不同風(fēng)速下膠帶巷火災(zāi)溫度場(chǎng)及災(zāi)變風(fēng)流數(shù)值模擬研究

王云泉

（中國(guó)中煤能源集團(tuán)有限公司，北京 100120）

0 引言

礦井膠帶火災(zāi)一直是威脅煤礦安全生產(chǎn)及作業(yè)人員生命財(cái)產(chǎn)的重大災(zāi)害。近年來(lái)，膠帶輸送已成為煤礦重要的運(yùn)輸方式，膠帶的使用量逐年增加，已超過(guò)1800萬(wàn)m，致使井下發(fā)生火災(zāi)的潛在危險(xiǎn)與日俱增，易引發(fā)火災(zāi)及其產(chǎn)生的有毒物質(zhì)的蔓延，主要表現(xiàn)為高溫?zé)煔狻⒂卸居泻怏w在礦井風(fēng)流的流動(dòng)失去控制時(shí)的無(wú)規(guī)律擴(kuò)散，且井下空間小、工作場(chǎng)所狹窄、難以疏散等，易造成重大安全事故。如2015年黑龍江龍煤集團(tuán)杏花煤礦輸送帶發(fā)生火災(zāi)事故，22人遇難；2020年9月27日，重慶能投渝新能源有限公司松藻煤礦發(fā)生皮帶火災(zāi)事故，造成16人死亡、42人受傷。

本文以中煤集團(tuán)王家?guī)X煤礦為研究背景，針對(duì)王家?guī)X煤礦通風(fēng)系統(tǒng)和皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的實(shí)際情況，利用火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬軟件（Fire Dynamics Simulator，F(xiàn)DS），采用大渦模擬方法，結(jié)合自身膠帶燃燒特性，開(kāi)展王家?guī)X煤礦膠帶巷火災(zāi)的溫度場(chǎng)及災(zāi)變風(fēng)流流動(dòng)規(guī)律研究，包括CO氣體蔓延規(guī)律和巷道煙氣濃度變化規(guī)律，對(duì)礦井火災(zāi)后風(fēng)流控制技術(shù)的研究，及當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后能夠使火災(zāi)的影響范圍限定在最小的損失范圍之內(nèi)，并為井下人員的逃生避災(zāi)提供指導(dǎo)，在降低井下人員的傷亡率、提高救援可能性方面有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 膠帶巷火災(zāi)模型構(gòu)建

1.1 幾何模型構(gòu)建

選取20102工作面附近的2號(hào)煤中央帶式輸送機(jī)巷作為火災(zāi)模擬對(duì)象，如圖1(a)所示。模擬范圍為300 m×6 m×3.6 m的巷道空間，且此巷道空間中300 m長(zhǎng)巷道高差15 m，是傾斜巷道，為上行通風(fēng)方式，對(duì)此改變了重力加速度值，重力加速度沿Y軸方向?yàn)?0.49 m/s，重力加速度沿Z軸方向?yàn)?9.32 m/s。

圖1 數(shù)值模型構(gòu)建

由于礦用運(yùn)輸機(jī)皮帶都為阻燃型，為了確保礦用膠帶燃燒的模擬數(shù)值能反映實(shí)際情況，對(duì)礦井下膠帶參數(shù)進(jìn)行相關(guān)測(cè)量，膠帶規(guī)格及成分如表1所示，膠帶的熱物性及燃燒參數(shù)如表2所示。因此，得到皮帶的熱釋放速率為99.12～152.34 kW/m。

表1 皮帶規(guī)格及成分參數(shù)

表2 皮帶的熱物性及燃燒參數(shù)[4]

1.2 模型假設(shè)條件

由于數(shù)值模擬與礦井實(shí)際條件之間存在差異性，因此需設(shè)定假設(shè)條件：初始條件下巷道內(nèi)有與入口風(fēng)速相同的風(fēng)流流動(dòng)；火災(zāi)發(fā)生前，巷道內(nèi)風(fēng)流溫度為20℃且均勻，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；不考慮圍巖傳熱；不考慮火焰的輻射換熱；除火源點(diǎn)外，不考慮其他可燃物。

1.3 網(wǎng)格劃分

將整個(gè)數(shù)值模型劃分為兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元，其中2號(hào)煤中央帶式輸送機(jī)大巷以0.5 m×0.5 m×0.6 m為單元結(jié)構(gòu)，聯(lián)絡(luò)巷1、聯(lián)絡(luò)巷2和聯(lián)絡(luò)巷3均以1 m×1 m×1.2 m為單元結(jié)構(gòu)。

