風(fēng)量對(duì)獨(dú)頭掘進(jìn)巷道中部頂板火災(zāi)影響研究

張軍亮，范鵬宏，秦 毅，張學(xué)亮

（1.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西陽(yáng)泉 045000；2.重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，重慶 401331；3.中煤華晉集團(tuán)晉城能源有限公司，山西晉城 048200）

單巷道掘進(jìn)技術(shù)由于回收率高、維護(hù)容易，目前在我國(guó)煤礦井下應(yīng)用廣泛。近年來掘進(jìn)巷道火災(zāi)時(shí)有發(fā)生[1]，當(dāng)掘進(jìn)巷道中部發(fā)生火災(zāi)后，由于逃生通道唯一、空間受限，火災(zāi)發(fā)生后，掘進(jìn)巷道迎頭區(qū)域作業(yè)人員逃生路線受到阻礙，給救援工作帶來困難，作業(yè)人員長(zhǎng)時(shí)間在高溫?zé)熈鞯淖饔孟律鼤?huì)受到傷害[2]。

目前對(duì)煤礦井下巷道火災(zāi)研究大多集中在兩端開口獨(dú)立通風(fēng)的巷道條件下，且著火源均位于巷道底板[3-12]，隨著有機(jī)高分子材料和木材等被廣泛應(yīng)用于封堵冒頂區(qū)域[13]，頂板火災(zāi)在礦井時(shí)有發(fā)生[14]，如2019 年山東梁寶寺煤礦3306 掘進(jìn)巷道就曾發(fā)生頂板火災(zāi)事故，造成11 人被困，火源燃燒30 多h 風(fēng)筒未燒斷[15]。由于人員被困而風(fēng)筒未燒斷，常規(guī)下獨(dú)頭巷道中部火災(zāi)著火需停風(fēng)密閉的措施已不能采用，此時(shí)只有通過及時(shí)調(diào)節(jié)局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量來改善巷道環(huán)境，降低煙霧濃度，才能為被困人員生存和救援工作的開展創(chuàng)造有利的條件。由于火源的熱浮力作用，頂板火災(zāi)和底板火災(zāi)發(fā)生后煙流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)勢(shì)必會(huì)有所不同，但現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)該條件下火災(zāi)研究甚少，與現(xiàn)實(shí)需求差距較大，存在大量問題亟需研究。為此，以煤礦火災(zāi)事故為背景，針對(duì)獨(dú)頭巷道中部位置頂板發(fā)生火災(zāi)后，模擬不同局部通風(fēng)風(fēng)量下巷道各火災(zāi)參數(shù)分布的變化規(guī)律，為掘進(jìn)工作面火災(zāi)事故應(yīng)急救援預(yù)案的制定提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)支撐。

1 流體動(dòng)力學(xué)模型

PyroSim 軟件作為火災(zāi)的專業(yè)模擬軟件，主要用于求解低速、熱驅(qū)動(dòng)流動(dòng)的Navier_Stokes 方程，選擇大渦模擬模型進(jìn)行煙氣模擬，控制方程如下：

質(zhì)量守恒定律：

氣體狀態(tài)方程：

式中：p 為氣體壓力，Pa；t 為時(shí)間，s；ρ 為氣體密度，kg/m3；u 為速度矢量，m/s；h 為顯焓，kJ；qm為單位體積的熱釋放速率，W/m3；qn為單位面積的熱釋放速率，W/m2；φ 為耗散函數(shù)；g 為重力加速度，取9.8 m/s2；f 為外部矢量，N；τij為牛頓流體黏性應(yīng)力張量，Pa；Y 為氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；D 為組分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；m?為化學(xué)反應(yīng)凈生成率，kg/（m3·s）；υ 為氣體比體積，m3/kg；Rg為氣體常數(shù)，J/（kg·K）；T 為氣體溫度，K。

2 模型構(gòu)建

2.1 模型及參數(shù)

