避難硐室氣體防毒安全性研究*

蘆 偉，張 飛，霍福星，王潤超，賈進(jìn)章，王楓瀟

(1.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006；2.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 通風(fēng)安全技術(shù)服務(wù)分公司，山西 晉城 048006；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000 )

0 引言

作為國家公認(rèn)的6大緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)之一，避難硐室主要由過渡室和生存室組成[1]。災(zāi)害發(fā)生后，大巷空氣中含有濃度較高的CO，有鉆孔避難硐室以其特有的“鉆孔-地面生命保障線”，災(zāi)后可為井下工作人員提供1個(gè)相對(duì)安全的生存空間，為災(zāi)后救援工作爭取足夠時(shí)間，有效提高救援成功率[2-4]。

有效利用避難硐室開展防毒研究是提高避難工作可靠性的重點(diǎn)研究方向[5]。其中，最主要的問題是避難硐室防毒和供氧研究，早期預(yù)防CO入侵方法主要是避難硐室的噴淋清洗技術(shù)[6]：孫繼平[7-8]通過研究現(xiàn)有井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)，提出用自救器進(jìn)行緊急避險(xiǎn)的方案；潘家辰[9]通過相似實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬詳細(xì)研究密閉空間內(nèi)CO2和CO的快速吸收及凈化技術(shù)，并針對(duì)相似物理模型進(jìn)行模擬驗(yàn)證；金龍哲等[10]提出地面鉆孔、壓風(fēng)或氣瓶和化學(xué)供氧等避難硐室多級(jí)供氧系統(tǒng)；祝雁輝等[11]根據(jù)避難硐室特點(diǎn)發(fā)明了1種有效快速排氣技術(shù)裝置；文獻(xiàn)[12-13]提出1種避難硐室有毒有害氣體隔絕技術(shù)，對(duì)避難硐室等密閉空間的CO2和CO凈化過程進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究，在無外界供氧條件下將溫度和濕度進(jìn)行耦合計(jì)算，取得一定成果。在事故發(fā)生后的災(zāi)害蔓延期間，大量避災(zāi)人員陸續(xù)進(jìn)駐避難硐室，傳統(tǒng)噴淋清洗技術(shù)無法提高避災(zāi)人員進(jìn)駐避難硐室的效率，針對(duì)避難硐室大門開啟伴隨CO擴(kuò)散進(jìn)入等問題的研究尚不完善。

目前，我國煤礦井下避難硐室的完善建設(shè)正處于發(fā)展階段，傳統(tǒng)避難硐室的功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在一定缺陷，并且有關(guān)避難硐室防毒方面研究較少。基于此，本文結(jié)合災(zāi)變時(shí)期礦井通風(fēng)及災(zāi)害應(yīng)急救援技術(shù)理論，通過模擬井下災(zāi)變時(shí)期有毒有害氣體入侵，了解避難硐室在災(zāi)變時(shí)的使用狀態(tài)和防毒效果，為最大限度降低災(zāi)后損失提供理論支撐。

1 地面鉆孔壓風(fēng)避難硐室及模型結(jié)構(gòu)

井下避難硐室實(shí)際使用時(shí)存在“先進(jìn)入者抗拒后進(jìn)入者”的悖論問題，即一旦災(zāi)害發(fā)生，后進(jìn)入者可能攜帶有害氣體進(jìn)入，在沒有地面鉆孔的避難硐室，無論在過渡硐室內(nèi)如何清洗，仍不能保證有害CO氣體吸收干凈，且清除工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響人員進(jìn)入效率。通過建立地面鉆孔壓風(fēng)系統(tǒng)的避難硐室，可有效解決上述問題，在正向的向外壓風(fēng)作用下，有害氣體被逆向排出至受災(zāi)大巷中，從而保證后進(jìn)入人員快速無害通過，如果隔離門前加裝柔性高彈力縫式門襯效果會(huì)更好。本文采用Gambit軟件建立有鉆孔避難硐室與大巷的三維幾何模型，如圖1所示。

圖1 有鉆孔正壓通風(fēng)避難硐室結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of refuge chamber with borehole positive pressure ventilation

由圖1可知，沿z軸走向的是大巷，沿x軸走向的是避難硐室，避難硐室與大巷連接的門是密閉防爆隔離門，具有耐爆抗沖擊和氣密功能。直接與大巷鄰接是過渡室，內(nèi)部是生存室，過渡室是為從大巷進(jìn)入生存室的人提供過渡空間，生存室是避難人員的長期居留處。地面鉆孔位于避難硐室頂部，用套管將來自地面的鉆孔保護(hù)起來，與地面壓風(fēng)系統(tǒng)相連接。地面鉆孔壓風(fēng)是避難硐室通風(fēng)的主要來源，同時(shí)擔(dān)負(fù)排除有毒有害氣體入侵的功能。

