寺河煤礦二號井工作面進風巷下行風流控制研究

趙韶波

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司， 山西 晉城 048000）

引言

礦井火災作為煤炭開采的常見災害之一，對生產(chǎn)以及工作人員的生命安全有極大的威脅[1-3]。本文主要研究了寺河煤礦工作面進風巷下行風流火災流動特性，并進行了通風改進，收到了良好的效果。

1 礦井下行風流火災時期風流流動規(guī)律分析

寺河煤礦二號井工作面采用切頂卸壓沿空留巷技術進行開采，工作面采用Y 型通風方式，由于沿空留巷方法原理限制問題，工作面及采空區(qū)容易出現(xiàn)瓦斯涌出異常導致礦井火災。當?shù)V井發(fā)生火災沒有及時進行救災時，火災產(chǎn)生大量的濃煙以及有害氣體迅速充滿狹小巷道，影響通風效果，當火災事故嚴重時，巷道內(nèi)極易出現(xiàn)風流紊亂現(xiàn)象，徹底擾亂礦井的通風系統(tǒng)。

風流紊亂是指在礦井發(fā)生火災時，因燃燒產(chǎn)生的氣體以及氣量干擾了巷道內(nèi)原有的通風設計，氣流發(fā)生變化時，加速了工作面以及采空區(qū)氣體的燃燒，使得火災范圍擴展迅速，其主要表現(xiàn)有以下兩種。

1.1 煙流逆退現(xiàn)象

圖1 為煙流逆退現(xiàn)象示意圖，從圖中可以看出，當?shù)V井發(fā)生火災時，氣體燃燒后因密度小的原因主要聚集在頂板位置，形成一定區(qū)域的頂板射流區(qū)，射流區(qū)的氣體一部分會順著礦井通風方向流出，另外一部分會以回流的方式流進巷道進風側，此回流現(xiàn)象稱為煙流逆退。礦井火災現(xiàn)象較為復雜，燃燒的氣體由于濃度以及燃燒速度等的差異，導致煙流逆退現(xiàn)象不同，靠近巷道頂板的燃燒氣體在巖石吸附阻力的作用下流動速度最小，隨著和頂板距離的增加，氣體速度加快，在巷道底部氣體的速度最小，出現(xiàn)臨界速度。在氣體懸浮的作用下，煙氣前端往往會出現(xiàn)下沉又上升的趨勢，形成的旋渦將新鮮空氣卷吸進來，擴大了旋渦范圍。

圖1 煙流逆退現(xiàn)象示意圖

1.2 風流逆轉現(xiàn)象

火災發(fā)生會直接影響氣體的密度，燃燒氣體使得氣體密度迅速變化，在風壓的作用下使得通風系統(tǒng)中的部分區(qū)域風流方向發(fā)生變化，當風向發(fā)生變化后，有毒有害氣體可能流向進風巷以及采空區(qū)，嚴重影響生產(chǎn)的進行，當風流逆轉現(xiàn)象嚴重時，對礦井生產(chǎn)的影響程度也不同。為此進行相關方面的研究就顯得尤為重要。

2 礦井下行風流火災數(shù)值模擬及分析

當火災發(fā)生在下行風流巷道時，燃燒產(chǎn)生的高溫氣體迅速充滿頂板上空區(qū)域，因為機械通風由高向低的通風原理，標高較低的巷道內(nèi)煙流逆退現(xiàn)象嚴重，在相反風壓的作用下，極易出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象，倒吸的新鮮空氣使得火勢增加，造成二次火災現(xiàn)象，二次火災使得通風更加復雜，加大了火災控制的難度。

為此對礦井下行風流進行數(shù)值模擬分析，借助PyroSim 數(shù)值模擬軟件，對寺河煤礦工作面進行研究，數(shù)值模型如下頁圖2 所示，進風巷和回風巷尺寸一致，長45 m、寬5 m、高4 m。火源發(fā)生的位置距離地面1.4m，距離進風巷道約11m遠，整個膠帶長10m、寬1.7 m、高0.3 m。

為了對比不同傾角下進風巷內(nèi)氣體的流動特性，因此分別對傾角為5°、10°、15°和 20°進風巷道進行了數(shù)值模擬研究。

為了保證模擬計算結果的準確性，因此在進行網(wǎng)格劃分的時候，利用火源特征直徑方程確定最為合適的單元格以保證模擬結果的準確性。

圖2 數(shù)值模擬模型圖

式中：火源特征直徑為D*，m；空氣密度為ρ∞，kg/m3；空氣比熱容為Cp，kJ/（kg·K）；g 取9.8 m/s2；Q 為熱釋放速率，kW；

模型建立進行網(wǎng)格劃分后，對其進行邊界條件設定：

1）當?shù)V井未發(fā)生火災時，巷道內(nèi)收到1 個大氣壓作用，巷道溫度維持在20 ℃，進風巷道的初始風速為2.1 m/s，巷道內(nèi)的平均風速滿足0.15～4.5 m/s 之間；

