風(fēng)門對礦井火災(zāi)煙氣流動特性影響的數(shù)值模擬研究*

鹿廣利，田夢雅，周 浩

(山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引言

礦井火災(zāi)是礦井生產(chǎn)過程中的重大災(zāi)害之一。由于地下開采環(huán)境差，環(huán)境封閉，各個(gè)巷道工作面十分復(fù)雜，一旦發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)過程中產(chǎn)生的煙氣和熱量很難及時(shí)排出，且會迅速蔓延至整個(gè)巷道，從而使火災(zāi)產(chǎn)生的高溫及毒性給礦井下工作人員的生命安全帶來嚴(yán)重的危害[1-6]。

國內(nèi)外很多學(xué)者從臨界風(fēng)速、巷道坡度、截面形狀和火源功率等不同角度通過實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬等不同方式對火災(zāi)進(jìn)行大量的研究[7-12]。Chow等[13]通過小尺寸隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)得出火災(zāi)煙氣流動特性；李小菊等[14]針對常見典型截面巷道通過FDS模擬軟件建立模型研究，得出火災(zāi)時(shí)期溫度等參數(shù)的變化規(guī)律；賈靜等[1]利用模擬軟件通過改變邊界條件得出火區(qū)煙氣在不同因素影響下的煙流逆退現(xiàn)象及臨界風(fēng)速；蔡鵬[15]根據(jù)井下防火安全要求對某一礦井的自動防火風(fēng)門開關(guān)進(jìn)行控制監(jiān)測系統(tǒng)安裝調(diào)試。在礦井中一般會通過風(fēng)門進(jìn)行反風(fēng)以及阻斷風(fēng)流等來控制井下的通風(fēng)系統(tǒng)[16]，但當(dāng)井下發(fā)生火災(zāi)時(shí)如何通過風(fēng)門控制火災(zāi)煙氣流動的影響研究較少。因此本文在前人研究基礎(chǔ)上利用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)探究風(fēng)門開啟程度對火災(zāi)煙氣流動的影響。研究當(dāng)風(fēng)門開啟1/4，1/2，3/4，全部開啟4種不同開啟方式下0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s 6種不同風(fēng)速在巷道1.6 m高度時(shí)溫度分布和井下能見度分布情況，從而得到火災(zāi)煙氣蔓延對井下工作人員安全的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 物理模型

模擬場景為某礦井生產(chǎn)系統(tǒng)中常見的水平巷道，巷道長為100 m，寬為4 m，高為3 m。巷道壁面設(shè)置為井下常見的花崗石，其熱物理性質(zhì)的參數(shù)見表1。巷道的左側(cè)為進(jìn)風(fēng)口，右側(cè)為自然通風(fēng)口?；鹪次恢么笮? m×1 m，處于巷道中心位置0.5 m高度處，距進(jìn)風(fēng)口50 m位置處。以巷道正中心處為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，礦井巷道模型如圖1所示。本文以井下柴油車為火源，火源功率設(shè)為5 MW，火源反應(yīng)為正庚烷燃燒。環(huán)境溫度設(shè)定為20 ℃，巷道模型中風(fēng)門的設(shè)置位于距離進(jìn)風(fēng)口右側(cè)25 m處，風(fēng)門開啟程度側(cè)視圖如圖2所示。模型中設(shè)置有監(jiān)測火災(zāi)煙氣蔓延的溫度探測器，溫度探測器設(shè)置在巷道1.6 m高度處，以火源中心正上方為中心的左右兩側(cè)隔2 m設(shè)置1個(gè)溫度探測器，每側(cè)各10個(gè)，由于風(fēng)門設(shè)置在距離火源中心左側(cè)位置，故在左側(cè)多設(shè)置12個(gè)溫度探測器。同時(shí)為更直觀地觀測火災(zāi)隨時(shí)間的蔓延情況，在模型中z=1.6 m處設(shè)置煙氣能見度切片。不同工況下巷道模擬達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間不同，根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，在200 s前后趨于穩(wěn)定，因此將模擬時(shí)間設(shè)置為300 s。

表1 巷道壁面巖石物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of rock on roadway wall

圖1 礦井巷道模型Fig.1 Mine roadway model

圖2 風(fēng)門開啟程度側(cè)視圖Fig.2 Side view for opening degree of damper

1.2 網(wǎng)格設(shè)置

網(wǎng)格尺寸是由D*/δx無量綱表達(dá)式的范圍給出，D*如式(1)所示：

(1)

式中：D*為火災(zāi)特征直徑，m；Q為火源功率，W；ρα為空氣密度，kg/m3；CP為空氣的定壓比熱容，J/(kg·K)；Tα為空氣初始溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

δx為模型的網(wǎng)格尺寸；D*/δx為火焰特征尺寸，被計(jì)算網(wǎng)格劃分的數(shù)量。D*/δx值在4～16之間時(shí)模擬結(jié)果具有收斂性。

