置巷道頂部溫度達(dá)到最高，隨著與火源距離的增加，溫度逐漸降低，在距離火源較遠(yuǎn)的兩側(cè)巷道溫度最低，由于受通風(fēng)的影響，巷道坡度為5°時溫度變化曲線最接近水平巷道溫度變化曲線；當(dāng)巷道坡度較大時，巷道內(nèi)浮力效應(yīng)明顯，溫度也會在浮力效應(yīng)影響下向頂板方向移動。從圖4-2 中可以看出，火源附近的最高溫度達(dá)到1 150 ℃，隨著巷道坡度的增加，火風(fēng)壓作用明顯，使得上風(fēng)側(cè)段氣體濃度增加，因此使得溫度普遍較高，當(dāng)距離火源較遠(yuǎn)時，不同坡度下巷道溫差差異不大。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

針對上述數(shù)值模擬結(jié)果，對寺河煤礦二號井進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)改進(jìn)，改進(jìn)后的通風(fēng)系統(tǒng)中設(shè)置三個風(fēng)門，分別編號1、2、3，其中進(jìn)風(fēng)巷道97213 編號為1、進(jìn)風(fēng)巷道97214 編號為2、回風(fēng)巷道編號為3。正常情況下，保證進(jìn)風(fēng)巷道風(fēng)速維持在2 m/s 左右，兩條進(jìn)風(fēng)巷道的開度保持在1.5 m×3.5 m；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)后，進(jìn)行風(fēng)量控制操作，加大通風(fēng)量，使得進(jìn)風(fēng)巷道內(nèi)的風(fēng)速達(dá)到6.5 m/s，兩條進(jìn)風(fēng)巷道全部打開，回風(fēng)巷道的開度為0.8 m×1.5 m。改進(jìn)后對巷道內(nèi)氣體濃度以及溫度進(jìn)行測量，觀察效果。

圖5 為進(jìn)風(fēng)巷CO 體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化曲線，從圖5 中可以看出，不論距離進(jìn)風(fēng)巷距離多遠(yuǎn)，CO 濃度波動范圍都在0～0.000 032 之間，此值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CO 對人體有害濃度值0.000 5，對工作人員的生命安全不構(gòu)成威脅，可以保證正常的生產(chǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，也不會影響救災(zāi)任務(wù)的進(jìn)行。

圖6 為工作面溫度隨時間的變化曲線，可以看出，在新的通風(fēng)方案下，工作面整體溫度都小于21 ℃，在200 s 左右，溫度開始上升，證明當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，需要200 s 的時間才可以達(dá)到工作面，但是因為工作面溫度較低，所以不會導(dǎo)致火災(zāi)事故的蔓延，因此對人體的傷害也可以忽略?？梢钥闯觯碌耐L(fēng)方案下，巷道的風(fēng)流量大，風(fēng)流穩(wěn)定，可以有效控制火災(zāi)事故的蔓延，保證生產(chǎn)的安全高效進(jìn)行。

圖5 進(jìn)風(fēng)巷CO 體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化曲線

圖6 工作面溫度隨時間的變化曲線

4 結(jié)論

通過對寺河煤礦二號井下行風(fēng)流火災(zāi)流動規(guī)律的探討，在數(shù)值模擬試驗的基礎(chǔ)上，得到了進(jìn)風(fēng)巷傾角大于10°時，巷道內(nèi)煙氣濃度以及溫度容易超標(biāo)的結(jié)論，在新的通風(fēng)方案下，巷道內(nèi)氣體以及溫度得到很好的控制，保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行。