大氣壓力變化對(duì)鎖風(fēng)啟封火區(qū)氣體積聚的影響規(guī)律

黎經(jīng)雷，牛會(huì)永，魯 義，李石林，趙 蕾

（1.湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭411201；2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開(kāi)采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭411201）

礦井火災(zāi)治理過(guò)程中，火區(qū)在封閉一段時(shí)間后，對(duì)于非永久性封閉的火區(qū)來(lái)說(shuō)，在火區(qū)內(nèi)部環(huán)境滿足規(guī)定的條件下，方可對(duì)其采取啟封措施。然而，由于復(fù)雜的火災(zāi)因素和環(huán)境因素，工作人員在對(duì)火區(qū)條件的判斷上易產(chǎn)生誤判，在這種情況下啟封火區(qū)易造成火區(qū)復(fù)燃，甚至有瓦斯爆炸的危險(xiǎn)。孫若山[1]等人在分析礦井火區(qū)啟封安全性的基礎(chǔ)上，提出了在火區(qū)治理過(guò)程中的氣體信息采集準(zhǔn)則16 項(xiàng)和火區(qū)燃燒狀態(tài)判斷準(zhǔn)則12 項(xiàng)。許滿貴[2]等人在對(duì)高瓦斯礦井象上礦280 總回風(fēng)巷進(jìn)行鎖風(fēng)偵查的基礎(chǔ)上，應(yīng)用鎖風(fēng)啟封法將該火區(qū)安全啟封，并提出火區(qū)偵查、鎖風(fēng)偵查、縮小火區(qū)對(duì)于高瓦斯礦井火區(qū)的啟封是非常有效的。楊小強(qiáng)[3]等人通過(guò)自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了煤在多種條件下火區(qū)的復(fù)燃性及氣體產(chǎn)物的生成規(guī)律，得出煤體溫在250～260℃，即使火區(qū)內(nèi)存在較高濃度的可燃性氣體，啟封過(guò)程中供氧也不會(huì)發(fā)生復(fù)燃。由此看出，火區(qū)啟封前對(duì)火區(qū)內(nèi)部及周圍環(huán)境的分析極其重要?；饏^(qū)啟封過(guò)程中受自然因素的影響較大，大氣壓力變化會(huì)造成防火墻內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，引起火區(qū)內(nèi)有毒氣體流出或新鮮空氣漏入，這對(duì)于火區(qū)啟封的安全性是不利的。為此，通過(guò)對(duì)火區(qū)內(nèi)外壓力間相互關(guān)系的理論分析，運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)火區(qū)鎖風(fēng)啟封過(guò)程中火區(qū)內(nèi)氣體分布規(guī)律進(jìn)行研究，分析大氣壓力變化對(duì)火區(qū)鎖風(fēng)啟封的影響，以便為火區(qū)啟封時(shí)減少有毒氣體流出及火區(qū)復(fù)燃的可能性提供理論依據(jù)，從而提高火區(qū)啟封的安全性。

1 大氣壓力變化對(duì)火區(qū)內(nèi)氣體運(yùn)移作用機(jī)理

礦井下的壓力變化受多種因素的影響，例如風(fēng)門開(kāi)與關(guān)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、礦車的移動(dòng)等等[4]。相關(guān)文獻(xiàn)顯示，礦井下通風(fēng)壓力的變化與地表大氣壓力密切相關(guān)。地表大氣壓力的急劇升高與下降，將會(huì)引起新鮮空氣滲入火區(qū)或區(qū)內(nèi)氣體流出，即“呼吸作用”。這對(duì)于控制火勢(shì)的封閉火區(qū)來(lái)說(shuō)是不利的。因此，研究大氣壓力對(duì)火區(qū)內(nèi)氣體運(yùn)移的影響是有必要的。

礦井火區(qū)封閉后，火區(qū)內(nèi)氣壓基本不受機(jī)械風(fēng)壓的影響，此時(shí)區(qū)的氣壓內(nèi)主要受火風(fēng)壓的影響?；饏^(qū)內(nèi)氣體的變化滿足理想氣體狀態(tài)方程：