2 避難硐室進(jìn)出口有毒氣體湍流彌散基本方程

2.1 數(shù)學(xué)模型

在重力作用下黏性熱流體的連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程和能量方程如式(1)～(4)所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：p為風(fēng)壓，Pa；ρ為氣流密度，kg/m3；u為氣流速度，m/s；t為時(shí)間變量，s；k為湍能，J；Φ為耗散函數(shù)；E為能量，J；x為流速的1個(gè)分量，m/s;μ為運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；D為運(yùn)算符號(hào)。

2.2 RNG k-ε湍流模型方程

RNGk-ε模型來源于嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù)，由暫態(tài)N-S方程推出。在ε方程中引入附加生成項(xiàng)，考慮湍流旋渦，考慮低雷諾數(shù)流動(dòng)黏性處理近壁面區(qū)域，使RNGk-ε模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在更廣泛的流動(dòng)中有較高的可信度和精度，k和ε為2個(gè)基本的未知量。對(duì)于穩(wěn)態(tài)、不可壓縮氣體、無源項(xiàng)，RNGk-ε模型如式(5)～(6)所示：

(5)

(6)

(7)

式中：η=Sk/ε，即無量綱應(yīng)變或者平均流時(shí)間尺度與湍流時(shí)間尺度之比；由理論推導(dǎo)得出η0=4.38，β=0.015；C1ε，C2ε，C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，C1ε=1.42，C2ε=1.68，C3ε=1.68；Cμ=0.084 5；αk=αε=1.393。

SIMPLE算法主要計(jì)算步驟如圖2所示。

圖2 SIMPLE算法主要計(jì)算步驟Fig.2 Main calculation steps of SIMPLE algorithm

2.3 避難硐室風(fēng)流模型有毒氣體CO組分輸運(yùn)計(jì)算

對(duì)流擴(kuò)散方程中CO氣體組分的體積分?jǐn)?shù)為φ(CO)，若不考慮氣體組分化學(xué)反應(yīng)和源項(xiàng)，則組分守恒方程如式(8)所示：

(8)

2.4 數(shù)值仿真工具計(jì)算設(shè)置

數(shù)值模擬物理模型如圖1所示。按幾何對(duì)稱只取完整模型的1/2，將模型劃分為0.1 m的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。地面鉆孔(以下簡稱為鉆孔)采用水平截面為正方形的鉆孔，尺寸為大巷長10 m，寬4 m，直墻高2 m，拱高2 m；避難硐室寬4 m，直墻高2 m，拱高2 m；過渡室長3 m，生存室長18 m；地面鉆孔(水平截面為正方形)邊長0.2 m；防護(hù)密閉門高1.6 m，寬0.96 m；避難硐室地面高于大巷地面0.2 m，模型中門的下邊框高于大巷地面0.3 m，鉆孔口高于避難硐室頂部0.3 m。

設(shè)置地面鉆孔為進(jìn)口，氣流方向沿y軸負(fù)方向，大巷氣流方向沿x軸正方向，大巷2個(gè)截面分別為進(jìn)inlet和outflow，過渡室和生存室之間的連接密閉門設(shè)置為interior，避難硐室最外側(cè)防護(hù)門到大巷間的墻面均設(shè)置為interface。避難硐室的密閉門所在面由避難硐室截面和矩形門截面通過subtract real face功能和retain矩形門面形成的，其余面均為wall，墻面設(shè)置為絕熱。使用RNGk-ε模型[14]，設(shè)置整個(gè)三維模型為流體區(qū)域。

避難硐室的防護(hù)密閉門和密閉門始終處于完全開啟狀態(tài)，大巷氣體中O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21，有毒氣體CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.89×10-4，其余為N2，大巷氣流速度為3.5 m/s；鉆孔氣體中O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21，其余為N2。

3 大巷與避難硐室氣體交換的模擬分析

受硐室內(nèi)部人員存在的影響，硐室內(nèi)部溫度熱量隨之增高，受災(zāi)影響大巷中的溫度可能較高，大巷和硐室內(nèi)的氣體密度狀態(tài)隨之發(fā)生變化。參照相關(guān)文獻(xiàn)，按2種極端狀態(tài)的計(jì)算方案進(jìn)行研究，即方案Ⅰ設(shè)定大巷50 ℃、室內(nèi)20 ℃；方案 Ⅱ 設(shè)定大巷15 ℃、室內(nèi)30 ℃[15-16]。

