礦井避難硐室凈化裝置布局?jǐn)?shù)值模擬研究

鄧元媛 張祖敬 袁艷平

(1. 四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川省成都市，611130；2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川省成都市，610312；3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市九龍坡區(qū)，400039)

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礦井避難硐室凈化裝置布局?jǐn)?shù)值模擬研究

鄧元媛1張祖敬2,3袁艷平2

(1. 四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川省成都市，611130；2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川省成都市，610312；3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市九龍坡區(qū)，400039)

為探索凈化裝置在避難硐室內(nèi)的合理配置與布局，本文采用FLUENT數(shù)值計(jì)算軟件，研究了長(zhǎng)通道式和轉(zhuǎn)角式礦井避難硐室內(nèi)凈化裝置配置與布局對(duì)室內(nèi)空氣流場(chǎng)及CO2濃度分布場(chǎng)的影響。研究結(jié)果表明，對(duì)于50人型避難硐室，僅采用1臺(tái)凈化裝置時(shí)，室內(nèi)CO2濃度可控制在0.9%，室內(nèi)濃度差為0.5%；采用兩臺(tái)凈化裝置時(shí)，室內(nèi)CO2濃度范圍為0.4%～0.7%，室內(nèi)最大CO2濃度差值為0.3%，長(zhǎng)通道式避難硐室凈化裝置宜分布在硐室兩端，轉(zhuǎn)角式避難硐室凈化裝置宜分布在兩翼靠近壁面的中部；使用3臺(tái)凈化裝置時(shí)，室內(nèi)CO2濃度控制在0.3%～0.5%的范圍，室內(nèi)最大CO2濃度差值為0.2%。

長(zhǎng)通道式避難硐室 轉(zhuǎn)角式避難硐室 凈化裝置 CO2濃度 空氣流場(chǎng)

礦井避難硐室是設(shè)置在礦井逃生路線上為事故遇險(xiǎn)人員提供96 h以上安全防護(hù)的與災(zāi)區(qū)環(huán)境相對(duì)隔絕的密閉空間。自2010年8·5智利圣何塞銅礦坍塌事故后，礦井避難硐室的作用和重要性得到前所未有的關(guān)注和重視。2017年神木縣板定梁塔煤礦4·19透水事故中，6名遇險(xiǎn)礦工被困井下避難硐室77 h后成功獲救；2017年山西清徐東于煤礦5·22透水事故中，4名遇險(xiǎn)礦工躲入避難硐室獲救。

空氣質(zhì)量是井下人員安全避災(zāi)的基本保障，澳大利亞與美國(guó)規(guī)定避難硐室內(nèi)CO2平均濃度不高于1%，連續(xù)24 h內(nèi)最高濃度不超過(guò)2.5%，CO濃度不大于0.0025%；我國(guó)要求避難硐室內(nèi)CO2濃度不大于1%，CO濃度不大于0.0024%。由于災(zāi)后井下供電中斷和設(shè)備的防爆要求，空氣凈化成為避難硐室內(nèi)難以解決的關(guān)鍵技術(shù)。

周方年研究得出避災(zāi)期間人體的CO2代謝速率為0.34 L/min；郭莉華等研究了人體代謝產(chǎn)生的CO、H2S、NH3等微量氣體成分與代謝速率；張祖敬等研究提出在避難硐室內(nèi)對(duì)人體產(chǎn)生的CO、H2S等微量氣體無(wú)需凈化，重點(diǎn)考慮去除CO2。目前，大多數(shù)煤礦避難硐室采用的凈化方式是安裝空氣凈化裝置和懸掛凈化藥簾。葛亮等研究了一種集電動(dòng)、氣動(dòng)、腳踏3種驅(qū)動(dòng)方式為一體的避難硐室用空氣凈化裝置；陳于金等研制了一種集成空氣凈化與降溫功能的降溫凈化裝置；何廷梅采用數(shù)值模擬方式研究認(rèn)為2臺(tái)凈化裝置可將CO2濃度控制在0.50%以下。從已有文獻(xiàn)可看出，避難硐室內(nèi)空氣凈化技術(shù)主要集中于凈化裝置的研制，而在硐室內(nèi)凈化裝置合理配置與布局優(yōu)化方面缺乏系統(tǒng)地研究。