故在計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬中，網(wǎng)格尺寸大小直接關(guān)系到模擬結(jié)果的正確性和合理性。當(dāng)網(wǎng)格較大時(shí)，模擬結(jié)果比較粗糙，可能無法體現(xiàn)出部分重要數(shù)據(jù)和參數(shù)變化特征；隨著網(wǎng)格減小，模擬數(shù)據(jù)將會變得越來越接近實(shí)驗(yàn)值；但當(dāng)網(wǎng)格尺寸設(shè)置較小時(shí)，對計(jì)算機(jī)要求更高、模擬時(shí)間更長。經(jīng)過綜合分析，在巷道采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格為：0.25 m×0.25 m×0.25 m，網(wǎng)格數(shù)量為76 800個(gè)。

1.3 工況設(shè)置

用數(shù)值模擬計(jì)算巷道內(nèi)距離進(jìn)風(fēng)口位置25 m處的4種風(fēng)門開啟程度、6種不同風(fēng)速下的巷道內(nèi)火災(zāi)場景如下：①風(fēng)門全開時(shí)、火源功率5 MW條件下，風(fēng)速分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s時(shí)的火災(zāi)發(fā)生情況；②風(fēng)門開啟1/4時(shí)、火源功率5 MW條件下，風(fēng)速分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s時(shí)的火災(zāi)發(fā)生情況；③風(fēng)門開啟1/2時(shí)、火源功率5 MW條件下，風(fēng)速分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s時(shí)的火災(zāi)發(fā)生情況；④風(fēng)門開啟3/4時(shí)、火源功率5 MW條件下，風(fēng)速分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s時(shí)的火災(zāi)發(fā)生情況。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 溫度分析

各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的最高溫度隨著風(fēng)速、風(fēng)門開啟程度變化情況如圖3所示。

由圖3可知，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s工況下各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的最高溫度均隨著熱電偶距火源距離增大而減小，由于原點(diǎn)處的最高溫度處于火源正上方，火源燃燒一瞬間監(jiān)測點(diǎn)溫度過高。

風(fēng)門的開啟程度對溫度的變化也有較大的影響。

圖3 進(jìn)風(fēng)側(cè)熱電偶的最高溫度隨火源距離的變化Fig.3 Change of maximum temperature of thermocouples on inlet side with distance of fire source

通過分析風(fēng)速為0.5，1.0 m/s下工況監(jiān)測點(diǎn)的溫度圖可知，當(dāng)風(fēng)速等于或低于1.0 m/s且風(fēng)門全部開啟時(shí)，巷道內(nèi)最低溫度約為100 ℃，遠(yuǎn)高于井下初始環(huán)境溫度。因此，巷道內(nèi)煙氣、高溫有毒有害氣體已充滿整個(gè)巷道。風(fēng)門關(guān)閉時(shí)會阻擋巷道部分風(fēng)流，導(dǎo)致風(fēng)門前部分巷道內(nèi)的溫度升高，同時(shí)也阻礙煙氣、高溫有毒有害氣體繼續(xù)向后蔓延，風(fēng)門開啟1/2，3/4時(shí)風(fēng)門后位置的巷道溫度稍有下降，但火源到風(fēng)門之間的溫度過高，處于200 ℃以上。根據(jù)文獻(xiàn)[17]，人體在環(huán)境溫度70 ℃時(shí)可忍耐1 h；環(huán)境溫度達(dá)到110 ℃時(shí)，可忍耐15 min；當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到140 ℃時(shí)，只能忍耐5 min。由于火源到風(fēng)門前的巷道溫度都偏高，人員需在有限的時(shí)間內(nèi)快速向風(fēng)門位置處移動，因此綜合來看，風(fēng)門開啟1/4時(shí)，最有利于人員疏散逃生。此外，當(dāng)井下巷道風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，風(fēng)門開啟1/2時(shí)礦井巷道中的溫度較低，最有利于人員的逃生。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，即風(fēng)速為2.0，2.5，3.0 m/s且風(fēng)門全開啟時(shí)，巷道內(nèi)距離火源5 m外的溫度與初始溫度相同，說明煙氣無逆流現(xiàn)象，不會對此處井下工作人員造成影響，最有利于人員的逃生。

風(fēng)門全開啟時(shí)不同風(fēng)速下在巷道高度為1.6 m時(shí)的各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)溫度隨進(jìn)風(fēng)側(cè)熱電偶距火源中心水平距離變化情況如圖4所示。若礦井巷道發(fā)生火災(zāi)時(shí)可及時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)速的大小，進(jìn)一步分析風(fēng)門全開啟時(shí)不同風(fēng)速下的巷道內(nèi)溫度。由圖4可知，當(dāng)風(fēng)速為0.5，1.0 m/s時(shí)巷道內(nèi)每個(gè)位置監(jiān)測點(diǎn)的溫度均高于初始溫度，說明火災(zāi)發(fā)生后由于風(fēng)速過小巷道內(nèi)產(chǎn)生煙氣逆流現(xiàn)象；當(dāng)風(fēng)速為1.5 m/s，在距離火源位置22 m處監(jiān)測點(diǎn)溫度突然下降，此時(shí)風(fēng)速影響煙氣蔓延達(dá)到一定位置不再繼續(xù)向前蔓延；當(dāng)風(fēng)速為2.0，2.5，3.0 m/s時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)的最高溫度在距離火源位置2 m處便達(dá)到室溫，且2.5 m/s和3.0 m/s的火源正上方溫度最低，達(dá)到臨界風(fēng)速。通過比較可知，當(dāng)風(fēng)門全開啟時(shí)，風(fēng)速2.5 m/s工況下最有利于井下人員逃生，相比于3.0 m/s風(fēng)速更加經(jīng)濟(jì)。

