賀 蕾，鄢曙光，蔣 璨

1武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 湖北武漢 430081

2冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢 430081

礦井巷道火災(zāi)發(fā)生至明火階段，出現(xiàn)的風(fēng)火壓將擾亂巷道中正常的通風(fēng)系統(tǒng)，使礦區(qū)風(fēng)向、風(fēng)力發(fā)生改變，進(jìn)而使事故加重，給礦山救援隊(duì)進(jìn)入礦井進(jìn)行滅火救災(zāi)造成困難。因此，在火災(zāi)初期對(duì)井下巷道風(fēng)流及煙氣進(jìn)行控制，掌握礦井火災(zāi)時(shí)期巷道風(fēng)流變化規(guī)律，對(duì)滅火救災(zāi)工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)礦井火災(zāi)做了規(guī)模不等的實(shí)測(cè)試驗(yàn)。最早是波蘭巴爾巴拉實(shí)驗(yàn)室對(duì)礦井火災(zāi)進(jìn)行了火源探測(cè)和煙氣流成分的研究[1]。早在 1988 年，中國(guó)煤炭科學(xué)研究院重慶分院在全尺寸的模擬巷道中進(jìn)行了巷道火災(zāi)模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)速小于 1 m/s 時(shí)會(huì)出現(xiàn)逆流現(xiàn)象，大于 1 m/s 時(shí)未發(fā)生逆流現(xiàn)象[2]。國(guó)內(nèi)外專家在將軟件模擬應(yīng)用于礦井火災(zāi)方面也做了相關(guān)研究[3-10]。路寶生[11]運(yùn)用 TF1M 軟件對(duì)山家林礦進(jìn)行礦井火災(zāi)仿真分析，結(jié)論表明：火災(zāi)時(shí)期產(chǎn)生的高溫?zé)熈骷盎痫L(fēng)壓，會(huì)引起巷道內(nèi)空氣密度變化及風(fēng)流紊亂。林龍沅等人[12]采用火災(zāi)模擬軟件 FDS 進(jìn)行了仿真，分析了巷道發(fā)生火災(zāi)時(shí)各參數(shù)變化對(duì)通風(fēng)的影響，得出巷道內(nèi)風(fēng)速增大，將會(huì)導(dǎo)致下風(fēng)流方向速度分布混亂的結(jié)論。

上述研究很少對(duì)不同類型巷道火災(zāi)時(shí)期進(jìn)行系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)。實(shí)際上，礦井巷道存在許多岔路和支路數(shù)量不等的巷道。筆者使用 CFD 軟件建立 T 形礦井巷道模型，并對(duì)火災(zāi)時(shí)期的煙流進(jìn)行控制研究。

1 礦井巷道

1.1 巷道模型及網(wǎng)格劃分

T 形礦井巷道模型如圖 1 所示。W1、W2、W3為3 個(gè)不同岔道內(nèi)豎井通風(fēng)口，尺寸為 0.9 m×0.9 m，可使用風(fēng)機(jī)控制送風(fēng)或排氣。火源位于岔道口，體積為 1 m3。為減少模擬程序，巷道截面簡(jiǎn)化為正方形。定義 W1、W2連接巷道為橫向巷道 (主巷道)，定義W3所處的短巷道為垂直巷道，圖 1 中橫向巷道 a 長(zhǎng)40 m，垂直巷道 b 長(zhǎng) 20 m，巷道截面 c為正方形，邊長(zhǎng)為 3 m。

圖1 巷道模型Fig.1 Roadway model

1.2 模擬條件設(shè)定

礦井火災(zāi)過程中，浮力效應(yīng)對(duì)煙流流動(dòng)參數(shù) (速度、溫度和氣體成分) 的空間分布影響顯著。因此，采用浮力修正的 RNG 雙方程湍流模型[13]。

火源燃燒是一個(gè)非常復(fù)雜的化學(xué)過程，筆者重點(diǎn)研究火災(zāi)煙氣流動(dòng)及控制。為簡(jiǎn)化模擬程序，在巷道火災(zāi)數(shù)值模擬中不考慮具體燃燒過程，將火源簡(jiǎn)單視為定點(diǎn)瓦斯泄漏燃燒點(diǎn)，用體積熱源替代，體積為 1 m3?！睹旱V安全》規(guī)定，瓦斯密度一般為0.716 kg/m3，設(shè)定總泄漏量為 1.5 m3/s，選取受浮力影響最大的 CO 作為示蹤氣體。根據(jù)甲烷不完全燃燒方程，質(zhì)量源 CO 設(shè)為 1.25 kg/s，熱源設(shè)置為 1 MW，不斷向周圍釋放高溫?zé)煔狻Ｏ锏雷笥叶丝诰O(shè)為排除外來影響的自由流出 outflow 條件，通風(fēng)口根據(jù)控制方式設(shè)為正速度入口或負(fù)速度出口。模型采用SIMPLE 算法進(jìn)行壓力和速度耦合。邊界條件設(shè)置如表 1 所列。