為了合理配置避難硐室內(nèi)凈化裝置數(shù)量并優(yōu)化裝置布局，本文建立了長(zhǎng)通道式和轉(zhuǎn)角式避難硐室?guī)缀文Ｐ?，采用FLUENT軟件研究了50人型避難硐室內(nèi)不同人員分布和凈化裝置配置與布局情況下室內(nèi)的空氣流場(chǎng)與CO2濃度場(chǎng)分布，得出不同結(jié)構(gòu)避難硐室內(nèi)，人員與凈化裝置的合理布局模型。

1 模型建立及工況、參數(shù)設(shè)置

1.1 模型建立

長(zhǎng)通道式50人型避難硐室物理模型呈拱形，長(zhǎng)17 m、寬4 m、高3.3 m，體積為223 m3；硐室內(nèi)人員呈坐姿狀態(tài)，為降低建模與運(yùn)算難度，人體模型簡(jiǎn)化為由多個(gè)長(zhǎng)方體組成的整體，高1.1 m，人員呼氣出口簡(jiǎn)化為0.015 m×0.03 m的矩形面，相對(duì)底邊高1 m；凈化裝置簡(jiǎn)化為0.4 m×0.4 m×1 m的長(zhǎng)方體，在凈化裝置的正面距離底邊高0.8 m處作半徑為0.036 m的圓形面為凈化裝置出風(fēng)口，底面為凈化裝置進(jìn)風(fēng)口。根據(jù)生存室內(nèi)部結(jié)構(gòu)及室內(nèi)人員數(shù)量，主要考慮兩種布局模型。其中，模型1中，沿生存室長(zhǎng)邊的一側(cè)放置3臺(tái)凈化裝置，而人員分坐于另一側(cè)；模型2中，2臺(tái)凈化裝置分布在硐室兩端，人員呈4排分坐在生存室內(nèi)。兩種不同的布局模型如圖1(a)、(b)所示。

圖1 長(zhǎng)通道式50人硐室布局

轉(zhuǎn)角式50人型避難硐室物理模型中，硐室橫斷面與長(zhǎng)通道式相同，內(nèi)邊長(zhǎng)8.5 m，外邊長(zhǎng)10.5 m。除此之外，模型中人體與凈化裝置幾何尺寸與上述相同。根據(jù)生存室內(nèi)部結(jié)構(gòu)及室內(nèi)人員數(shù)量，主要考慮兩種布局模型。其中，模型1中，沿生存室兩翼長(zhǎng)邊的一側(cè)分別放置1臺(tái)凈化裝置，外轉(zhuǎn)角處放置1臺(tái)凈化裝置，而人員分坐于兩翼短邊的一側(cè)；模型2中，硐室兩翼的兩端各放置1臺(tái)凈化裝置，外轉(zhuǎn)角處放置1臺(tái)凈化裝置，人員分坐生存室內(nèi)兩翼。兩種不同的布局模型如圖2(a)、(b)所示。

圖2 轉(zhuǎn)角式50人硐室布局

1.2 模擬工況

長(zhǎng)通道布局模型1中，3臺(tái)凈化裝置從左到右依次編號(hào)為1、2、3；模型2中，2臺(tái)凈化裝置依次編號(hào)為4、5。轉(zhuǎn)角式布局模型1中，3臺(tái)凈化裝置從左到右依次編號(hào)為6、7、8；模型2中，3臺(tái)凈化裝置依次編號(hào)為9、10、11。

為檢驗(yàn)凈化裝置數(shù)量與布局對(duì)避難硐室內(nèi)空氣流場(chǎng)及CO2凈化效果的影響，對(duì)長(zhǎng)通道式和轉(zhuǎn)角式避難硐室分別進(jìn)行5種不同工況的模擬分析，凈化裝置使用情況如表1所示。

表1 凈化裝置使用工況

1.3 邊界類(lèi)型與初始條件設(shè)置

根據(jù)避難硐室內(nèi)空氣凈化裝置凈化工作原理，凈化裝置出風(fēng)口為硐室的進(jìn)風(fēng)口，凈化裝置的進(jìn)風(fēng)口為模型出風(fēng)口。因此，將模擬工況中運(yùn)行的凈化裝置空氣進(jìn)、出口分別設(shè)置為outflow與Velocity-inlet，而未運(yùn)行的凈化裝置進(jìn)、出口均設(shè)置為wall。人員呼氣出口為模型中CO2混合氣體的進(jìn)風(fēng)口，設(shè)置為Velocity-inlet。避災(zāi)時(shí)，人為靜坐或睡眠狀態(tài)，根據(jù)文獻(xiàn)，取人均呼出CO2速率為0.34 L/min。呼出氣體中O2占16%，CO2占4%，N2占78%，其余氣體假定為水蒸氣，占2%。可計(jì)算出模型中人體呼氣出口風(fēng)速為0.26 m/s。

