基于FDS 的礦井巷道火災(zāi)煙氣致災(zāi)的數(shù)值模擬

沈云鴿，王德明

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

礦井火災(zāi)作為礦井的五大災(zāi)害之一，造成的事故后果是嚴(yán)重的。礦井火災(zāi)發(fā)生后產(chǎn)生的有毒有害氣體不僅威脅了火源附近礦工的生命安全，而且高溫?zé)煔膺€會(huì)在井下迅速蔓延，破壞巷道作業(yè)設(shè)施，將有害氣體和高溫?zé)崃鱾鞑サ狡渌鼌^(qū)域，擴(kuò)大礦井受災(zāi)范圍[1-2]。通過(guò)研究火災(zāi)時(shí)期巷道風(fēng)速和火源功率變化，能掌握災(zāi)變時(shí)期不同風(fēng)速對(duì)礦井煙氣蔓延速度和距離以及溫度分布變化情況，對(duì)于井下人員逃生及現(xiàn)場(chǎng)救援具有現(xiàn)實(shí)意義。

眾多學(xué)者從多個(gè)角度對(duì)礦井火災(zāi)進(jìn)行了數(shù)值模擬[3-8]。Oka 和Atkinson 建立了一系列比例模型隧道研究火災(zāi)時(shí)期不同火源功率下的臨界速度[9]。美國(guó)礦山安全健康局通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究風(fēng)速對(duì)運(yùn)輸巷火災(zāi)的影響[10]。周福寶等通過(guò)數(shù)值模擬研究了礦井火災(zāi)中的煙流滾退距離，得到了煙流滾退距離與礦井風(fēng)速和火源熱釋放速率的關(guān)系[11]。齊慶杰等研究了不同火源和風(fēng)速下，運(yùn)輸巷發(fā)生火災(zāi)時(shí)帶式輸送機(jī)平均燃燒速率和火源區(qū)巷道溫度分布情況[12]。蘇墨等基于山西省申家莊煤礦模擬研究了運(yùn)輸巷發(fā)生火災(zāi)時(shí)礦井巷道煙氣溫度、濃度和能見(jiàn)度變化情況[13]。上述研究都是針對(duì)礦井火災(zāi)的固定可燃物或某一參數(shù)研究的，鮮少有人研究火災(zāi)發(fā)展期間不同風(fēng)速和火源功率下煙氣致災(zāi)的影響。鑒于此，通過(guò)數(shù)值模擬研究“L”型巷道火災(zāi),綜合考慮水平巷道和豎直巷道中不同風(fēng)速和火源功率下煙氣致災(zāi)的影響，其中包括礦井火災(zāi)發(fā)展的煙氣蔓延時(shí)間和距離、全巷火災(zāi)期溫度變化情況，均可為火災(zāi)時(shí)期巷道人員逃生提供依據(jù)。

1 數(shù)值模擬理論與模型

1.1 FDS 基本理論

FDS 是一款應(yīng)用于火災(zāi)研究領(lǐng)域的場(chǎng)模擬軟件，主要通過(guò)數(shù)值方法計(jì)算低馬赫數(shù)下熱驅(qū)流動(dòng)的N-S 方程，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理[14-15]。其計(jì)算求解過(guò)程主要包括連續(xù)性方程、能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程及組分守恒方程等，具體方程如下：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

組分方程：

式中：ρ 為密度，kg/m3為速度矢量，m/s；▽為哈密頓算子；為作用于流體上外力矢量，kg（/s2·m）；t為時(shí)間，s；h 為比焓，kJ；τ 為黏性力張量，kg（/s2·m)；p為壓力，Pa；ω 為渦度，s-1；g 為重力加速度，m/s2；為熱輻射通量，kW/m2；T 為溫度，K；k 為導(dǎo)熱系數(shù)，W（/m2·K）；i 為第i 種組分；Yi為第i 種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Di為第 i 種組分的擴(kuò)散系數(shù)為第i種組分的質(zhì)量產(chǎn)生速率，kg/（s·m3）；hi為第i 種組分的比焓，kJ。

1.2 模型建立

在此選擇兼顧水平巷道與豎直巷道的“L”型巷道。主要有2 點(diǎn)考慮：一是由于模擬“L”型巷道火災(zāi)符合實(shí)際礦井巷道火災(zāi)現(xiàn)狀，然鮮少有人研究；二是由于火災(zāi)發(fā)生后在直角彎巷道中重力、風(fēng)流和火源熱效應(yīng)的綜合作用更復(fù)雜，通過(guò)模擬能直觀看出煙氣分布規(guī)律。其中水平巷道尺寸140 m×4 m×4 m，豎直巷道尺寸4 m×4 m×100 m。一系列的測(cè)點(diǎn)設(shè)置在1.6 m 高度；火源位置在中部偏右，考慮到巷道可燃物主要是帶式輸送機(jī)和木材等材料，根據(jù)礦井火災(zāi)火源燃燒特性實(shí)驗(yàn)[5]中火源熱釋放速率，確定火源功率大小為 1.92 MW 和 2.7 MW；環(huán)境溫度為 20 ℃，總模擬時(shí)間為 600 s。風(fēng)速選擇 0.25、1.05、1.65、2.1 m/s。巷道模型平面圖如圖1。