式中：pa為火區(qū)氣體壓力，Pa；Va為火區(qū)氣體體積，m3；pb為火區(qū)外氣體壓力，Pa；Vb為火區(qū)外氣體體積，m3；T 為理想氣體熱力學(xué)溫度，K；Ta為火區(qū)溫度，K。

《煤礦安全規(guī)程》第248 條對(duì)于火區(qū)啟封前溫度的規(guī)定[5]：“火區(qū)內(nèi)空氣溫度下降到與火災(zāi)發(fā)生前該區(qū)的日?？諝鉁囟认嗤保@里可認(rèn)為Ta=T；則因火區(qū)外壓力變化引起火區(qū)內(nèi)氣體變化的狀態(tài)方程為：

對(duì)時(shí)間t 求導(dǎo)得：

由上述假設(shè)的條件知火區(qū)內(nèi)氣體體積Va與時(shí)間t 的變化率就是火區(qū)內(nèi)氣體的涌出量Qa，即：

從式（5）可知，火區(qū)氣體涌出量Qa與火區(qū)外壓力的變化率有關(guān)。當(dāng)?shù)乇泶髿鈮毫ο陆禃r(shí)，火區(qū)外壓力也下降，火區(qū)外壓力的變化率為負(fù)值，從而火區(qū)氣體涌出量Qa為正值，即火區(qū)氣體向外涌出。當(dāng)?shù)乇泶髿鈮毫ι仙龝r(shí)，火區(qū)外壓力的變化率為正值，火區(qū)氣體涌出量Qa為負(fù)值，火區(qū)內(nèi)無(wú)氣體涌出。

大氣壓力與封閉火區(qū)氣體關(guān)系圖如圖1。礦井內(nèi)火區(qū)封閉后，基本隔絕了機(jī)械通風(fēng)動(dòng)力，但并不能完全停止火區(qū)內(nèi)的空氣流動(dòng)。這時(shí)封閉區(qū)內(nèi)的熱風(fēng)壓起主導(dǎo)作用[6-7]，帶動(dòng)區(qū)內(nèi)空氣緩慢而絮亂流動(dòng)，流動(dòng)狀態(tài)很大程度上取決于封閉區(qū)范圍、巷道結(jié)構(gòu)、標(biāo)高差、著火帶溫度等因素。當(dāng)大氣壓力上升時(shí)，若防火墻密閉性不夠，新鮮空氣將漏入火區(qū)內(nèi)而增大區(qū)內(nèi)的氧含量，為由熱風(fēng)壓主導(dǎo)作用的風(fēng)流提供氧量，這種風(fēng)流繼續(xù)流向著火帶并形成熾熱煙流，熾熱風(fēng)流再次進(jìn)入火源則可能引發(fā)爆炸。當(dāng)?shù)乇泶髿鈮毫ο陆禃r(shí)，封閉區(qū)內(nèi)的有毒有害氣體可能流出，易引起人員中毒。

圖1 大氣壓力與封閉火區(qū)氣體關(guān)系圖

2 數(shù)值模擬

2.1 動(dòng)力學(xué)控制方程

1）質(zhì)量守恒方程。封閉區(qū)內(nèi)的氣體流動(dòng)滿足質(zhì)量守恒定律，即單位時(shí)間內(nèi)流入流體微元體中的凈質(zhì)量等于同時(shí)刻該微元體中質(zhì)量的增量。根據(jù)這一定律，可得出質(zhì)量守恒方程：

式中：p0為靜壓，Pa；v 為速度矢量，m/s；p 為流體微元體上的壓力，Pa；g 為作用于微元體上的體積力，N；F 為外部體積力，N；τ 為黏性應(yīng)力張量。

2）動(dòng)量守恒定律。封閉區(qū)內(nèi)的流動(dòng)系統(tǒng)也滿足動(dòng)量守恒定律，即微元體中流體動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上各力之和，也就是牛頓第二定律，可表示為：