模型構(gòu)建參考里必礦某設(shè)計(jì)掘進(jìn)面，以最典型的單巷掘進(jìn)壓入式通風(fēng)為例，掘進(jìn)巷道模型圖如圖1。

圖1 掘進(jìn)巷道模型圖Fig.1 Model of heading face roadway

掘進(jìn)巷道模型長(zhǎng)100 m、寬4 m、高3 m，局部通風(fēng)機(jī)所在主巷道長(zhǎng)20 m、寬4 m、高3 m，巷道中左上角布置有風(fēng)筒，由于FDS 計(jì)算區(qū)域單元只能為長(zhǎng)方體，故將圓形風(fēng)筒斷面簡(jiǎn)化為0.8 m×0.8 m 方形，風(fēng)筒出風(fēng)口距掘進(jìn)面迎頭5 m，風(fēng)機(jī)設(shè)置在距掘進(jìn)巷道回風(fēng)口10 m 處。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)火源直徑特征公式計(jì)算[16]，取網(wǎng)格設(shè)定尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m，網(wǎng)格總數(shù)195 000，迎頭邊壁設(shè)置為煤，其它巷道邊壁設(shè)置為混凝土壁面，環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃。

2.2 火源場(chǎng)景及測(cè)點(diǎn)

冒頂區(qū)域填充材料常以有機(jī)高分子材料和木板為主，研究火源燃燒反應(yīng)采用FDS 軟件內(nèi)設(shè)置的木材燃燒反應(yīng)，由于考慮的是中部火災(zāi)未引起風(fēng)筒燒毀的情況，火災(zāi)規(guī)模小，參照文獻(xiàn)[15，17]中對(duì)火源功率的設(shè)置，采用t2火災(zāi)增長(zhǎng)模型，火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)為0.046 89 kW/s2，當(dāng)增至1 MW 時(shí)維持恒定?；鹪丛O(shè)置在巷道中部頂板處，距迎頭和回風(fēng)口均為50 m?？紤]到工人平均身高和巷道底板底鼓及鋪設(shè)軌道等因素，傳感器布置示意圖如圖2。

圖2 傳感器布置示意圖Fig.2 Location of sensors

在高2 m 處，沿縱向每間隔10 m 設(shè)置1 列熱電偶、CO 傳感器、能見度探測(cè)器，此外，為研究火災(zāi)后火源附近火災(zāi)參數(shù)分布情況，在火源下方沿垂直方向每隔0.2 m 設(shè)置1 列溫度傳感器、能見度探測(cè)器。

2.3 模擬工況

在礦井火災(zāi)發(fā)生后，通過增大局部通風(fēng)量，可有效控制火煙分布，改善被困人員所處掘進(jìn)頭地點(diǎn)的生存環(huán)境。在風(fēng)量設(shè)置上，參考所研究礦井實(shí)際供風(fēng)量450 m3/min，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定掘進(jìn)煤巷中風(fēng)速應(yīng)控制在0.25～4 m/s（對(duì)應(yīng)該模型風(fēng)量為180～2 880 m3/min），但考慮到現(xiàn)有局部通風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量為1 900 m3/min[18]，故設(shè)定實(shí)際供風(fēng)量的0.5 倍遞增進(jìn)行設(shè)置工況，即450、675、900、1 125、1 350、1 575、1 800 m3/min 7 種風(fēng)量工況?？紤]人員緊急災(zāi)害時(shí)疏散需要較長(zhǎng)時(shí)間，設(shè)模擬時(shí)間為900 s。

3 模擬結(jié)果

3.1 風(fēng)量對(duì)煙流分布的影響

各風(fēng)量條件下900 s 時(shí)煙流擴(kuò)散分布云圖如圖3。

圖3 各風(fēng)量條件下900 s 時(shí)煙流擴(kuò)散分布云圖Fig.3 Smoke distribution under different air volume conditions

從圖3 中可知，頂板火源產(chǎn)生的煙流并未出現(xiàn)底板等低處火災(zāi)的上升火煙羽流現(xiàn)象，而是直接沿著頂板向上風(fēng)流迎頭方向和下風(fēng)向掘進(jìn)巷道出口方向運(yùn)動(dòng)，且在巷道垂向上有清晰的煙流層和空氣層界面，頂板火災(zāi)在逃生路徑或救援路徑上無需考慮底板火災(zāi)能否跨越火源障礙的問題，這為頂板火災(zāi)救援創(chuàng)造了一定的有利條件。