1.4 火源位置及測(cè)點(diǎn)布置

火源位置選為20102工作面皮帶巷輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)的l m×l m紅色方塊區(qū)域[見(jiàn)圖1（b）]。在本次模擬中，設(shè)定火勢(shì)已處于初期增長(zhǎng)末期或充分增長(zhǎng)初期，即將進(jìn)入其燃燒峰值階段，并會(huì)長(zhǎng)期處于燃燒峰值燃燒，因此將其設(shè)定為恒定最大熱源，其熱釋放率恒定為153 kW/m，以火源為中心，沿煤中央帶式輸送機(jī)大巷北段間隔30 m設(shè)置4個(gè)紅外溫度傳感器，位于巷道上部，編號(hào)為A30、A60、A90和A120，間隔50 m設(shè)置3個(gè)煙霧傳感器，編號(hào)為B50、B100和B150。此外，在2號(hào)煤中央帶式輸送機(jī)大巷北段和20102工作面膠帶巷均設(shè)置風(fēng)門(mén)，其中C1和C2風(fēng)門(mén)完全關(guān)閉，C3臨時(shí)風(fēng)門(mén)控制風(fēng)量，未完全閉合，風(fēng)門(mén)附近設(shè)有煙霧傳感器，編號(hào)為C1、C2和C3，模擬中煙霧傳感器位置坐標(biāo)點(diǎn)如表3所示。

表3 溫度傳感器和煙霧傳感器位置坐標(biāo)點(diǎn)

1.5 模擬條件設(shè)置

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》等法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，煤礦井下工作面中允許風(fēng)速為0.25～4 m/s，因此，為了研究不同風(fēng)速下膠帶巷火災(zāi)溫度場(chǎng)及災(zāi)變風(fēng)流流動(dòng)規(guī)律，并基于王家?guī)X煤礦實(shí)際條件，入口風(fēng)速分別設(shè)定為1 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s和3 m/s，模擬時(shí)間900s，以此開(kāi)展數(shù)值模擬。

2 分析與討論

2.1 不同風(fēng)速下巷道溫度變化

礦井膠帶巷發(fā)生火災(zāi)后，會(huì)產(chǎn)生高溫?zé)熈鳎陲L(fēng)速的影響下，會(huì)使礦井膠帶巷溫度快速升高，且此模型為上行通風(fēng)，火災(zāi)會(huì)產(chǎn)生附加熱效應(yīng)作用，從而引發(fā)巷道內(nèi)風(fēng)流紊亂，有害氣體進(jìn)入風(fēng)流，致使災(zāi)害范圍擴(kuò)大，增大人員傷亡。不同風(fēng)速下各位置點(diǎn)的溫度變化如圖2所示。

圖2 不同風(fēng)速下各位置點(diǎn)的溫度變化

膠帶巷中膠帶著火后，不同測(cè)點(diǎn)位置溫度隨時(shí)間呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。在200s內(nèi)，溫度均呈現(xiàn)出顯著的升高趨勢(shì)，且距離火源位置較近的溫度測(cè)點(diǎn)，其升溫時(shí)間較早且溫度快速升高，這體現(xiàn)出火源及煙氣的蔓延過(guò)程。隨后，在不同風(fēng)速下的A30、A60、A90和A120測(cè)點(diǎn)溫度均維持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，且溫度沒(méi)有衰減的趨勢(shì)。

當(dāng)風(fēng)速為1 m/s時(shí)，超過(guò)400s后，溫度開(kāi)始保持穩(wěn)定，且各位置處溫度呈現(xiàn)出以下規(guī)律：A30>A60>A90>A120，其中A30測(cè)點(diǎn)最高溫度為25.7 ℃，溫度穩(wěn)定于25.3 ℃附近。當(dāng)風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，超過(guò)300s后，A60測(cè)點(diǎn)溫度最高，其次是A30測(cè)點(diǎn)溫度，A120測(cè)點(diǎn)溫度最小，A60測(cè)點(diǎn)溫度穩(wěn)定于23.7 ℃左右，表明熱量在距離火源位置30 m和60 m以?xún)?nèi)易累積。當(dāng)風(fēng)速為2.5 m/s時(shí)，超過(guò)200s后溫度平穩(wěn)，A90位置溫度最高，溫度穩(wěn)定在22.3 ℃左右，其次為A120測(cè)點(diǎn)溫度，表明熱量在距離火源位置90 m和120 m以?xún)?nèi)累積。當(dāng)風(fēng)速為3 m/s時(shí)，超過(guò)150s后溫度穩(wěn)定，A120測(cè)點(diǎn)溫度較高，溫度穩(wěn)定于21.7 ℃左右，其次為A90位置溫度。因此，隨著風(fēng)速的增大，各測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間逐漸減少，且溫度也逐漸減弱，表明風(fēng)速較大時(shí)，帶走的熱量較多，且煙流可能在巷道內(nèi)未發(fā)生逆流，致使在巷道上部的風(fēng)流在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平穩(wěn)。

