梁娟娟

（山西中能華信礦業(yè)技術(shù)有限公司，山西 太原 030031）

煤炭企業(yè)在井下采掘過程中會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，存在較大的危險性[1]。緊急避難硐室的作用在于煤礦井下發(fā)生事故后，為無法達(dá)到地面的井下工作人員提供安全避災(zāi)空間[2]。避難人員進(jìn)入硐室后難免會攜帶一定量有害氣體，同樣在硐室避難過程中人體代謝也將產(chǎn)生一定量的CO2、CO、H2S，威脅硐室內(nèi)人員的生存。筆者在對避難硐室內(nèi)部環(huán)境和人體代謝產(chǎn)生氣體分析后，建立了模型，并對不同供風(fēng)工況進(jìn)行了模擬，研究結(jié)果可為避難硐室的建設(shè)及排污提供參考。

1 避難硐室的環(huán)境分析

避難硐室需具備壓縮氧自救器、水、食物、通信、照明等裝備，并為避險人員提供新鮮空氣，具有溫度、濕度的調(diào)節(jié)功能，可以對有毒有害氣體及時凈化[3]。避難硐室屬于高溫潮濕環(huán)境，如果氣體含量、溫濕度超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)會破壞人體熱平衡，使避難人員出現(xiàn)煩躁情緒，甚至?xí)l(fā)生嘔吐、眩暈、胸悶等癥狀。理想的礦井避難硐室的氣候環(huán)境為：O2體積分?jǐn)?shù)為18. 5%～23. 0%，CO2平均體積分?jǐn)?shù)≤1. 0%，瓦斯體積分?jǐn)?shù)≤1. 0% ，CO 體積分?jǐn)?shù)≤0. 002 4%，氣溫控制在26 ℃以內(nèi)，相對濕度在85%以內(nèi)[4-5]。

2 人體代謝產(chǎn)物中有害氣體及對人體影響

人體物質(zhì)和能量的代謝是引發(fā)避難硐室在密閉后環(huán)境惡化的主要原因。當(dāng)室內(nèi)空氣中CO2平均濃度達(dá)到3%時會使人快速出現(xiàn)頭疼癥狀。CO 的體積分?jǐn)?shù)臨界值為5×10-5，超過該值后會影響避難人員的視線和生命體征，是具有代表性的有毒有害氣體。H2S 主要破壞的是人的視覺神經(jīng)，不得超過1×10-5。其他有毒有害氣體還有如甲醇、NH3等，會具有不同程度的麻醉、刺激作用。

3 避難硐室載人試驗(yàn)實(shí)測

本次載人試驗(yàn)所選取的避難硐室實(shí)驗(yàn)室與井下配置相同，尺寸為長9.0 m，寬4.0 m，高3.0 m，可容納40 人緊急避險。該硐室共有兩道密閉門與外界相隔絕，通過壓縮氧氣瓶為室內(nèi)提供氧氣，并配備有空氣凈化裝置。

3.1 試驗(yàn)初始狀態(tài)與測點(diǎn)布置

試驗(yàn)共選擇40 名身體健康的男性人員作為試驗(yàn)對象，以有毒有害氣體的濃度、環(huán)境溫度為主要測試內(nèi)容。根據(jù)文獻(xiàn)，避難硐室內(nèi)人均生成CO、CH4、NH3氣體的速率分別為 20～25 mg/d、41～60 mg/d、2～3 mg/d。為直觀對比各送風(fēng)工況下避難硐室環(huán)境控制的效果，將在室內(nèi)布置4 組測點(diǎn)，初始溫度每組測點(diǎn)將對溫度、CO 和CO2濃度進(jìn)行監(jiān)測，布置圖如圖1。

圖1 避難硐室測點(diǎn)布置圖

3.2 試驗(yàn)過程

將試驗(yàn)避難硐室的溫度調(diào)至25 ℃，待系統(tǒng)穩(wěn)定后40名測試人員進(jìn)入硐室，隨后關(guān)閉硐室密閉門，開啟供氧系統(tǒng)，速度為40 L/min。先后測試不同供風(fēng)能力下硐室溫度和有害氣體的分布，并開啟凈化設(shè)備進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)，根據(jù)4 組測點(diǎn)收錄有毒有害氣體的變化規(guī)律。