在FDS 中，網(wǎng)格尺寸的選擇決定了模擬結(jié)果的精確性和穩(wěn)定程度。有研究表明當(dāng)網(wǎng)格尺寸是0.1D*和0.2D*（D*為火源特征直徑）時(shí)能較好的反應(yīng)模擬結(jié)果，由于設(shè)定的火源熱釋放速率是1.92 MW 和2.7 MW，火源特征直徑D*計(jì)算公式[15]算出合適的火源特征直徑是 1.246 m 和 1.428 m，考慮到模擬時(shí)間和計(jì)算機(jī)性能，最終選擇0.2D*的網(wǎng)格尺寸，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為 0.2 m×0.2 m×0.2 m。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 煙氣蔓延分析

礦井火災(zāi)時(shí)期煙氣中含有微小顆粒，直接影響巷道能見(jiàn)度，妨礙人員逃生?；馂?zāi)時(shí)期風(fēng)速對(duì)煙氣蔓延時(shí)礦井能見(jiàn)度有較大影響，在此選取t=100 s和t=450 s 觀察煙氣蔓延。t=100 s 時(shí)巷道煙氣蔓延如圖2。

圖1 巷道平面圖Fig.1 Roadway model

圖2 Q= 1.92 MW, t= 100 s 時(shí)巷道煙氣蔓延情況Fig.2 Smoke spread process in the roadway with Q= 1.92 MW and t= 100 s

由圖2 可以看出，不同風(fēng)速下巷道內(nèi)火源上游和下游煙氣蔓延差異較大。由圖2 還可以看出，當(dāng)火源功率Q=1.92 MW，風(fēng)速v=0.25 m/s 時(shí)，煙氣在風(fēng)流的作用下被斜吹到頂板且迅速在火源下游蔓延，火源上游有短距離煙氣逆退，隨著風(fēng)速變大火源下游煙氣蔓延速度變快,巷道能見(jiàn)度迅速降低；火源上游煙氣逆流距離逐漸減小至v>1.62 m/s 時(shí)該現(xiàn)象消失。出現(xiàn)這種情況主要是因?yàn)榛馂?zāi)發(fā)展前期，在火源下風(fēng)側(cè)，火源熱效應(yīng)壓力與機(jī)械通風(fēng)壓力方向一致，煙氣在火源下游擴(kuò)散速度快；火源上游火源熱效應(yīng)壓力與機(jī)械風(fēng)壓方向相反，減小煙流逆退距離。當(dāng)風(fēng)速提高后，機(jī)械通風(fēng)壓力隨之提高，火源上游通風(fēng)壓力克服了煙氣壓力造成煙流逆退現(xiàn)象消失。因此，在火災(zāi)發(fā)展初期，提高風(fēng)速能有效抑制火源上游煙流逆退。

t=450 s 時(shí)巷道內(nèi)煙氣蔓延的情況如圖3。隨著火勢(shì)發(fā)展，火源下風(fēng)側(cè)巷道充滿高溫?zé)煔猓鹪瓷嫌螣煔饽嫱穗S風(fēng)速變化有所不同。當(dāng)v=0.25 m/s 時(shí)，煙氣逆流至巷道入口處，巷道能見(jiàn)度很低；當(dāng)風(fēng)速在1.05～2.1 m/s，煙氣層厚度和煙流逆退距離隨風(fēng)速增大逐漸減小，v=2.1 m/s 時(shí)，煙氣停止逆退，上游能見(jiàn)度提高，主要是因?yàn)闄C(jī)械風(fēng)壓逐漸克服了煙流壓力。

圖3 Q=1.92 MW,t=450 s 時(shí)巷道煙氣蔓延變化情況Fig.3 Smoke spread process in the roadway with Q=1.92 MW and t= 450 s

煙氣在 1.92 MW 和 2.7 MW 火源功率、4 種風(fēng)速下蔓延到下游巷道盡頭的時(shí)間如圖4。

由圖4 可以看出，巷道下游煙氣擴(kuò)散時(shí)間規(guī)律一致，隨著風(fēng)速增大下游巷道煙氣擴(kuò)散時(shí)間大幅減小，當(dāng)v≥1.65 m/s 時(shí)，時(shí)間降幅減弱。煙氣擴(kuò)散速度與風(fēng)速正相關(guān)。且1.92 MW 火源功率下的煙氣擴(kuò)散時(shí)間長(zhǎng)于2.7 MW 火源功率下的擴(kuò)散時(shí)間。在巷道下游，火災(zāi)熱效應(yīng)產(chǎn)生的壓力差為正值且機(jī)械風(fēng)壓與煙氣擴(kuò)散方向一致，當(dāng)火源功率較大時(shí)，煙氣擴(kuò)散速度加快。不同功率和風(fēng)速下巷道上游煙氣擴(kuò)散表現(xiàn)不同變化。

