巷道火災(zāi)時期煙流參數(shù)變化規(guī)律模擬分析

劉業(yè)嬌，薛俊華，袁 亮，田志超，鄧東生

(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實驗室，河南 焦作 454000；4.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001；5.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽110819)

煤礦井下空間狹小、通風(fēng)巷道錯綜復(fù)雜、供風(fēng)量有限，發(fā)生火災(zāi)時井下人員的逃生避災(zāi)會受到空間環(huán)境的影響。礦井巷道火災(zāi)燃燒時形成火風(fēng)壓，容易引起局部風(fēng)流紊亂，甚至造成整個通風(fēng)系統(tǒng)混亂，容易造成井下人員燒傷、中毒或窒息事故，造成巨大損失。國內(nèi)外研究狀況表明，對礦井火災(zāi)發(fā)生發(fā)展規(guī)律的研究方法主要有理論分析、實驗研究和計算機(jī)模擬三種[1-2]，這三種研究方法互相依存，互為驗證。本文主要采用計算機(jī)模擬手段對巷道火災(zāi)時期煙流參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析，力求得到火災(zāi)時期煙氣流動的全面模擬結(jié)果和明確發(fā)展趨勢，以有效指導(dǎo)礦井火災(zāi)預(yù)防工作以及為開展火災(zāi)救援行動指明方向。

1 礦井巷道火災(zāi)模型的建立及網(wǎng)格劃分

1.1 礦井巷道火災(zāi)模擬實驗系統(tǒng)的建立

為研究火災(zāi)時期礦井巷道煙流參數(shù)的變化規(guī)律，按照流體相似原理，選取內(nèi)蒙古鄂爾多斯市某煤礦N401工作面進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)中的主運(yùn)順槽、輔運(yùn)順槽以及聯(lián)絡(luò)巷為原型，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，按?∶20比例構(gòu)建實驗?zāi)Ｐ?。實驗系統(tǒng)中主運(yùn)順槽和輔運(yùn)順槽長度為8.6 m，聯(lián)絡(luò)巷長度為1 m，所有巷道的斷面寬度為0.25 m，斷面高度為0.175 m，斷面積為0.045 m2，火區(qū)位于主運(yùn)順槽左端距離入口0.775 m處。實驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[3-4]。

單位：mm圖1 實驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 礦井巷道火災(zāi)物理模型的建立

本文主要研究礦井巷道火災(zāi)時期煙氣對下風(fēng)側(cè)巷道風(fēng)流的影響及其災(zāi)變規(guī)律，不考慮火災(zāi)燃燒的具體過程及后續(xù)反應(yīng)，因此，只將火源簡化為一個固定體積的穩(wěn)態(tài)高溫?zé)嵩?。通過煤類火災(zāi)材料的熱釋放特性實驗和煤類火源總放熱量的實驗數(shù)據(jù)，火源釋放能量取432 kJ，煙氣成分主要是CO和CO2。根據(jù)建立的“礦井巷道火災(zāi)模擬實驗系統(tǒng)”，在GAMBIT中建立相應(yīng)的幾何模型，生成三維模型[5]。

在對火災(zāi)煙氣流動數(shù)值模擬時，為方便計算，進(jìn)行以下假設(shè)[6-7]：①火災(zāi)火源的熱釋放速率值為一定值，生成的煙氣成份主要為CO和CO2，并且生成物的質(zhì)量生成率為固定值；②火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣視為不可壓縮流體，遵循理想氣體狀態(tài)方程；③火災(zāi)煙氣在所研究巷道中的流動為均相、無化學(xué)反應(yīng)的流動；④實驗?zāi)M巷道為矩形，巷道壁面干燥無滲透，且火災(zāi)期間保持恒溫；⑤火災(zāi)煙流為充分發(fā)展的紊流流動；⑥不考慮采空區(qū)漏風(fēng)以及工作面瓦斯的影響。