根據(jù)常見(jiàn)礦井避難硐室內(nèi)空氣凈化裝置的實(shí)際使用性能，凈化裝置出風(fēng)口風(fēng)速取值10 m/s。同時(shí)，假設(shè)凈化裝置出口吹出的氣流為新鮮風(fēng)流。具體邊界類(lèi)型定義及邊界條件設(shè)置如表2所示。

2 結(jié)果分析

2.1 長(zhǎng)通道避難硐室內(nèi)空氣流場(chǎng)分布

為了分析長(zhǎng)通道式50人型避難硐室中5種不同工況下室內(nèi)空氣流場(chǎng)分布效果，將風(fēng)速顯示分辨率最大值設(shè)置為3 m/s，不同工況下室內(nèi)氣流分布如圖3所示。

表2 邊界條件設(shè)置

圖3 不同工況下長(zhǎng)通道避難硐室內(nèi)氣流分布

由圖3可看出，在距離出風(fēng)口2 m以?xún)?nèi)的范圍風(fēng)速衰減到1 m/s以下；凈化裝置開(kāi)啟數(shù)量的增加使室內(nèi)風(fēng)流分布更加均勻，但影響效果并不顯著，硐室內(nèi)大部分區(qū)域的風(fēng)流速度在0.4 m/s以下范圍。

2.2 長(zhǎng)通道避難硐室內(nèi)CO2濃度分布

將CO2濃度顯示分辨率最大值設(shè)置為1×10-2，5種不同工況避難硐室內(nèi)CO2濃度分布如圖4所示。

圖4 不同工況下長(zhǎng)通道避難硐室內(nèi)CO2濃度分布

由圖4(a)、(d)看出，硐室內(nèi)僅開(kāi)啟1臺(tái)凈化裝置時(shí)，硐室內(nèi)CO2濃度分布明顯不均勻，硐室兩頭CO2濃度較高，已接近0.90%，而凈化裝置所在的中心區(qū)域CO2濃度在0.06%～0.07%范圍內(nèi)；由圖4(b)、(e)看出，硐室內(nèi)開(kāi)啟2臺(tái)凈化裝置時(shí)，硐室內(nèi)CO2濃度分布相對(duì)比較均勻，濃度值在0.36%～0.50%之間；由圖4(c)可看出，硐室內(nèi)開(kāi)啟3臺(tái)凈化裝置時(shí)，硐室內(nèi)CO2濃度分布更加均勻，分布在0.27%～0.35%之間。通過(guò)比較可以看出，增加避難硐室內(nèi)的凈化裝置開(kāi)啟數(shù)量能使硐室內(nèi)CO2濃度分布更加均勻，起到更好的凈化效果。

2.3 轉(zhuǎn)角式避難硐室內(nèi)空氣流場(chǎng)分布

為比較2臺(tái)凈化裝置不同布局時(shí)硐室內(nèi)空氣流場(chǎng)分布，將工況7、9進(jìn)行比較；為比較3臺(tái)凈化裝置不同布局時(shí)硐室內(nèi)空氣流場(chǎng)分布，將工況8、10進(jìn)行比較，不同工況下室內(nèi)空氣流場(chǎng)分布如圖5所示。

圖5 不同工況下轉(zhuǎn)角式避難硐室內(nèi)空氣流場(chǎng)分布

由圖5(a)、(c)看出，2臺(tái)凈化裝置時(shí)模型1與模型2中的空氣流場(chǎng)略有差距，室內(nèi)風(fēng)速主要分布在0.75 m/s以下；由圖5(b)、(d)看出，3臺(tái)凈化裝置時(shí)室內(nèi)風(fēng)速主要分布在0.5～1 m/s，模型1中風(fēng)速較模型2中的分布均勻。