巷道上游煙氣逆流時(shí)間和距離隨風(fēng)速變化關(guān)系如圖5。相同火源功率下，當(dāng)v≥1.05 m/s 時(shí)，隨著風(fēng)速增大煙氣逆流時(shí)間線性下降?；鹪垂β蚀蟮臒煔饽媪鲿r(shí)間比功率小的煙氣逆流時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)伴隨著煙氣逆流距離有所增加。當(dāng)v=0.25 m/s 時(shí)，2 種火源功率下煙氣都逆退至進(jìn)風(fēng)節(jié)點(diǎn)，但2.7 MW 火源功率煙氣擴(kuò)散時(shí)間比1.92 MW 功率下減少130 s。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，火源功率越大，火災(zāi)熱效應(yīng)產(chǎn)生的壓力和風(fēng)壓之間的壓力差越大，短時(shí)間煙流逆退距離越大；當(dāng)風(fēng)速提高，機(jī)械風(fēng)壓變強(qiáng)煙氣逆流阻力增強(qiáng)，煙流逆退距離減小甚至該現(xiàn)象消失。

圖4 巷道下游煙氣擴(kuò)散時(shí)間規(guī)律Fig.4 Time law of smoke spread in the downstream of the roadway

圖5 巷道上游煙氣逆流時(shí)間與距離隨風(fēng)速變化關(guān)系Fig.5 Relationship between smoke blakflow time and distance with wind speed in the upstream roadway

2.2 溫度分布分析

巷道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣中攜帶大量熱量灼傷人員身體器官，破壞人體體溫調(diào)節(jié)機(jī)制，危害人員生命安全。因此有必要研究巷道火災(zāi)時(shí)期溫度變化情況。整條巷道間隔10 m 布置1 個(gè)熱電偶；以火源中心間隔2 m 和2.5 m 向兩側(cè)布置5 個(gè)熱電偶；水平巷道和豎直巷道相接處間隔2 m 布置熱電偶，共計(jì)27 個(gè)熱電偶監(jiān)測(cè)火災(zāi)時(shí)期巷道溫度變化。不同風(fēng)速下巷道最高溫度變化如圖6。在2 種火源功率下，巷道溫度分布曲線趨勢(shì)一致，都是自火區(qū)向巷道兩側(cè)衰減，巷道最高溫度出現(xiàn)在火區(qū)下游5 m 以內(nèi)；不同的是，當(dāng)Q=2.7 MW、v=0.25 m/s 時(shí)，巷道最高溫度在火源中心處。相同火源功率下，巷道火區(qū)的高溫隨著與火源距離的增大大幅下降，到巷道下游段降溫趨勢(shì)變慢。相同風(fēng)速下，火源功率大的巷道中溫度分布總體高于火源功率低的巷道溫度，主要表現(xiàn)在巷道火區(qū)段和巷道下游。對(duì)比分析1.92 MW 和2.7 MW 功率巷道溫度分布，4 種風(fēng)速下巷道上游溫升率25%從降到0，而巷道平均溫升率分別為42.3%、13.2%、13.9%和18.8%。

圖6 4 種風(fēng)速下巷道最高溫度變化Fig.6 Maximum temperature change of roadway under 4 kinds of wind speed

4 種風(fēng)速下1.92 MW 功率和2.7 MW 功率下的不同巷道火區(qū)段的均溫升率變化圖如圖7。其中隨著風(fēng)速增加，火源中心上游的溫升率迅速降低；火區(qū)段和下游段趨勢(shì)一致，都是隨著風(fēng)速增大到1.05 m/s 溫升率下降而當(dāng)風(fēng)速增加到2.1 m/s 時(shí)溫升率上升?；饏^(qū)段的溫升比例從64.45%降到8.6%又升高到25.5%，火區(qū)下游段的溫升比例從14.1%降到13.5%最后升高穩(wěn)定在17%左右。由此可以看出，當(dāng)火源功率增大后，增加風(fēng)速影響在一定程度上能降低巷道溫度，當(dāng)風(fēng)速提高到一定程度，其影響因素變?nèi)酢?/p>

圖7 巷道不同區(qū)段均溫升率變化規(guī)律Fig.7 Change law of temperature rise rate in different sections of roadway

3 結(jié) 論

1）在相同的風(fēng)速下，巷道下游煙氣擴(kuò)散速度和火源功率正相關(guān)?；鹪垂β试酱?，煙氣擴(kuò)散速度越快，但隨著風(fēng)速增加到一定程度，煙氣擴(kuò)散速度趨緩，正相關(guān)趨勢(shì)變?nèi)酢?/p>

2）當(dāng)風(fēng)速提高到低于臨界風(fēng)速時(shí)，相同風(fēng)速下巷道上游煙氣逆退時(shí)間和距離與火源功率直接相關(guān)?；鹪垂β蚀蟮臒煔饽媪鲿r(shí)間和距離大于火源功率小的。

3）1.92 MW 和 2.7 MW 火源功率下的溫度分布趨勢(shì)一致，巷道最高溫在火源下游5 m 內(nèi)，巷道高溫區(qū)隨著與火源中心距離增大降幅大。