分析煙流運(yùn)動(dòng)情況，向上風(fēng)向運(yùn)動(dòng)的煙流在逆退一段距離后受來自風(fēng)筒風(fēng)流壓力和巷道壁面阻力等作用力的影響，煙流停止了向上風(fēng)向逆退，轉(zhuǎn)而下沉與新鮮風(fēng)流邊混合邊向火源和出口方向運(yùn)動(dòng)，在火災(zāi)發(fā)展穩(wěn)定后，巷道煙流以火源為中心呈不對(duì)稱分布，下風(fēng)向巷道煙流充滿而上風(fēng)向只在靠近火源一定距離有煙流分布，這樣在迎頭附近一定范圍內(nèi)就存在1 個(gè)新鮮風(fēng)流區(qū)域，為受困人員提供了一個(gè)良好避災(zāi)空間，當(dāng)風(fēng)量增至1 575 m3/min，煙流產(chǎn)生后直接向下風(fēng)向流動(dòng)，無逆退現(xiàn)象。

對(duì)比不同風(fēng)量條件下的煙流云圖，從煙流厚度考慮，風(fēng)量越大，煙流厚度越小，煙流越集中頂板附近，靠近底板處的煙流濃度越低，這為人員逃生提供了較好的條件。統(tǒng)計(jì)450～1 800 m3/min 風(fēng)量下對(duì)應(yīng)的最大逆退距離分別為35.1、22.0、15.5、9.6、6.1、0 m，通過對(duì)前5 組數(shù)據(jù)擬合得出的逆退距離與風(fēng)量的關(guān)系如圖4。

圖4 逆退距離與風(fēng)量變化關(guān)系Fig.4 Relationship between reverse retreat distance and air volume change

由此可得出臨界風(fēng)量為1 565.5 m3/min，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，可為相同工況條件下的礦井火焰分布預(yù)測(cè)提供預(yù)測(cè)作用。下風(fēng)向方向，煙流從火源開始到出口時(shí)間分別為34、30、26、22、20、17.5、16 s，可知風(fēng)量越小，逆退距離越大，排煙時(shí)間越長(zhǎng)。

3.2 風(fēng)量對(duì)溫度分布的影響

不同風(fēng)量條件下2 m 高處在900 s 時(shí)縱向各點(diǎn)平均溫度分布情況如圖5。

圖5 各風(fēng)量條件下2 m 高處縱向溫度分布圖Fig.5 Longitudinal temperature distribution at 2 m height under different air volume conditions

由圖5 可知，各通風(fēng)情況下，火源附近溫度最高，隨著距火源距離的增加，各點(diǎn)溫度迅速降低，但火源兩側(cè)降低呈現(xiàn)出不對(duì)稱性，其中迎頭側(cè)存在1個(gè)高溫區(qū)和1 個(gè)環(huán)境溫度區(qū)，而出口側(cè)各點(diǎn)溫度則處在一定高溫范圍內(nèi)，差別不大。分析上述現(xiàn)象原因：在火源上風(fēng)向，由于來自迎頭風(fēng)筒口的風(fēng)筒風(fēng)量溫度低，且在風(fēng)量的作用下，阻止了高溫?zé)熈鞯哪嫱?，這樣在煙流前鋒處至迎頭這一區(qū)域內(nèi)由于未受高溫?zé)熈饔绊懀瑴囟热耘c環(huán)境溫度近似；逆退的高溫?zé)熈髦匦铝飨蚧鹪?，增加了火源上風(fēng)向的溫度，造成火源至上風(fēng)向最遠(yuǎn)逆退距離內(nèi)煙流的溫度較高；在火源下風(fēng)向，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)熈髁鹘?jīng)整個(gè)巷道時(shí)，不斷與風(fēng)筒吹出的空氣和巷道邊壁產(chǎn)生熱交換，距火源距離越遠(yuǎn)，熱交換越充分而溫度越低。此外，風(fēng)量增大可擴(kuò)大環(huán)境溫度區(qū)的范圍，為被困人員生存創(chuàng)造有利條件。