3.1 方案Ⅰ：大巷50 ℃且避難硐室20 ℃時(shí)模擬結(jié)果

將大巷風(fēng)流溫度設(shè)為50 ℃，過渡室和生存室內(nèi)部氣溫設(shè)為20 ℃，由于大巷氣溫比避難硐室內(nèi)部氣溫高，且空氣密度略大于CO密度，所以高溫CO會(huì)從防護(hù)密閉門的頂部侵入避難硐室，避難硐室中低溫不含CO的空氣則從防護(hù)密閉門的底部吹入大巷[16-17]。本文重點(diǎn)以過渡室為考察對(duì)象，按最危險(xiǎn)的情況即人員進(jìn)入時(shí)隔離門短時(shí)間內(nèi)的開啟狀態(tài)。設(shè)定每人使用氣幕時(shí)間為10 s，噴淋系統(tǒng)每人使用時(shí)間為20 s[17]。

方案Ⅰ工況下避難硐室內(nèi)CO濃度隨鉆孔壓風(fēng)量變化如圖3所示。方案Ⅰ中鉆孔壓風(fēng)量為96 m3/min(對(duì)應(yīng)人均供風(fēng)量0.8 m3/min)時(shí)生存室的CO最大濃度低于24 ppm，過渡室平均CO濃度為10 ppm，最大CO濃度高達(dá)936 ppm，甚至當(dāng)鉆孔風(fēng)速達(dá)60 m/s時(shí)，過渡室最大CO濃度降低至395 ppm，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于24 ppm的技術(shù)規(guī)定[17]。

圖3 方案Ⅰ工況下避難硐室內(nèi)CO濃度隨鉆孔壓風(fēng)量變化Fig.3 Change of CO concentration in refuge chamber with borehole pressure airflow in scheme Ⅰ

通過對(duì)模擬結(jié)果中氣體濃度檢測發(fā)現(xiàn)，由于避難硐室的防護(hù)隔離門始終處于開啟狀態(tài)，過渡室最大CO濃度范圍約在0.5 m處，即使在較高CO濃度范圍條件下，大部分過渡室空間中CO濃度仍接近于0，即高濃度CO以小范圍尺度向內(nèi)擴(kuò)散，而通過過渡室向內(nèi)部生存室段的CO濃度近乎為0。因此將過渡室最大CO濃度低于規(guī)范的要求作為避難硐室安全標(biāo)準(zhǔn)行不通，而將過渡室的平均CO濃度低于規(guī)范要求作為其安全標(biāo)準(zhǔn)則較為合理。

當(dāng)鉆孔壓風(fēng)量為48 m3/min時(shí)，過渡室平均CO濃度為25.16 ppm，通過數(shù)據(jù)插值得到，臨界壓風(fēng)量為51.7 m3/min時(shí)，過渡室和生存室平均CO濃度均低于24 ppm。

3.2 方案Ⅱ：大巷15 ℃避難硐室30 ℃時(shí)的模擬結(jié)果

由于大巷氣溫低于避難硐室內(nèi)部氣溫，所以在防護(hù)隔離門的上部無有毒氣體竄入，竄入地點(diǎn)在避難硐室的下部。方案Ⅱ工況下避難硐室內(nèi)CO濃度隨鉆孔壓風(fēng)量變化如圖4所示。

由圖4可知，初始隨壓風(fēng)量增加，CO濃度下降較快，當(dāng)壓風(fēng)量約為150 m3/min(對(duì)應(yīng)人均供風(fēng)量1.25 m3/min)時(shí)，過渡室最高值曲線出現(xiàn)CO濃度最小值161 ppm，CO高濃度點(diǎn)在避難硐室的防護(hù)隔離門附近約0.4 m范圍內(nèi)，最大范圍約0.5 m。通過數(shù)據(jù)插值計(jì)算得到安全臨界的壓風(fēng)量為78.72 m3/min(對(duì)應(yīng)人均供風(fēng)量0.66 m3/min)，即當(dāng)鉆孔壓風(fēng)量為78.72 m3/min時(shí)，生存室CO濃度最大值小于24 ppm，符合規(guī)定要求。

圖4 方案Ⅱ工況下避難硐室內(nèi)CO濃度隨鉆孔壓風(fēng)量變化Fig.4 Change of CO concentration in refuge chamber with borehole pressure airflow in scheme Ⅱ