4 避難硐室載人的模擬

4.1 初始條件的設(shè)置

利用Fluent 進(jìn)行避難硐室有害氣體的數(shù)值模擬，選取Realizablek-ε為湍流模型進(jìn)行計算，設(shè)定人體表面為32 ℃恒溫的邊界條件，室內(nèi)初始溫度為25℃，人體呼吸氣體主要有O2、CO2、N2、水蒸氣，設(shè)定其占比為16%、78%、4%、2%，被定義為恒溫邊界條件，其溫度為32 ℃，釋放速率為0.5 L/（min·人）。壓風(fēng)進(jìn)風(fēng)口被定義為 velocity-inlet 入口，先后設(shè)定風(fēng)量為200 m3/h、400 m3/h、800 m3/h、1000 m3/h，排風(fēng)出口被定義為outflow，模型壁面被定義為絕熱邊界。

4.2 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比

現(xiàn)場壓風(fēng)供氧試驗(yàn)共進(jìn)行了2 種供風(fēng)工況，工況1 供風(fēng)量為200 m3/h，工況2 供風(fēng)量為400 m3/h，兩種工況試驗(yàn)時長均為60 min。最終4 個監(jiān)測點(diǎn)的溫度、CO2和CO 體積分?jǐn)?shù)的實(shí)測值和模擬值對比見表1。結(jié)果表明，兩種計算方式所得的數(shù)據(jù)誤差均控制在15%以內(nèi)，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，說明本文選取的模型計算方法較為合理。

表1 實(shí)測值和模擬值對比表

4.3 通風(fēng)及余熱排放效率

圖2 為模擬不同送風(fēng)工況下，CO2平均體積分?jǐn)?shù)、平均溫度、通風(fēng)效率和余熱排放效率的變化趨勢。結(jié)果表明，硐室內(nèi)的溫度和CO2濃度隨供風(fēng)量的增大而降低，但是通風(fēng)效率和余熱排放效率卻呈現(xiàn)出先降低后穩(wěn)步上升的態(tài)勢。分析認(rèn)為這是由于避難硐室生存區(qū)回風(fēng)口排風(fēng)能力有限的原因，導(dǎo)致新鮮風(fēng)流無法完全展現(xiàn)出排污能力。當(dāng)供風(fēng)量設(shè)置為400 m3/h 時為合理的氣流狀態(tài)，有利于通風(fēng)效率的提高和余熱排放。

圖2 不同供風(fēng)工況下避難硐室環(huán)境變化趨勢

4.4 污染物的分布

圖3 是供風(fēng)量為400 m3/h 時，安裝5 個散流器后CO2的分布云圖?？梢钥闯錾⒘髌鲗鲜覂?nèi)的空氣流通有一定促進(jìn)作用，CO2平均體積分?jǐn)?shù)由0.25%下降到0.18%，此時人體的感覺將較為舒適，安全性較高。

圖3 CO2 體積分?jǐn)?shù)分布云圖

5 結(jié)論

（1）采用Realizablek-ε模型和SIMPLE 算法構(gòu)建的避難硐室模型計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為相符，相對誤差大多控制在15%以內(nèi)。

（2）硐室內(nèi)CO2平均體積分?jǐn)?shù)和平均溫度隨通風(fēng)量的增大而降低，但通風(fēng)效率和余熱排放效率卻呈現(xiàn)出先降低后穩(wěn)步上升的態(tài)勢。分析認(rèn)為這是由于避難硐室生存區(qū)出風(fēng)口排風(fēng)能力有限，導(dǎo)致新鮮風(fēng)流無法完全展現(xiàn)出排污能力。

（3）散流器對硐室內(nèi)的空氣流通有一定促進(jìn)作用，當(dāng)供風(fēng)量為400 m3/h 時，安裝5 個散流器后CO2的體積分?jǐn)?shù)也得到了有效控制，CO2平均體積分?jǐn)?shù)由0.25%下降到0.18%。