在圖5 中對(duì)比不同風(fēng)量條件下的溫度變化，可知隨著風(fēng)量的增加，各點(diǎn)溫度不斷下降，其中火源處溫度下降最顯著，在風(fēng)量為1 800 m3/min 時(shí)溫度甚至低于40 ℃。在火源上風(fēng)向，隨著風(fēng)量的增加，受風(fēng)流對(duì)逆退煙流控制作用增強(qiáng)，高溫區(qū)域范圍逐漸減小。在風(fēng)量為450～900 m3/min 時(shí)，可觀察到上風(fēng)向溫度呈現(xiàn)先增加后降低再增加的變化，這是由于煙流前鋒在受到風(fēng)流阻退后向下卷吸空氣，致使在前鋒所在位置2 m 高度處的溫度升高，但隨著高溫?zé)熈飨蚧鹪匆苿?dòng)，與新鮮冷空氣不斷混合使得溫度又略有下降，而到火源附近受火源加熱溫度又再次升高；而在風(fēng)量為1 125 和1 350 m3/min 時(shí)，由于逆退距離較小，向下卷吸煙流的熱作用影響遠(yuǎn)小于火源的影響，溫度呈現(xiàn)出單一增加的變化趨勢(shì)；當(dāng)風(fēng)量繼續(xù)增大至1 575 m3/min 后，上風(fēng)向溫度基本維持常溫不變。在火源下風(fēng)向，在風(fēng)量為450 m3/min 時(shí)，下風(fēng)向溫度呈降低趨勢(shì)，這是由于較小的風(fēng)量條件下，煙流逆退距離大，在巷道中流動(dòng)速度慢，逆退煙流重新流向下游出口過程中能夠與新鮮空氣充分混合和熱交換，下風(fēng)向的掘進(jìn)巷道中煙流與邊壁的散熱起主導(dǎo)作用，故而溫度呈單一下降趨勢(shì)。其它各風(fēng)量條件下溫度沿風(fēng)向基本呈小幅增加趨勢(shì)，直至出口附近略有降低，說明此范圍內(nèi)，煙流沿途與新鮮風(fēng)流的熱交換占主要作用，使得空氣溫度不斷升高，而在出口處受巷道入口新鮮風(fēng)流和煙流與巷道邊壁的散熱影響，溫度才有所降低。借鑒美國(guó)NFPA 標(biāo)準(zhǔn)，人員承受極限溫度為60 ℃[19]，可知人員逃生時(shí)需最小通風(fēng)量為1 350 m3/min。

不同風(fēng)量條件下垂向各點(diǎn)平均溫度分布情況如圖6。

圖6 各風(fēng)量條件下火源下方垂向溫度分布圖Fig.6 Vertical temperature distribution below fire source under different air volume conditions

由圖6 可知，各風(fēng)量條件下，溫度分布從底板到頂板可分為“不變區(qū)-急變區(qū)”，急變區(qū)溫度呈近指數(shù)變化。在底板附近，氣體溫度主要受回流高溫?zé)熈鳠峤粨Q影響，但這一作用影響較小，故而溫度增加緩慢，而在距火源較近的高處為高溫?zé)熈骷袇^(qū)且火源的熱作用起主導(dǎo)作用，因此溫度急劇上升。對(duì)比不同風(fēng)量條件，當(dāng)高度小于1.7 m 時(shí)，風(fēng)量越大，煙流逆退距離越小，熱交換越不充分，溫度越低；當(dāng)高度大于1.7 m 時(shí)，若通風(fēng)量低于臨界風(fēng)量，各點(diǎn)溫度迅速升高，溫度大小取決于煙流和新鮮空氣間的擴(kuò)散、逆退煙流卷吸空氣的多少及回流至火源下方的時(shí)間、煙流與巷道邊壁熱交換以及火源加熱等因素綜合作用的結(jié)果，而當(dāng)風(fēng)量增大至1 575 m3/min 時(shí)，煙流已無逆退，高溫?zé)熈髦苯恿飨蛄讼嘛L(fēng)向，火源點(diǎn)附近氣溫主要決定于火源加熱作用，因此只有在火源附近溫度才開始突增，但對(duì)比1 575、1 800 m3/min 2 種風(fēng)量下溫度曲線可知，增大風(fēng)量仍有助于增加低溫區(qū)域高度范圍。