2.2 不同風(fēng)速下CO蔓延規(guī)律

為了分析膠帶巷著火后有毒有害氣體分布特性，因此開(kāi)展不同風(fēng)速下有毒有害氣體蔓延規(guī)律研究。

（1）風(fēng)速1m/s

風(fēng)速為1 m/s時(shí)，CO濃度及煙氣分布如圖3所示。風(fēng)速為1 m/s時(shí)，在火災(zāi)發(fā)生400s后，由于煙氣的熱動(dòng)力作用，發(fā)生煙氣逆向流動(dòng)，從火源處沿著巷道向模擬供風(fēng)口處逆向蔓延，存在煙流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且煙氣已逐漸充滿整個(gè)輸送機(jī)巷道；在900s時(shí)，煙氣繼續(xù)積聚，且煙氣主要積聚在火源處與模擬供風(fēng)口處之間的上部。表明當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，CO濃度伴隨著燃燒時(shí)間的增加，在距離模擬供風(fēng)口較近的輸送機(jī)巷道積聚增加。因此，在模擬900s內(nèi)，CO濃度一直處于增加狀態(tài)，而在距離聯(lián)絡(luò)巷2較近的后半段輸送機(jī)巷道中，CO的濃度則低于前半段的CO濃度。

圖3 風(fēng)速為1 m/s時(shí)CO濃度及煙氣分布圖

（2）風(fēng)速1.5 m/s

風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，CO濃度及煙氣分布如圖4所示。當(dāng)風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，由于煙氣的熱動(dòng)力的推動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)與風(fēng)速為1 m/s相同的逆向流動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致煙氣不能及時(shí)的從聯(lián)絡(luò)巷2和聯(lián)絡(luò)巷3中排出，且聯(lián)絡(luò)巷2中CO濃度高于聯(lián)絡(luò)巷3中CO濃度，致使其滯留于輸送機(jī)巷道中。但是在風(fēng)速為1.5 m/s情況下，煙氣逆流在風(fēng)流作用下，未能蔓延至模擬供風(fēng)口處，表明煙氣逆流被抑制，未能進(jìn)一步在巷道中繼續(xù)蔓延擴(kuò)散。

圖4 風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)CO濃度及煙氣分布圖

（3）風(fēng)速2.5 m/s

風(fēng)速為2.5 m/s時(shí)，CO濃度及煙氣分布如圖5所示。在風(fēng)速2.5 m/s下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，火災(zāi)煙氣未發(fā)生煙氣的逆向流動(dòng)現(xiàn)象，而在通風(fēng)作用下煙氣直接向聯(lián)絡(luò)巷2處蔓延，且CO氣體主要積聚于火源處與20102工作面膠帶巷風(fēng)門(mén)之間，這是由于在機(jī)械通風(fēng)和火災(zāi)引起的附加熱效應(yīng)作用的影響下，20102工作面膠帶巷風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，致使CO積聚。而在中央帶式輸送機(jī)巷道內(nèi)CO濃度在模擬時(shí)間內(nèi)并未發(fā)生濃度積聚，伴隨著通風(fēng)作用，CO被及時(shí)排出。

圖5 風(fēng)速為2.5 m/s時(shí)CO濃度及煙氣分布圖

（4）風(fēng)速3 m/s

風(fēng)速為3 m/s時(shí)，CO濃度及煙氣分布如圖6所示。在風(fēng)速為3 m/s時(shí)，由于機(jī)械通風(fēng)作用，且風(fēng)速較大，產(chǎn)生的煙氣的流動(dòng)方向與通風(fēng)方向一致，并未發(fā)生煙氣逆向流動(dòng)，而且火災(zāi)煙氣產(chǎn)生的炭黑被迅速?gòu)穆?lián)絡(luò)巷2和聯(lián)絡(luò)巷3中排出。

圖6 風(fēng)速為3 m/s時(shí)CO濃度及煙氣分布圖

通過(guò)4組不同風(fēng)速模擬下CO濃度及煙氣分布規(guī)律可知，隨著風(fēng)速的增加，巷道中的CO濃度及煙氣蔓延范圍逐漸減小。當(dāng)風(fēng)速低于1.5 m/s時(shí)，巷道中出現(xiàn)煙氣逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象；當(dāng)風(fēng)速高于2.5 m/s時(shí)，巷道中未出現(xiàn)煙氣逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且當(dāng)風(fēng)速為2.5 m/s時(shí)，通風(fēng)風(fēng)速的排煙效果較其余風(fēng)速條件下，抑煙排煙效果更為理想，在2.5 m/s風(fēng)速條件下，能迅速排出火災(zāi)燃燒產(chǎn)生的炭黑物質(zhì)，更能有效地抑制CO的積聚，這為井下作業(yè)人員的疏散與安全有積極的意義。