表1 邊界條件設(shè)置Tab.1 Setting of boundary conditions

1.3 煙流控制

考慮到對(duì)稱性，T 形礦井巷道模擬 4 種控制方式，如表 2 所列?？刂品绞?1 和 3 為雙巷道端口排煙，而控制方式 2 和 4 則為雙巷道端口送風(fēng)。

表2 煙流控制方式Tab.2 Control mode of smoke flow

2 模擬分析

2.1 CO 體積分?jǐn)?shù)

筆者選取了 CO 作為示蹤氣體，綜合考慮爆炸界限和中毒體積分?jǐn)?shù)，以 0.02% 作為可救援的煙氣體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)，取 1.6 m 處建立監(jiān)測(cè)線，T 形巷道 4 種控制方式監(jiān)測(cè)線上 CO 體積分?jǐn)?shù)曲線如圖 2 所示。模擬設(shè)定 60 s 時(shí)發(fā)現(xiàn)火情并開啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)流控制，即圖中 60 s 時(shí) CO 體積分?jǐn)?shù)曲線相同。分析不同位置CO 體積分?jǐn)?shù)分布情況，火源處 CO 體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)0.30%，由于火源點(diǎn)煙氣處于高速釋放狀態(tài)，發(fā)生煙囪效應(yīng)，羽流卷吸周圍空氣優(yōu)先向高處擴(kuò)散。因此火源附近 CO 體積分?jǐn)?shù)并未迅速爬升，曲線呈凹勢(shì)，煙氣到達(dá)巷道頂板后發(fā)生頂棚射流，向 3 支分岔巷道漫延，CO 體積分?jǐn)?shù)開始上升，后趨于穩(wěn)定。長(zhǎng)巷道體積分?jǐn)?shù)曲線以火源點(diǎn)為中心呈對(duì)稱分布，短巷道 CO體積分?jǐn)?shù)隨離火源點(diǎn)距離的增加有稍許降低的趨勢(shì)，體積分?jǐn)?shù)大致為 0.05%～0.10%。將 60 s 時(shí) CO 體積分?jǐn)?shù)作為各風(fēng)流控制效果參照。

圖2 4 種控制方式下 CO 的體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.2 Curve of CO volume fraction in four control modes

觀察開啟機(jī)械排煙 30 s 后 (即 90 s 時(shí)) 巷道 CO 體積分?jǐn)?shù)曲線，如圖 2 中圓形標(biāo)記線條所示?？刂品绞?1 條件下，橫邊巷道 CO 體積分?jǐn)?shù)下降明顯，處于0.02%～0.04%；監(jiān)測(cè) CO 體積分?jǐn)?shù)以火源點(diǎn)為中心，大致呈對(duì)稱分布，并且越靠近中心體積分?jǐn)?shù)越低，垂直巷道則無明顯變化。這是由于兩側(cè)機(jī)械風(fēng)壓平衡，整體流場(chǎng)穩(wěn)定，火風(fēng)壓與其共同作用加速了中間段的煙氣擴(kuò)散?？刂品绞?2 條件下，由于兩側(cè)給風(fēng)致煙氣回流，短時(shí)間內(nèi)風(fēng)機(jī)的機(jī)械風(fēng)壓不足以逆轉(zhuǎn)自然風(fēng)壓，煙氣在中段累積出現(xiàn)逆退效應(yīng)，導(dǎo)致橫向巷道CO 體積分?jǐn)?shù)不降反升，而垂直巷道有明顯下降?？刂品绞?3 條件下，巷道 3 線 CO 體積分?jǐn)?shù)均有下降，除送風(fēng)一側(cè)下降緩慢，其余兩側(cè)都達(dá)到了安全實(shí)施救援的 CO 體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn) 0.02% 以下?？刂品绞?4 較3 區(qū)別在于垂直巷道的通風(fēng)條件。當(dāng)由排煙轉(zhuǎn)為給風(fēng)時(shí)，垂直巷道 CO 體積分?jǐn)?shù)上升，越靠近通風(fēng)口 CO體積分?jǐn)?shù)越高，橫向巷道并無明顯區(qū)別。

開啟機(jī)械排煙 60 s 后 (即 120 s 時(shí)) 巷道的 CO 體積分?jǐn)?shù)曲線分別如圖 2 中三角形標(biāo)記線段所示。通風(fēng)60 s 后，控制方式 1 的橫向巷道 CO 體積分?jǐn)?shù)已完全達(dá)到救援條件，縱向巷道雖較先前有所降低，但仍位于 0.05% 附近?？刂品绞?2 的兩給風(fēng)側(cè) CO 體積分?jǐn)?shù)同樣有下降但未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，而垂直巷道 CO 體積分?jǐn)?shù)降至 0.02% 以下。這是由于隨著持續(xù)通風(fēng)和火災(zāi)發(fā)展，機(jī)械風(fēng)壓與火風(fēng)壓持續(xù)作用已趨近于平衡狀態(tài)，而部分累積的 CO 隨風(fēng)流排出，巷道整體 CO 體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)。而控制方式 3 與 4 的情況相似，同樣是橫向巷道排煙側(cè) CO 體積分?jǐn)?shù)大幅降低，控制方式3 垂直巷道 CO 體積分?jǐn)?shù)變化不大，但控制方式 4 則有所下降，還未至安全標(biāo)準(zhǔn)。說明插入段一側(cè)的通風(fēng)條件對(duì)主橫向巷道影響不大，此段巷道就 CO 體積分?jǐn)?shù)控制效果來說，排煙比給風(fēng)效果好。