3.3 風(fēng)量對(duì)CO 體積分?jǐn)?shù)分布的影響

不同風(fēng)量條件下900 s 時(shí)2 m 高處CO 平均體積分?jǐn)?shù)沿縱向分布情況如圖7。

圖7 各風(fēng)量下2 m 高處CO 平均體積分?jǐn)?shù)縱向分布圖Fig.7 Longitudinal distribution of CO concentration at 2 m height under various air volume conditions

由圖7 可知，各風(fēng)量下CO 體積分?jǐn)?shù)在煙流前鋒處最高，煙流在向出口運(yùn)動(dòng)過程中由于不斷擴(kuò)散，體積分?jǐn)?shù)迅速降低。CO 體積分?jǐn)?shù)峰值隨風(fēng)量增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在1 125 m3/min 風(fēng)量下最大，為63.4×10-6。這是因?yàn)橥β氏禄鹪碈O 生產(chǎn)量不變，風(fēng)量小時(shí)，煙流逆退越遠(yuǎn)，擴(kuò)散范圍越大，體積分?jǐn)?shù)低，而風(fēng)量大時(shí)，CO 又被新鮮風(fēng)流所稀釋，體積分?jǐn)?shù)降低，因此存在中間某風(fēng)量時(shí)，體積分?jǐn)?shù)峰值最大。

當(dāng)風(fēng)量低于臨界風(fēng)量時(shí)，峰值位置在火源上風(fēng)向煙流前鋒后一定距離處，隨著風(fēng)量的增加，CO 體積分?jǐn)?shù)峰值位置向下風(fēng)向移動(dòng)。當(dāng)風(fēng)量大于1 575 m3/min 時(shí)，產(chǎn)生的CO 直接隨風(fēng)流流向出口，峰值位置位于下風(fēng)向，當(dāng)風(fēng)量繼續(xù)增大，峰值位置向出風(fēng)口附近移動(dòng)。在火煙向出口運(yùn)動(dòng)過程中，由于高處的煙流逐漸下沉、擴(kuò)散，使得各風(fēng)量條件下2 m 高度處CO 體積分?jǐn)?shù)增加，但這種增加較為緩慢，下風(fēng)向各點(diǎn)CO 體積分?jǐn)?shù)差別不大，在出口處則受主巷道風(fēng)流影響，CO 體積分?jǐn)?shù)有所降低，此外隨著風(fēng)筒風(fēng)量的增加，CO 稀釋作用加強(qiáng)，CO 平均體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。參考《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定CO 體積分?jǐn)?shù)不超過24×10-6，可知最小通風(fēng)量需為1 350 m3/min。

3.4 風(fēng)量對(duì)能見度分布的影響

不同風(fēng)量條件下900 s 時(shí)2 m 高處能見度的分布情況如圖8。各風(fēng)量條件下火源下方能見度隨高度分布情況如圖9。

圖8 各風(fēng)量條件下2 m 高處縱向能見度分布圖Fig.8 Longitudinal distribution of visibility at 2 m height under various air volume conditions

圖9 各風(fēng)量條件下垂向能見度分布圖Fig.9 Vertical distribution of visibility under different air volume conditions