式中：ui為在i 方向上的分子黏度系數(shù)；uj為在j 方向上的分子黏度系數(shù)；p0為靜壓，Pa；τij為應(yīng)力張量；gi和Fi分別為i 方向上的重力體積力和外部體積力，N。

3）能量守恒定律。煤礦火區(qū)氣體流動(dòng)過(guò)程中的熱交換系統(tǒng)也必須滿足能量守恒定律，即流體微元體中能量的增率等于流入該微元體的凈熱流量與微元體受體積力和表面力所做功之和，也是熱力學(xué)第一定律，可表述為：

式中：cp為混合氣體的比熱容，J/（kg·K）；T 為溫度，K；k 為流體的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；ST為黏性耗散項(xiàng)；v 為速度失量，m/s。

2.2 物理模型與參數(shù)

2.2.1 物理模型

鎖風(fēng)啟封火區(qū)法適用于發(fā)火面積大，難以判斷區(qū)內(nèi)火源是否完全熄滅的情況。其步驟就是在原防火墻外建立1 個(gè)臨時(shí)的風(fēng)門，待工作人員進(jìn)入防火墻觀察火區(qū)情況后再將原防火墻清除，由外到內(nèi)向火源位置逐段移動(dòng)防火墻的位置，最后在火區(qū)封閉的狀態(tài)下進(jìn)入著火帶，實(shí)現(xiàn)全部啟封。忽略建立臨時(shí)風(fēng)門的步驟，研究防火墻逐漸向火源推進(jìn)的過(guò)程。

依據(jù)唐山礦T1493 巷道尺寸建立物理模型（圖2），火區(qū)長(zhǎng)100 m，橫截面為4 m×2.2 m 的圓弧形墻體，火源簡(jiǎn)化為R=1 m 的半球面且位于巷道中心位置,火源中心點(diǎn)坐標(biāo)為（0 ，0 ，0）。新鮮空氣從左側(cè)防火墻漏入火區(qū)，右側(cè)防火墻設(shè)為自由出流口（Outflow），頂板和兩幫不斷有瓦斯?jié)B入火區(qū)。將火區(qū)內(nèi)原有氧氣的濃度設(shè)為2%。

圖2 火區(qū)物理模型

2.2.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)唐山礦T1493 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[8]，即對(duì)大氣壓力值與瓦斯?jié)舛戎档膶?shí)測(cè)。整理所得的大氣壓力與瓦斯?jié)舛茸兓瘜?duì)比見(jiàn)表1。

表1 大氣壓力與瓦斯?jié)舛葘?duì)比表

假設(shè)火區(qū)啟封時(shí)段在9：00—13：00，由表1 數(shù)據(jù)對(duì)模擬基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，邊界條件見(jiàn)表2。

表2 邊界條件

3 結(jié)果分析

在鎖風(fēng)啟封火區(qū)時(shí)，工作人員在進(jìn)入封閉區(qū)域內(nèi)后便開(kāi)始監(jiān)測(cè)封閉區(qū)內(nèi)氣體狀態(tài)（有無(wú)爆炸性）并判斷是否能進(jìn)行下一步的啟封工作。啟封過(guò)程中封閉區(qū)內(nèi)的溫度基本不變，可視為等溫過(guò)程。

3.1 鎖風(fēng)啟封前火區(qū)狀態(tài)分析

啟封前封閉火區(qū)中心縱截面氧氣分布圖如圖3。左側(cè)進(jìn)風(fēng)端氧濃度最高，順著風(fēng)流的方向氧濃度逐漸減低。由于新鮮空氣的漏入和火風(fēng)壓的作用，著火帶附近的氧濃度在3%～5%之間。正常通風(fēng)狀態(tài)下，巷道內(nèi)的氣流流動(dòng)方向由左自右，頂板和兩幫的瓦斯流動(dòng)方向除了垂直于頂板向外涌出外，還會(huì)順著風(fēng)流向右移動(dòng)[9]?；饏^(qū)縱截面上的瓦斯體積分?jǐn)?shù)呈較規(guī)則的分層分布（圖4），瓦斯氣體主要積聚在火源附近且靠近出風(fēng)口一側(cè)的瓦斯?jié)舛容^大，下風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛仍?.7%以上。瓦斯體積分?jǐn)?shù)由頂板向底板逐漸降低，因?yàn)橥咚钩舜怪庇陧敯搴蛢蓭拖蛲庥砍鐾?，同時(shí)也受到新鮮風(fēng)流的稀釋作用。