2.3 不同風(fēng)速下煙氣占空氣濃度比

不同風(fēng)速下煙氣占空氣濃度比變化規(guī)律如圖7所示。在短時(shí)間內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)位置煙氣濃度均急劇升高，且隨后保持平穩(wěn)。在風(fēng)速為1 m/s時(shí)，煙氣出現(xiàn)了逆向流動(dòng)，各探測(cè)點(diǎn)均探測(cè)出煙氣濃度變化，其中C2測(cè)點(diǎn)的煙氣占空氣濃度比最大，最終穩(wěn)定在98%左右，而C1測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了劇烈波動(dòng)，B150測(cè)點(diǎn)所在的位置，只是出現(xiàn)的輕微的波動(dòng)，波峰最高點(diǎn)達(dá)到了91%左右。其余各測(cè)點(diǎn)均保持在90%～97%之間。此外，煙氣最先蔓延至B50測(cè)點(diǎn)位置，隨后是C2測(cè)點(diǎn)位置。

圖7 不同風(fēng)速下煙氣占空氣濃度比變化規(guī)律

在通風(fēng)風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，由于機(jī)械通風(fēng)作用的影響，在C1探測(cè)點(diǎn)均未探測(cè)到有煙氣濃度變化，而測(cè)點(diǎn)B150受到機(jī)械通風(fēng)和附加熱效應(yīng)作用的影響，煙氣濃度出現(xiàn)了大范圍的波動(dòng)，波谷濃度比最低值為25%，最大值達(dá)到91%，而B(niǎo)50、B100和C3均穩(wěn)定保持在80%～97%之間小范圍波動(dòng)，而濃度比最高探測(cè)點(diǎn)為B50點(diǎn)。

在通風(fēng)風(fēng)速為2.5 m/s時(shí)，由于在此風(fēng)速下煙氣未發(fā)生逆向流動(dòng)，其蔓延方向完全與通風(fēng)風(fēng)流方向保持一致，因此C1測(cè)點(diǎn)均未探測(cè)到有煙氣濃度變化，且其余三點(diǎn)B50、B100和C3測(cè)點(diǎn)煙氣濃度比均小于1m/s風(fēng)速下的三點(diǎn)。

當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速為3m/s時(shí)，C1測(cè)點(diǎn)未探測(cè)到煙氣濃度變化，因此當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速大于1.5 m/s時(shí)，可達(dá)到抑制煙氣逆流的作用。當(dāng)風(fēng)速為3 m/s時(shí)，B150測(cè)點(diǎn)煙氣濃度最小，且B50、B100和C3測(cè)點(diǎn)煙氣濃度最終保持在90%～94%之間波動(dòng)。因此，由于機(jī)械通風(fēng)的影響，隨著風(fēng)速的增大，各測(cè)點(diǎn)位置下的煙氣濃度逐漸減小，煙氣逆流逐漸減弱。

3 總結(jié)

本文以中煤集團(tuán)王家?guī)X煤礦上行通風(fēng)方式的膠帶巷為實(shí)際模型，建立上行通風(fēng)方式的膠帶巷火災(zāi)模型，并結(jié)合其自身膠帶燃燒特性，開(kāi)展膠帶巷火災(zāi)的溫度場(chǎng)及災(zāi)變風(fēng)流流動(dòng)規(guī)律探究，得出結(jié)論：

1）隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，各測(cè)點(diǎn)溫度均呈現(xiàn)出顯著的升高趨勢(shì)，且距離火源位置較近的溫度測(cè)點(diǎn)升溫時(shí)間較早，隨后，各測(cè)點(diǎn)溫度均保持平穩(wěn)；隨著風(fēng)速的增大，各測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間逐漸減少，且當(dāng)風(fēng)速超過(guò)1.5m/s時(shí)，煙氣逆流現(xiàn)象逐漸被抑制。

2）隨著風(fēng)速的增加，巷道中的CO濃度及煙氣蔓延范圍逐漸減小，且當(dāng)風(fēng)速高于2.5 m/s時(shí)，巷道中未出現(xiàn)煙氣逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象，抑煙排煙效果較為理想。

3）各測(cè)點(diǎn)位置煙氣濃度在短時(shí)間內(nèi)均急劇升高，隨后保持平穩(wěn)，且隨著風(fēng)速的增大，各測(cè)點(diǎn)位置下的煙氣濃度逐漸減小，煙氣逆流逐漸減弱。