2.2 排煙量

監(jiān)控各控制方式排煙口排煙情況，風(fēng)機(jī)開啟后 70～120 s 排煙口排煙量隨時(shí)間的變化曲線如圖3 所示。由圖 3 可知，控制方式 1 與 2 排煙量在進(jìn)行風(fēng)流控制后 (80 s 之前) 持續(xù)升高，80 s 后由于巷道中CO 經(jīng) 2 個(gè)排煙口大量排出，使巷道內(nèi) CO 量有所減少，從而排煙口排煙量也有所降低，100 s 后穩(wěn)定在13 000～14 000 m3/h?？刂品绞?2 與 4 排煙量總體上低于控制方式 1 與 3。因?yàn)榕艧熂性?1 個(gè)排煙口，排煙量在 90 s 處開始降低，最后穩(wěn)定在 9 000～10 000 m3/h?？偟膩碚f，控制方式 1 與 3 排煙效果更好，結(jié)合 CO 體積分?jǐn)?shù)與溫度示意圖可以推測(cè)控制方式 3 短巷道可作為最快求援通道，控制方式 1 與 3 的其他巷道可作為備用救援通道。

圖3 排煙量隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Variation curve of smoke exhaust rate with time

3 CFD 巷道試驗(yàn)分析

日本消防科學(xué)研究所曾對(duì) L 形巷道進(jìn)行一系列建模和火災(zāi)試驗(yàn)[14]，研究了 L 形巷道火災(zāi)時(shí)煙氣流動(dòng)情況；以 CO 為示蹤氣體，實(shí)測(cè)了不同風(fēng)流控制條件下CO 體積分?jǐn)?shù)的變化情況。

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皸l件

L 形巷道模型如圖 4 所示。巷道截面為正方形；通風(fēng)口 V1、V2同為邊長(zhǎng)為 90 mm 的正方形；* 為 CO監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位于巷道頂部。試驗(yàn)方法步驟如下。

(1) 使用燃燒器，固定巷道初始 CO 體積分?jǐn)?shù)。

(2) 開啟風(fēng)機(jī)，使 V1處于供風(fēng)狀態(tài)，V2處于排風(fēng)狀態(tài)。

(3) 監(jiān)測(cè)各點(diǎn) CO 體積分?jǐn)?shù)變化情況。建立同樣L 形巷道，使用 CFD 流體力學(xué)軟件模擬 CO 體積分?jǐn)?shù)變化，火源按照體積熱源設(shè)置，風(fēng)機(jī)排氣供氣速度與試驗(yàn)條件一致，設(shè)置為 1.8 m/s。

圖4 L 型巷道模型Fig.4 L-shaped roadway model

3.2 模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

CO 體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線如圖 5 所示。由圖 5 可知，模擬值與試驗(yàn)值擬合較好，CO 體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間呈逐步下降趨勢(shì)?？梢?CFD 可用于礦井巷道火災(zāi)時(shí)期的煙氣控制研究。

圖5 CO 體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Variation curve of CO volume fraction with time

4 結(jié)語

(1) 礦井火災(zāi)發(fā)生后，由于煙囪效應(yīng)，煙氣迅速向巷道頂板沖擊，到達(dá)頂部后沿巷道岔路附壁貼流，在巷道 3 個(gè)端口均發(fā)生煙氣逆推使溫度升高，及時(shí)通風(fēng)有助于改善逃生條件。

(2) 就煙氣體積分?jǐn)?shù)控制效果來說，主干巷道的通風(fēng)條件變化影響明顯。由于存在拐角處的地形因素影響，插入段一側(cè)的通風(fēng)條件對(duì)橫向巷道整體影響較小，此段巷道排煙比給風(fēng)效果稍好。

(3) 相同風(fēng)速下，綜合排煙量、溫度控制以及 CO體積分?jǐn)?shù)分布來看，控制方式 1 與 3 排煙效果較其他更好，說明 1 給 2 排式通風(fēng)對(duì) 3 叉巷道的煙流控制效果顯著。

(4) 筆者采用穩(wěn)態(tài)體積熱源模擬火源，但在具體細(xì)節(jié)的還原設(shè)置上還有待進(jìn)一步的研究與探討，如忽略了實(shí)際火災(zāi)中的非穩(wěn)態(tài)火源階段等。更加精細(xì)的模型有助于掌握火災(zāi)的規(guī)律，可為統(tǒng)一制訂應(yīng)急措施提供參照。