1.3 網(wǎng)格劃分

要對火災(zāi)時期巷道煙流參數(shù)(溫度、速度、密度和壓力)的分布情況進(jìn)行模擬，必須對三維巷道物理模型進(jìn)行離散化，即網(wǎng)格劃分。利用GAMBIT軟件先對巷道模型的各個邊劃分網(wǎng)格，劃分時Spacing的Intervel count根據(jù)需要取值；然后對各個面(包括巷道模型的左右面、前后面等)采用Quad-Map方法劃分網(wǎng)格，并對巷道模型底面采用Quad-Pave方法劃分網(wǎng)格，巷道模型頂面無需劃分網(wǎng)格；最后對整個三維巷道模型采用Hex/Wedge-Cooper方法進(jìn)行體網(wǎng)格劃分。劃分好的三維巷道模型網(wǎng)格類型主要為六面體網(wǎng)格單元，也包括在適當(dāng)位置的楔形網(wǎng)格。整個實驗裝置的三維物理模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

2 初始、邊界條件的設(shè)定及計算模型的選取

在礦井巷道火災(zāi)三維物理模型中，Inlet1是速度入口(VELOCITY-INLET)，進(jìn)口物質(zhì)為煙氣(CO、CO2和空氣的混合物)，巷道入口初始速度分別取vin為0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s、3.5 m/s、6.5 m/s、8 m/s，速度方向為X軸正方向，溫度為500 K。Outlet設(shè)置在模型巷道出口處，其邊界條件是自由出流(outflow)。巷道壁面設(shè)置為壁面(wall)，且壁面是無滑移、絕熱的固壁，溫度為283 K。巷道頂板和底板設(shè)定為煤壁，巷道兩幫設(shè)定為混凝土壁面，巷道壁面具體參數(shù)的設(shè)置如表1所示[8-10]。

模擬時將巷道風(fēng)流視為不可壓縮風(fēng)流，計算模型選用RNGk-ε兩方程湍流模型，選擇能量方程，采用SIMPLE算法。入口湍流動能系數(shù)kin及湍流動能耗散率εin分別按照式(1)和式(2)進(jìn)行計算。

(1)

(2)

當(dāng)vin分別為0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s、3.5 m/s、6.5 m/s、8 m/s時，得出入口湍流動能系數(shù)kin及湍流動能耗散率εin的數(shù)值，見表2。

圖2 實驗裝置三維物理模型及網(wǎng)格劃分示意圖

表1 巷道壁面參數(shù)

參數(shù)煤壁混凝土壁面密度/(kg/m3)6002 551定壓比熱容/(J/(kg·K))1 1001 500導(dǎo)熱率/(W/(m·K))0.231.74傳熱系數(shù)/(W/(m2·K))0.250.58壁厚/m0.0150.013

表2 不同入口速度條件下kin和εin數(shù)值

另外，由于巷道火災(zāi)火源設(shè)定為穩(wěn)態(tài)固定熱源，因此只進(jìn)行礦井巷道火災(zāi)煙流參數(shù)的穩(wěn)態(tài)模擬，模擬時參數(shù)“time”設(shè)定為“steady”。

3 火災(zāi)時期煙流參數(shù)穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果分析

根據(jù)巷道風(fēng)流入口速度(vin)的不同，采用FLUENT軟件模擬分析礦井火災(zāi)燃燒穩(wěn)定階段時煙流溫度場、速度場、密度場和壓力場在巷道內(nèi)的變化規(guī)律和分布情況。取不同截面進(jìn)行分析，X方向取0.45 m、1.1 m、2.6 m、4.35 m、6.05 m、7.75 m，即實驗?zāi)Ｐ椭懈鳒y點(diǎn)所對應(yīng)的斷面1～12；Y方向取0.125 m、0.8 m、1.4 m，即在實驗?zāi)Ｐ偷闹鬟\(yùn)順槽、聯(lián)絡(luò)巷和輔運(yùn)順槽中各縱向取一個截面；Z方向取0.025 m、0.15 m，即截取緊貼巷道底部和頂部的斷面。