圖4 風(fēng)門全開啟時(shí)不同風(fēng)速下的各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)溫度Fig.4 Temperature at each monitoring point under different wind speeds when damper was fully open

2.2 能見度分析

由于巷道風(fēng)速較大時(shí)可開啟全部風(fēng)門，因此選取礦井下風(fēng)速較低時(shí)的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，為探究風(fēng)速為0.5，1.0，1.5 m/s時(shí)風(fēng)門不同開啟程度下煙霧蔓延時(shí)的人員逃生情況，在人員逃生時(shí)眼鼻大致所在高度1.6 m處設(shè)置能見度切片。由于煙霧在200 s前后趨于穩(wěn)定，故選取200 s時(shí)不同風(fēng)門開啟時(shí)的數(shù)據(jù)，Tecplot軟件處理后能見度切片如圖5～7所示。

圖5 0.5 m/s風(fēng)速下風(fēng)門不同開啟程度時(shí)的能見度Fig.5 Visibility under different opening degrees of damper at 0.5 m/s wind speed

圖6 1.0 m/s風(fēng)速下風(fēng)門不同開啟程度時(shí)的能見度Fig.6 Visibility under different opening degrees of damper at 1.0 m/s wind speed

圖7 1.5 m/s風(fēng)速下風(fēng)門不同開啟程度時(shí)的能見度Fig.7 Visibility under different opening degrees of damper at 1.5 m/s wind speed

由圖5可知，當(dāng)風(fēng)速為0.5 m/s時(shí)，風(fēng)門全開啟巷道內(nèi)逃生段能見度處于2 m左右，并且能見度長時(shí)間處于4 m以下。當(dāng)風(fēng)門開啟3/4時(shí)，能見度有所提高但仍不足6 m；風(fēng)門開啟到1/2時(shí)，火源附近25 m處能見度偏低，不足6 m，風(fēng)門后方能見度提升10 m，風(fēng)門的關(guān)閉障礙阻擋煙氣的同時(shí)也阻擋部分風(fēng)流導(dǎo)致煙氣紊亂，但能見度顯著提升；當(dāng)風(fēng)門開啟1/4時(shí)，距離火源附近25 m處能見度高于風(fēng)門開啟1/2時(shí)，能見度達(dá)到6 m以上，風(fēng)門后方的位置，風(fēng)門關(guān)閉阻擋煙氣的流動，能見度28 m，對人員逃生無任何影響，因此火災(zāi)發(fā)生且風(fēng)速較小時(shí)，風(fēng)門左右開啟1/4最適合井下人員逃生。

由圖6可知，當(dāng)風(fēng)速為1.0 m/s時(shí)與圖5的風(fēng)速為0.5 m/s類似，風(fēng)門開啟1/4時(shí)最有利于人員的逃生。

由圖7可知，1.5 m/s風(fēng)速下，風(fēng)門開啟1/4，1/2時(shí)能見度最高，但風(fēng)門開啟1/4時(shí)風(fēng)門前方5 m處能見度突然降低且煙霧彌漫范圍較開啟1/2時(shí)大。因此，在巷道內(nèi)風(fēng)速1.5 m/s時(shí)風(fēng)門開啟1/2最有利于人員逃生。

3 結(jié)論

1)當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，風(fēng)門開啟1/4～1/2最適合人員的逃生。當(dāng)風(fēng)速低于1.5 m/s時(shí)，風(fēng)門開啟1/4時(shí)巷道煙霧溫度、能見度最適合人員逃生；風(fēng)速1.5 m/s時(shí)，風(fēng)門開啟1/2時(shí)最有利于人員逃生；當(dāng)風(fēng)速高于1.5 m/s時(shí)，在人員逃生時(shí)風(fēng)門應(yīng)全部開啟，風(fēng)門的關(guān)閉阻礙通風(fēng)對煙氣流動的抑制作用，造成煙氣逆流。當(dāng)人員逃生至一定位置后關(guān)閉風(fēng)門可阻礙煙氣、高溫有毒有害氣體繼續(xù)蔓延。

2)當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，風(fēng)門全開啟最有利與人員逃生。隨著風(fēng)速增大，煙氣逆退距離縮短，超過臨界風(fēng)速后煙氣逆退現(xiàn)象消失。2.5 m/s風(fēng)速下各監(jiān)測點(diǎn)最高溫度隨著火源距離的增大先快速降低后趨于室溫最終穩(wěn)定。