由圖8 可知，當(dāng)風(fēng)量低于臨界風(fēng)速時(shí)，在逆退煙流影響區(qū)域，隨著風(fēng)量的降低，最低能見度逐漸減小，能見度呈現(xiàn)出由“V”型向“L”型分布變化的趨勢(shì)，這是因?yàn)轱L(fēng)量越低，對(duì)煙流的稀釋和控制作用減弱，煙流向下方擴(kuò)散越充分。分析最低能見度位置并未出現(xiàn)在火源下方，在火源上風(fēng)向能見度最低，其變化規(guī)律與CO 體積分?jǐn)?shù)峰值位置變化規(guī)律相似；在下風(fēng)向，當(dāng)風(fēng)量較?。ㄈ?50 m3/min）時(shí)，各點(diǎn)能見度值基本不變，說明風(fēng)量較小時(shí)，在此區(qū)域煙霧已基本擴(kuò)散均勻。對(duì)比各風(fēng)量下能見度的變化，隨著風(fēng)量的增加，煙流的稀釋作用加強(qiáng)，巷道各點(diǎn)能見度開始升高。當(dāng)風(fēng)量大于1 575 m3/min 時(shí)，2 m 高處的能見度在火災(zāi)發(fā)生前后基本不變。參照《中國(guó)消防手冊(cè)》，人員疏散能見度需大于10 m，則風(fēng)機(jī)供風(fēng)量至少需大于1 125 m3/min。

由圖9 可知，由于高溫?zé)熈鞯纳细∽饔?，能見度隨高度增加呈降低趨勢(shì)。大風(fēng)量（大于1 125 m3/min）通風(fēng)情況下，在底板附近一定高度范圍內(nèi)，能見度與火災(zāi)前比未發(fā)生改變，當(dāng)增至一定高度后，能見度才開始降低，在高度大于2.4 m 區(qū)域，由于高處煙流擴(kuò)散分布較均勻，能見度基本不變，因此可將大風(fēng)量下的能見度從低到高分為“未影響區(qū)-漸減區(qū)-煙流穩(wěn)定區(qū)”，隨著風(fēng)量增加漸減區(qū)的范圍會(huì)逐漸向低處擴(kuò)展，而未影響區(qū)消失。由此可知，風(fēng)量越大，巷道能見度越高，可為人員沿巷道逃生創(chuàng)造越有利的條件。

4 結(jié) 論

1）在頂板發(fā)生火災(zāi)后，無上升羽流現(xiàn)象，煙流直接沿頂板向巷道兩端射流，當(dāng)風(fēng)量較小時(shí)，獨(dú)頭掘進(jìn)巷道煙流有逆退現(xiàn)象，煙流以火源為中心呈不對(duì)稱分布。隨局部通風(fēng)風(fēng)量增加，煙流逆退距離和煙流厚度逐漸減小，煙流在巷道分布達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間越短。

2）頂板火災(zāi)穩(wěn)定后，當(dāng)存在煙流逆退時(shí)，沿縱向方向，靠迎頭方向存在1 個(gè)環(huán)境溫度區(qū)和1 個(gè)高溫?zé)熈鲄^(qū)，能見度沿縱向呈現(xiàn)出由“V”型向“L”型分布變化的趨勢(shì)。2 m 高處CO 體積分?jǐn)?shù)和能見度峰值在煙流前鋒后一定區(qū)域，溫度峰值在火源下方，而靠出口方向，各參數(shù)整體較為穩(wěn)定。

3）隨著風(fēng)量的增加，巷道內(nèi)2 m 高處溫度峰值逐漸減小、能見度峰值逐漸增加，而CO 體積分?jǐn)?shù)峰值卻曾先增加后降低的變化，但三者峰值位置均向出口方向移動(dòng)，且風(fēng)量越大，下風(fēng)向巷道內(nèi)各點(diǎn)參數(shù)越小。

4）在火源下方，隨高度的增加，溫度分布由低到高可分為“不變區(qū)-急變區(qū)”，急變區(qū)呈現(xiàn)出近指數(shù)分布形式，大風(fēng)量下的能見度從低到高可分為“未影響區(qū)-漸減區(qū)-煙流穩(wěn)定區(qū)”，隨著風(fēng)量增加漸減區(qū)的范圍會(huì)逐漸向低處擴(kuò)展導(dǎo)致未影響區(qū)消失。

5）從人員逃生角度，在火源功率為1 MW 時(shí)，通風(fēng)量越大越有利于逃生，模擬情況中，局部通風(fēng)風(fēng)量為1 350 m3/min 時(shí)即可滿足逃生條件。