由于當(dāng)vin≥2.5 m/s時，巷道煙流溫度、速度、密度和靜壓的分布情況都分別大致相同，所以在做不同截面處的煙流參數(shù)數(shù)值模擬云圖時，只選取當(dāng)vin為0.5 m/s和2.5 m/s時的情況進(jìn)行分析。但在對火災(zāi)時期巷道煙流參數(shù)的分布情況進(jìn)行匯總分析時，為了更全面和更直觀，選取的是當(dāng)vin分別為0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s、3.5 m/s、6.5 m/s、8 m/s時的有關(guān)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)。

3.1 火災(zāi)時期巷道煙流參數(shù)變化規(guī)律的數(shù)值模擬云圖分析

3.1.1 火災(zāi)時期巷道煙流溫度場的分布情況

當(dāng)巷道風(fēng)流入口速度vin取不同值時，火災(zāi)巷道煙流溫度場的數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。

從圖3(a)可以看出，當(dāng)vin=0.5 m/s時：巷道底部(z=0.025 m)只有主運(yùn)順槽的左半部分受到火災(zāi)煙流影響，主運(yùn)順槽的右半部分、輔運(yùn)順槽、聯(lián)絡(luò)巷1和聯(lián)絡(luò)巷2基本上還未受到火災(zāi)煙流侵襲；巷道頂部(z=0.15 m)煙流溫度開始升高，主運(yùn)順槽頂部煙流在與聯(lián)絡(luò)巷1的交叉口處同時向斷面3到斷面5方向和聯(lián)絡(luò)巷1中蔓延；輔運(yùn)順槽頂部煙流溫度呈現(xiàn)出在與聯(lián)絡(luò)巷1交叉口處對稱分布的現(xiàn)象，交叉口處最高，左右兩側(cè)逐漸降低；但此時煙流僅蔓延到斷面9處。

從圖3(b)可以看出，當(dāng)vin=2.5 m/s時：火災(zāi)煙流已蔓延到整個巷道(主運(yùn)順槽、輔運(yùn)順槽、聯(lián)絡(luò)巷1、聯(lián)絡(luò)巷2和巷道出口位置等)，并且巷道各個地點(diǎn)溫度均達(dá)到最大值；主運(yùn)順槽溫度由左到右雖然有逐漸降低的趨勢，但降低幅度不大，基本維持在490 K左右；此時輔運(yùn)順槽與聯(lián)絡(luò)巷1交叉口處溫度已不是對稱分布，而是交叉口處溫度最高；輔運(yùn)順槽中位于交叉口左部溫度最低，大約為346 K，輔運(yùn)順槽中位于交叉口右部溫度從交叉口開始向右逐漸降低，最低處約377 K，在巷道出口處溫度反而又略微升高，約為428 K。

從圖3可以看出，火災(zāi)發(fā)生后，不管巷道風(fēng)流入口速度取值多少，巷道煙流溫度的變化總體上具有以下規(guī)律：煙流擴(kuò)散范圍逐漸增大，先由主運(yùn)順槽擴(kuò)散到聯(lián)絡(luò)巷1，然后蔓延到輔運(yùn)順槽，最后蔓延到聯(lián)絡(luò)巷2；主運(yùn)順槽煙流溫度從左到右逐漸降低；主運(yùn)順槽煙流溫度要高于輔運(yùn)順槽煙流溫度；聯(lián)絡(luò)巷1煙流溫度要高于聯(lián)絡(luò)巷2煙流溫度；巷道頂部(z=0.15 m)煙流溫度要比底部(z=0.025 m)煙流溫度升高的快。