3.3 使用柔性隔離門襯時(shí)的模擬結(jié)果

本文采用1種柔性的避難硐室門襯，制造成本低，能夠有效降低避難人員進(jìn)入時(shí)門打開的空隙面積，阻止CO擴(kuò)散進(jìn)入的同時(shí)能夠?qū)Ρ茈y人員身體和服裝上攜帶的CO進(jìn)行清理。當(dāng)避難硐室的防護(hù)隔離門安裝該門襯時(shí)，避難人員進(jìn)入避難硐室門時(shí)的空隙面積顯著減小，小于1.7 m×0.1 m?？障冻叽玳T在開啟時(shí)的模擬結(jié)果如圖5～6所示。通過插值計(jì)算得到壓風(fēng)量安全臨界值為15.7 m3/min，即在較低的壓風(fēng)量條件下可以有效抑制CO氣體進(jìn)入硐室。

圖5 方案Ⅰ有柔性隔離門時(shí)室內(nèi)最高CO濃度隨鉆孔壓風(fēng)量的變化Fig.5 Change of maximum indoor CO concentration with borehole pressure airflow in scheme Ⅰ with flexible isolation door

由于柔性隔離門有效減小了CO的有效擴(kuò)散面積，避難硐室內(nèi)的氣體僅在小范圍內(nèi)溢出至避難硐室。因此加裝柔性門襯后，壓風(fēng)量足夠時(shí)只有在緊貼柔性門襯處才會(huì)有高濃度的CO，從而大大提高躲避硐室內(nèi)環(huán)境的安全性。如圖5(d)所示，生存室的CO濃度大幅下降，平均CO濃度的最大值僅為0.52 ppm。

由圖6可知，方案Ⅱ加裝柔性隔離門時(shí)插值得到安全臨界的壓風(fēng)量為10.8 m3/min，過渡室內(nèi)CO平均濃度低至24 ppm。

圖6 方案Ⅱ有柔性隔離門時(shí)室內(nèi)最高CO濃度隨鉆孔壓風(fēng)量的變化Fig.6 Change of maximum indoor CO concentration with borehole pressure airflow in scheme Ⅱ with flexible isolation door

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比

通過比較方案Ⅰ、方案Ⅱ條件下有無加裝柔性隔離門的數(shù)值模擬效果發(fā)現(xiàn)，避難硐室防護(hù)隔離門完全開啟時(shí)的數(shù)值模擬得出：未加裝安全門時(shí)，2種方案下避難硐室需要的供風(fēng)量分別為51.70，78.72 m3/min，而加裝柔性門襯后需要的臨界供風(fēng)量分別為15.7，10.8 m3/min。目前常見氣慕噴淋系統(tǒng)供氣方式有礦井壓風(fēng)和自備空氣壓縮瓶供氣2路，硐室內(nèi)必須保持100 MPa或者更低的正壓，壓力不能太高[17]。此外，還需要采取措施釋放壓力，限制條件較多，傳統(tǒng)噴淋清洗技術(shù)無法有效提高避災(zāi)人員進(jìn)駐避難硐室效率，而柔性隔離門制造成本低，在較低壓風(fēng)量條件下可有效抑制CO氣體進(jìn)入硐室。若避難硐室按30人設(shè)計(jì)，輕微勞動(dòng)狀態(tài)下每人供風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)為1.33 m3/min，災(zāi)時(shí)需風(fēng)量為40 m3/min，加裝柔性門襯可有效阻止避難人員進(jìn)入時(shí)CO逆行擴(kuò)散進(jìn)入避難硐室[18]。

4 結(jié)論

1)加裝柔性門襯能有效阻止避難人員進(jìn)入時(shí)CO擴(kuò)散進(jìn)入避難硐室，加裝柔性門襯后需要的臨界壓風(fēng)量分別為15.7，10.8 m3/min，低于災(zāi)時(shí)額定供風(fēng)量為40 m3/min，甚至確保過渡室的CO不超限。

2)未加裝柔性門襯時(shí)，當(dāng)方案Ⅰ條件下鉆孔壓風(fēng)量為96 m3/min時(shí)，生存室CO最大濃度低于24 ppm，過渡室平均CO濃度為10 ppm，CO最大濃度達(dá)936 ppm，鉆孔風(fēng)速為60 m3/s，過渡室CO最大濃度為395 ppm；方案Ⅰ的臨界風(fēng)量為51.7 m3/min。方案Ⅱ條件下壓風(fēng)量150 m3/min，過渡室CO最小濃度為161 ppm，臨界壓風(fēng)量為78.72 m3/min，由此可知，大巷、硐室溫度對(duì)于臨界壓風(fēng)量影響較大。

3)過渡室CO最大濃度范圍約在0.5 m處，大部分過渡室CO濃度接近0，高濃度CO以小范圍尺寸擴(kuò)散，因此將過渡室內(nèi)CO最大濃度作為避難硐室安全標(biāo)準(zhǔn)不可行，將過渡硐室平均CO濃度作為安全標(biāo)準(zhǔn)較為合理。