2）假設巷道壁為絕對隔熱，不存在與燃燒氣體的熱交換問題，為得到隔熱的效果，將墻壁厚度設置為0.2 m。

3）火源燃燒的面積為1 m2，膠帶為引火源，膠帶的長度為11 m；

4）整個模擬運行時間為800 s。

模擬通過布置在巷道內(nèi)的探測點測得，本文研究巷道內(nèi)CO 以及溫度的變化規(guī)律。

圖3 為不同坡度下進風巷道內(nèi)CO 濃度（體積分數(shù)，在本文研究中同溫同壓下體積分數(shù)即為摩爾分數(shù)）隨時間的變化曲線。從圖3-1 中可以看出，不同坡度下進風巷道下層CO 濃度整體較低，在各個坡度下，因為燃燒氣體的煙流逆退使得CO 濃度濃度增加時間普遍延長21 s，頂層煙氣在蔓延以及沉降作用下，煙氣逐漸向巷道低層下沉，直至到下層位置；從圖3-2 中可以看出，當火災燃燒時間在300～500 s 時間內(nèi)，不同坡度巷道內(nèi)的CO 濃度相對穩(wěn)定，但是隨著坡度的增加，CO 濃度減少，從5°坡度的0.001 4 降低至20°坡度的0.000 5，究其原因，當進風巷坡度較小時，坡度浮力效應不明顯；當坡度有所增加時，進風巷道上層CO 達到峰值后便會下降，下降時間點約為215 s 處，在300 s 之后，隨著坡度的增加，CO 濃度減少，究其原因，火風壓達到一定數(shù)值后，阻礙了氣體的流動，因此下風側CO 濃度較低。

圖3 不同坡度下進風巷道內(nèi)CO 體積分數(shù)隨時間的變化曲線

圖4 不同坡度下進風巷道溫度隨火源距離的變化曲線

圖4 為不同坡度下進風巷道溫度隨火源距離的變化曲線。從圖4-1 中可以看出，在距離火源4 m 的位置巷道頂部溫度達到最高，隨著與火源距離的增加，溫度逐漸降低，在距離火源較遠的兩側巷道溫度最低，由于受通風的影響，巷道坡度為5°時溫度變化曲線最接近水平巷道溫度變化曲線；當巷道坡度較大時，巷道內(nèi)浮力效應明顯，溫度也會在浮力效應影響下向頂板方向移動。從圖4-2 中可以看出，火源附近的最高溫度達到1 150 ℃，隨著巷道坡度的增加，火風壓作用明顯，使得上風側段氣體濃度增加，因此使得溫度普遍較高，當距離火源較遠時，不同坡度下巷道溫差差異不大。

3 現(xiàn)場應用

針對上述數(shù)值模擬結果，對寺河煤礦二號井進行通風系統(tǒng)改進，改進后的通風系統(tǒng)中設置三個風門，分別編號1、2、3，其中進風巷道97213 編號為1、進風巷道97214 編號為2、回風巷道編號為3。正常情況下，保證進風巷道風速維持在2 m/s 左右，兩條進風巷道的開度保持在1.5 m×3.5 m；當發(fā)生火災后，進行風量控制操作，加大通風量，使得進風巷道內(nèi)的風速達到6.5 m/s，兩條進風巷道全部打開，回風巷道的開度為0.8 m×1.5 m。改進后對巷道內(nèi)氣體濃度以及溫度進行測量，觀察效果。

圖5 為進風巷CO 體積分數(shù)隨時間的變化曲線，從圖5 中可以看出，不論距離進風巷距離多遠，CO 濃度波動范圍都在0～0.000 032 之間，此值遠遠低于CO 對人體有害濃度值0.000 5，對工作人員的生命安全不構成威脅，可以保證正常的生產(chǎn)，一旦發(fā)生火災，也不會影響救災任務的進行。

圖6 為工作面溫度隨時間的變化曲線，可以看出，在新的通風方案下，工作面整體溫度都小于21 ℃，在200 s 左右，溫度開始上升，證明當火災發(fā)生時，需要200 s 的時間才可以達到工作面，但是因為工作面溫度較低，所以不會導致火災事故的蔓延，因此對人體的傷害也可以忽略?？梢钥闯觯碌耐L方案下，巷道的風流量大，風流穩(wěn)定，可以有效控制火災事故的蔓延，保證生產(chǎn)的安全高效進行。

圖5 進風巷CO 體積分數(shù)隨時間的變化曲線

圖6 工作面溫度隨時間的變化曲線

4 結論

通過對寺河煤礦二號井下行風流火災流動規(guī)律的探討，在數(shù)值模擬試驗的基礎上，得到了進風巷傾角大于10°時，巷道內(nèi)煙氣濃度以及溫度容易超標的結論，在新的通風方案下，巷道內(nèi)氣體以及溫度得到很好的控制，保證了生產(chǎn)的順利進行。