3.1.2 火災(zāi)時期巷道煙流速度場的分布情況

當(dāng)巷道風(fēng)流入口速度vin取不同值時，火災(zāi)巷道煙流速度場的數(shù)值模擬結(jié)果見圖4。

圖3 火災(zāi)巷道煙流溫度場的數(shù)值模擬云圖

圖4 火災(zāi)巷道煙流速度場的數(shù)值模擬云圖

從圖4(b)可以看出，當(dāng)vin=2.5 m/s時：巷道頂部和底部煙流速度變化趨勢基本相同，均是主運(yùn)順槽從左到右逐漸降低；輔運(yùn)順槽煙流速度只在與聯(lián)絡(luò)巷1和聯(lián)絡(luò)巷2的交叉口處略有增大，其他地點(diǎn)無變化；巷道出口處煙流速度要高于聯(lián)絡(luò)巷和輔運(yùn)順槽中煙流速度，但低于巷道入口處煙流速度。

從圖4可以看出，火災(zāi)發(fā)生后，不管巷道風(fēng)流入口速度取值多少，巷道煙流速度的變化總體上具有以下規(guī)律：主運(yùn)順槽煙流速度從左到右逐漸降低；巷道出口處煙流速度略低于巷道入口處煙流速度，但要高于巷道其他地點(diǎn)煙流速度；輔運(yùn)順槽煙流速度只在與聯(lián)絡(luò)巷1和聯(lián)絡(luò)巷2的交叉口處略微升高，其他地點(diǎn)基本無變化；巷道頂部(z=0.15 m)與底部(z=0.025 m)煙流速度分布大體相同，變化梯度不大；聯(lián)絡(luò)巷1與聯(lián)絡(luò)巷2煙流速度分布基本相同，且聯(lián)絡(luò)巷1和聯(lián)絡(luò)巷2分別與主運(yùn)順槽和輔運(yùn)順槽的交叉口處煙流速度要明顯低于巷道入口和出口煙流速度。這是因為在交叉口處存在局部阻力，巷道火災(zāi)產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，使煙氣流動受到阻礙，降低了煙流速度。

3.1.3 火災(zāi)時期巷道煙流密度場的分布情況

當(dāng)巷道風(fēng)流入口速度vin取不同值時，火災(zāi)巷道煙流密度場的數(shù)值模擬結(jié)果見圖5。

從圖5(a)可以看出，當(dāng)vin=0.5 m/s時：主運(yùn)順槽煙流密度從左到右逐漸增大，巷道風(fēng)流入口風(fēng)流密度處最低，巷道出口處煙流密度最高；巷道頂部輔運(yùn)順槽在與聯(lián)絡(luò)巷1交叉口處煙流密度呈對稱分布，交叉口處略低，兩側(cè)略高；巷道底部聯(lián)絡(luò)巷1、聯(lián)絡(luò)巷2和輔運(yùn)順槽煙流密度都很大，這是由于巷道風(fēng)流入口速度太低，導(dǎo)致這幾處的煙流無法很快被稀釋或吹散。巷道底部煙流密度要高于巷道頂部；聯(lián)絡(luò)巷1中煙流密度要低于聯(lián)絡(luò)巷2。

從圖5(b)可以看出，當(dāng)vin=2.5 m/s時：主運(yùn)順槽中巷道頂部煙流密度基本無變化，巷道底部煙流密度也很??；輔運(yùn)順槽中巷道頂部煙流密度明顯低于巷道底部，與聯(lián)絡(luò)巷1交叉口處煙流密度對稱分布現(xiàn)象消失，但最左端煙流密度仍然高于右半部分；聯(lián)絡(luò)巷1中煙流密度要低于聯(lián)絡(luò)巷2。

硫磺回收裝置煙氣中SO2的主要來自凈化尾氣中的含硫化合物，主要包括H2S和有機(jī)硫[4]。改造前后排放的尾氣中有機(jī)硫變化如圖2所示，在改造前，凈化尾氣中有機(jī)硫（主要是COS和CS2）的含量（79.30mg/m3，平均值）明顯高于改造后的有機(jī)硫含量（27.60mg/m3，平均值），改造后有機(jī)硫脫除率在69.71%，這也是降低煙氣中SO2的主要原因。