2.4 轉(zhuǎn)角式避難硐室內(nèi)CO2濃度分布

CO2濃度顯示分辨率最大值設(shè)置為1×10-2，5種不同工況下避難硐室內(nèi)CO2濃度分布如圖6所示。

圖6 不同工況下轉(zhuǎn)角式避難硐室內(nèi)CO2濃度分布

由圖6(a)看出，僅有1臺(tái)凈化裝置工作情況下，室內(nèi)大部分區(qū)域CO2濃度在1%以下，但局部CO2濃度在1%以上，因此1臺(tái)凈化裝置不能滿(mǎn)足50人的避難硐室CO2氣體凈化需要；由圖6(b)、(d)看出，2臺(tái)凈化裝置時(shí)，硐室內(nèi)CO2濃度主要分布在0.4%～0.7%， CO2濃度差值小于0.2%，滿(mǎn)足室內(nèi)CO2空氣凈化需要，而工況7較工況9凈化效果更好；由圖6(c)、(e)看出，3臺(tái)凈化裝置時(shí)，硐室內(nèi)CO2濃度主要分布在0.3%～0.5%，CO2濃度差值小于0.1%，工況8較工況10凈化效果更好。

3 結(jié)論

(1)在不考慮凈化裝置的條件下，在50人型避難硐室中使用1臺(tái)風(fēng)量為2.4 m3/min、出口風(fēng)速為10 m/s的凈化裝置時(shí)，能將室內(nèi)CO2濃度控制在0.9%以下，但CO2濃度與風(fēng)速分布不均勻，室內(nèi)最大CO2濃度差達(dá)0.5%。長(zhǎng)通道式避難硐室使用1臺(tái)凈化裝置時(shí)，凈化裝置布置在硐室的一端室內(nèi)CO2濃度分布更加均勻；轉(zhuǎn)角式避難硐室使用1臺(tái)凈化裝置時(shí)，凈化裝置宜布置在室內(nèi)轉(zhuǎn)角處。

(2)使用2臺(tái)凈化裝置時(shí)，室內(nèi)CO2濃度控制在0.4%～0.7%的范圍，室內(nèi)最大CO2濃度差為0.3%。長(zhǎng)通道式避難硐室使用2臺(tái)凈化裝置時(shí)，凈化裝置宜布置在硐室兩端；轉(zhuǎn)角式避難硐室使用2臺(tái)凈化裝置時(shí)，凈化裝置宜布置在兩翼沿墻壁的中部。

(3)使用3臺(tái)凈化裝置時(shí)，室內(nèi)CO2濃度控制在0.3%～0.5%的范圍，室內(nèi)最大CO2濃度差為0.2%。在轉(zhuǎn)角式避難硐室內(nèi)，3臺(tái)凈化裝置宜布置在硐室兩翼端部和轉(zhuǎn)角處。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Numerical simulation research on the layout of purification devices in mine refuge chamber

Deng Yuanyuan1, Zhang Zujing2,3，Yuan Yanping2

(1. Sichuan Vocationaland Technical College of Communications, Chengdu, Sichuan 611030, China;2. Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610312, China;3. China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Jiulongpo, Chongqing 400700, China)

In order to explore a reasonable configuration and layout of purification devices in mine refuge chamber, the influence of air purification devices layout in long tunnel and corner-shaped chambers on air flow field and CO2concentration distribution was studied by using FLUENT software. The results showed that, for 50-person refuge chambers, with only 1 set of purification devices, the CO2concentrations could be controlled under 0.9% and the concentration difference was 0.5%; with two sets of purification devices, the CO2concentration ranged from 0.4% to 0.7%, CO2concentration difference was 0.3%. For the long tunnel refuge chamber, the purification devices should be distributed in both ends of the chamber; for corner-shaped refuge chamber, the cleaning device should be distributed in the middle of the wings which close to the wall surface. Using 3 purification devices, the indoor CO2concentration was controlled in the range of 0.3%～0.5%, the maximum CO2concentration difference was 0.2%.

long-tunnel refuge chamber, corner-shaped refuge chamber, purification device, CO2concentration, air flow field

鄧元媛，張祖敬等.礦井避難硐室凈化裝置布局?jǐn)?shù)值模擬研究[J].中國(guó)煤炭，2017,43(7)：126-130，138. Deng Yuanyuan, Zhang Zujing，Yuan Yanping. Numerical simulation research on the layout of purification devices in mine refuge chamber [J]. China Coal, 2017，43(7):126-130，138.

TD774

A

鄧元媛(1981-)，女，四川達(dá)州人，本科學(xué)歷，副教授，主要從事建筑節(jié)能與通風(fēng)研究方面的工作。