圖3 啟封前封閉火區(qū)中心縱截面氧氣分布圖

圖4 啟封前封閉火區(qū)中心縱截面瓦斯分布圖

在此狀態(tài)下啟封火區(qū)時(shí)，由于封閉區(qū)域內(nèi)基本不受機(jī)械風(fēng)壓的影響，這時(shí)封閉區(qū)內(nèi)的氣體流動(dòng)很大程度受大氣壓力變化的影響[10]。大氣壓力壓力上升時(shí)預(yù)示著更多新鮮空氣可能漏入火區(qū)，下降時(shí)預(yù)示著封閉區(qū)內(nèi)的有毒有害氣體可能流出[11]。封閉區(qū)域內(nèi)的氣體無(wú)爆炸性，可繼續(xù)進(jìn)行啟封工作。

3.2 全部啟封火區(qū)后的計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)封閉火區(qū)實(shí)施全部啟封，即把巷道物理模型由左至右減少40 m 后進(jìn)行計(jì)算。新鮮風(fēng)流逐漸充滿整個(gè)巷道，全部啟封火區(qū)后中心縱截面氧氣分布圖如圖5。順著風(fēng)流方向氧濃度逐漸降低，下風(fēng)側(cè)及頂板處的氧濃度相對(duì)較低。這是因?yàn)樵忾]區(qū)域內(nèi)即使火源已熄滅，但下風(fēng)側(cè)還是存在一定程度的節(jié)流效應(yīng)從而短暫地抑制新鮮風(fēng)流的流動(dòng)，隨著通風(fēng)時(shí)間的增加巷道內(nèi)的氧氣分布也會(huì)和火災(zāi)前巷道內(nèi)的情況大體一致。巷道內(nèi)的瓦斯主要積聚在下風(fēng)側(cè)且濃度相對(duì)較低，全部啟封火區(qū)后中心縱截面瓦斯分布圖如圖6。瓦斯的分布順著風(fēng)流流動(dòng)方向分層分布，下風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛仍?.1%～0.48%之間。這是由于巷道內(nèi)新鮮風(fēng)流的突然涌入，帶著啟封前封閉區(qū)域內(nèi)的瓦斯向下風(fēng)側(cè)流動(dòng)，新鮮風(fēng)流在流動(dòng)的同時(shí)也大幅度地稀釋了瓦斯氣體的濃度[12-14]。

圖5 全部啟封火區(qū)后中心縱截面氧氣分布圖

圖6 全部啟封火區(qū)后中心縱截面瓦斯分布圖

4 結(jié) 論

1）在大氣壓力對(duì)火區(qū)內(nèi)氣體運(yùn)移作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)鎖風(fēng)啟封前封閉火區(qū)內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)的分析，對(duì)封閉區(qū)內(nèi)氣體濃度場(chǎng)的變化進(jìn)行理論分析，得出了封閉火區(qū)內(nèi)氣體濃度場(chǎng)變化的數(shù)學(xué)模型。

2）鎖風(fēng)啟封前火區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)存在較高濃度氧氣，瓦斯主要積聚在火源下風(fēng)側(cè)，隨著進(jìn)入火區(qū)氧量的增大其瓦斯?jié)舛纫蚕鄳?yīng)地降低。

3）在大氣壓力變化平緩時(shí)啟封火區(qū)危險(xiǎn)性較小。礦井實(shí)際鎖風(fēng)啟封工作時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇啟封時(shí)機(jī)，時(shí)刻監(jiān)測(cè)封閉區(qū)域內(nèi)空氣組分和氣壓的變化，同時(shí)作業(yè)人員還需與救災(zāi)中心時(shí)刻保持聯(lián)系，提高啟封作業(yè)的安全性，最終完成火區(qū)全部啟封。