圖5 火災(zāi)巷道煙流密度場的數(shù)值模擬云圖

從圖5可以看出，火災(zāi)發(fā)生后，不管巷道風(fēng)流入口速度取值多少，巷道煙流密度的變化總體上具有以下規(guī)律：主運(yùn)順槽煙流密度從左到右逐漸增大，巷道風(fēng)流入口處煙流密度很小，巷道出口處煙流密度高于入口處煙流密度，但要低于輔運(yùn)順槽各地點(diǎn)煙流密度；輔運(yùn)順槽煙流密度明顯大于主運(yùn)順槽煙流密度，并且隨巷道風(fēng)流入口速度的增大，巷道煙流密度逐漸降低，但是輔運(yùn)順槽最左半部分煙流密度一直很大，這是因為經(jīng)過此處的風(fēng)速較小，通風(fēng)情況不好造成的；巷道頂部煙流密度要小于巷道底部煙流密度，這是因為巷道頂部煙流溫度升高較快，造成其密度減?。宦?lián)絡(luò)巷1與聯(lián)絡(luò)巷2煙流密度均隨巷道風(fēng)流入口速度的增大逐漸減小。

3.1.4 火災(zāi)時期巷道煙流壓力場的分布情況

當(dāng)巷道風(fēng)流入口速度vin取不同值時，火災(zāi)巷道煙流靜壓場的數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。

從圖6(a)可以看出，當(dāng)vin=0.5 m/s時，火災(zāi)巷道煙流靜壓總體較低，變化不大。主運(yùn)順槽在巷道頂部壓力從左到右逐漸降低，在巷道底部壓力從左到右逐漸升高，巷道頂部壓力高于巷道底部。輔運(yùn)順槽在巷道頂部壓力從左到右逐漸降低，在巷道底部壓力變化不大，保持在0.35 Pa左右，巷道頂部壓力略低于巷道底部。聯(lián)絡(luò)巷1在巷道頂部壓力略高于巷道底部；聯(lián)絡(luò)巷2在巷道頂部壓力略低于巷道底部。在巷道頂部，巷道出口處壓力低于巷道風(fēng)流入口處壓力；在巷道底部，巷道出口處壓力略高于巷道風(fēng)流入口處壓力。

從圖6(b)可看出，當(dāng)vin=2.5 m/s時，主運(yùn)順槽在巷道頂部和底部壓力分布基本相同，均在與聯(lián)絡(luò)巷1和聯(lián)絡(luò)巷2交叉口處突然升高。輔運(yùn)順槽在巷道頂部和底部壓力分布也基本一致，但左側(cè)壓力要高于右側(cè)。聯(lián)絡(luò)巷1中煙流壓力略低于聯(lián)絡(luò)巷2。巷道出口處壓力要低于巷道風(fēng)流入口處壓力。

從圖6可以看出，火災(zāi)發(fā)生后，不管巷道風(fēng)流入口速度取值多少，巷道煙流壓力的變化總體上具有以下規(guī)律：隨著巷道風(fēng)流入口處速度的增大，巷道各個地點(diǎn)煙流靜壓總體升高；巷道出口處煙流壓力最低；主運(yùn)順槽與聯(lián)絡(luò)巷1交叉口處煙流壓力突然升高；輔運(yùn)順槽與聯(lián)絡(luò)巷1交叉口處煙流壓力突然降低。

3.2 火災(zāi)時期巷道煙流參數(shù)變化規(guī)律匯總分析

為了更全面和更直觀地分析火災(zāi)時期火區(qū)下風(fēng)側(cè)巷道煙流溫度、速度、密度和壓力的變化情況，取vin分別為0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s、3.5 m/s、6.5 m/s、8 m/s時的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，可得出火災(zāi)時期主運(yùn)順槽、輔運(yùn)順槽、聯(lián)絡(luò)巷1和聯(lián)絡(luò)巷2中心線處煙流在不同vin條件下溫度、速度、密度和壓力的分布情況。由于巷道火源設(shè)定在了主運(yùn)順槽最左端，實驗?zāi)Ｐ椭兄鬟\(yùn)順槽下風(fēng)側(cè)巷道風(fēng)流受火災(zāi)影響最嚴(yán)重，因此只選取不同vin條件下主運(yùn)順槽中心線上沿X軸煙流的溫度、速度、密度和靜壓進(jìn)行匯總分析，具體見圖7。

圖6 火災(zāi)巷道煙流靜壓場的數(shù)值模擬云圖

圖7 不同vin條件下主運(yùn)順槽中心線上沿X軸的溫度、速度、密度和靜壓分布

從圖7(a)可以看出，隨巷道入口風(fēng)流速度(vin)的增大，主運(yùn)順槽中心線上煙流溫度整體逐漸升高。當(dāng)vin=2.5 m/s時，主運(yùn)順槽煙流溫度基本上達(dá)到最高值，之后盡管vin增大，但巷道煙流溫度升高卻不快，甚至還下降，例如當(dāng)vin=3.5 m/s時的煙流溫度分布曲線要整體低于當(dāng)vin=2.5 m/s時的煙流溫度分布曲線值。但在同一vin條件下，主運(yùn)順槽煙流溫度均是從左到右逐漸降低，在其最右端達(dá)到最低值。

從圖7(b)可以看出，主運(yùn)順槽中心線上煙流速度隨著vin的增大而逐漸增大，并且升幅均勻；但在同一vin條件下，主運(yùn)順槽煙流速度均是從左到右逐漸降低，在其最右端達(dá)到最低值。

從圖7(c)可以看出，vin越大，主運(yùn)順槽中心線上煙流煙流密度整體就越低，當(dāng)vin=2.5 m/s時，主運(yùn)順槽煙流密度基本上達(dá)到最低值，之后盡管vin增大，但巷道煙流密度卻不再下降，甚至還出現(xiàn)上升的現(xiàn)象，例如當(dāng)vin=3.5 m/s時的煙流密度分布曲線值要整體高于當(dāng)vin=2.5 m/s時的煙流密度分布曲線值。

從圖7(d)可以看出，當(dāng)vin≤3.5 m/s時，主運(yùn)順槽中心線上煙流靜壓變化不大，僅在-0.5～1 Pa之間浮動；當(dāng)vin≥6.5 m/s時，主運(yùn)順槽中心線上煙流靜壓變化范圍較大，最高值達(dá)5 Pa，最低值只有-3 Pa。

4 結(jié) 論

1) 按照流體相似理論，以實際煤礦采區(qū)進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)為原型，建立“礦井巷道火災(zāi)模擬實驗系統(tǒng)”，通過實驗可以研究火災(zāi)時期巷道煙流溫度、速度、密度和壓力的分布情況，能夠確定煙氣蔓延的范圍，反映礦井實際巷道火災(zāi)中火區(qū)及其對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的影響，為井下防火和救援工作提供技術(shù)指導(dǎo)。

2) 采用GAMBIT軟件建立實驗系統(tǒng)的物理模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用FLUENT軟件對礦井巷道火災(zāi)時期煙流溫度場、速度場、密度場和壓力場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬和分析，為劃定火災(zāi)燒傷、有毒有害氣體中毒或窒息以及瓦斯或煤塵爆燃或爆炸的空間范圍提供科學(xué)依據(jù)。

本文僅對水平巷道中固定火源位置和火源規(guī)模的火災(zāi)煙流參數(shù)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬和分析，在下一步的研究工作中可以對傾斜巷道不同傾角、不同火源位置以及不同火源燃燒規(guī)模情況下的火災(zāi)煙流參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)模擬分析，以力求得到更加全面和準(zhǔn)確的礦井火災(zāi)時期煙氣發(fā)展和運(yùn)移規(guī)律。