基于FDS的風(fēng)速對(duì)礦井火災(zāi)蔓延規(guī)律的影響研究*

李 賀，田 麗，曾 鋼，魯 義，路潔心，施式亮

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

礦井火災(zāi)是威脅礦山安全生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一[1]，具有突發(fā)性強(qiáng)、繼發(fā)性災(zāi)害多、救援難度大等特點(diǎn)[2]?；馂?zāi)發(fā)生后產(chǎn)生的煙流攜帶大量熱量及有毒氣體，容易破壞井下作業(yè)設(shè)施，導(dǎo)致人員中毒或窒息，甚至引發(fā)瓦斯、粉塵爆炸等二次事故，嚴(yán)重危害礦井安全生產(chǎn)。礦井火災(zāi)包括內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)，我國(guó)90%的重大煤礦火災(zāi)事故由外因火災(zāi)引起，其造成的死亡人數(shù)約占總數(shù)的60%[3]。目前，對(duì)于礦井外因火災(zāi)的研究主要包括火災(zāi)實(shí)驗(yàn)[4-5]及數(shù)值模擬等方面，對(duì)于礦井火災(zāi)而言，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)往往投入大且容易造成不可估量的后果，因此，數(shù)值模擬方法在礦井火災(zāi)研究中優(yōu)越性顯著。

近年來(lái)，研究學(xué)者從各方面對(duì)礦井巷道火災(zāi)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[6-8]。張辛亥等[9]提出當(dāng)火源在進(jìn)風(fēng)巷道時(shí)，及時(shí)采取反風(fēng)措施能有效控制煙氣上流；張曉濤等[10]通過(guò)對(duì)比正常通風(fēng)、加大通風(fēng)量和開(kāi)通排煙支路3種工況下的煙氣濃度和溫度情況，得出開(kāi)通排煙支路能有效控制高溫?zé)煔饽媪鬟M(jìn)入進(jìn)風(fēng)大巷且對(duì)工作面破壞最小的結(jié)論；齊慶杰等[11]針對(duì)礦井膠帶運(yùn)輸巷火災(zāi)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，巷道縱向方向溫度分布規(guī)律受風(fēng)速影響表現(xiàn)不同，頂棚附近溫度隨風(fēng)速增加而降低，距底板1.5 m高度處溫度隨風(fēng)速增加而升高；田水承等[12]研究了不同風(fēng)速對(duì)礦井火災(zāi)蔓延規(guī)律的影響，結(jié)果表明，3 m/s左右的風(fēng)速最有利于井下人員逃生。上述研究?jī)H是針對(duì)單一參數(shù)對(duì)礦井火災(zāi)演變規(guī)律的影響，沒(méi)有考慮風(fēng)速與火源功率共同作用下火災(zāi)發(fā)展規(guī)律的變化，難以反映現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的火災(zāi)情況。

鑒于此，本文將運(yùn)用FDS火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件，對(duì)不同風(fēng)速及火源功率下巷道內(nèi)溫度、CO濃度、能見(jiàn)度等變化過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，深入探討井下風(fēng)速及火源功率變化對(duì)礦井火災(zāi)蔓延規(guī)律的影響，從而掌握災(zāi)變時(shí)期火災(zāi)蔓延規(guī)律，為指導(dǎo)井下人員逃生及救援提供參考。

1 FDS軟件基礎(chǔ)

FDS是以火災(zāi)中煙氣運(yùn)動(dòng)為主要模擬對(duì)象的場(chǎng)模擬軟件，采用數(shù)值方法求解熱驅(qū)動(dòng)的低速流動(dòng)N-S方程，主要通過(guò)流體力學(xué)中的控制方程求解，包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程組及組分方程等[13]。簡(jiǎn)化的控制方程如下：

連續(xù)性方程如式(1)：

(1)

動(dòng)量守恒方程如式(2)：

(2)

能量守恒方程如式(3)：

(3)

組分方程如式(4)：

(4)

2 模型構(gòu)建

2.1 工程概況

安源煤礦礦井現(xiàn)劃分為4個(gè)水平，一，二，三，四水平標(biāo)高分別為+150 m，±0 m，-150 m，-300 m，現(xiàn)主要集中在四水平生產(chǎn)。選用四水平3204采區(qū)378工作面為研究對(duì)象，該工作面位于礦井西翼3204盤(pán)區(qū)3119膠帶道與3205平石門(mén)之間，走向長(zhǎng)度為250 m，傾斜長(zhǎng)度為80 m，工作面面積為20 000 m2，378出山復(fù)采工作面井下位置位于3119膠帶道和3117膠帶道之間，東邊以700 m保安煤柱線為界，西邊以3117補(bǔ)斗為界，上部有372下段采空區(qū)。其中進(jìn)風(fēng)巷長(zhǎng)50 m、切眼長(zhǎng)110 m、回風(fēng)巷長(zhǎng)30 m。井下通風(fēng)線路為：新鮮風(fēng)從四水平西大巷→3204液壓泵房→3204上山膠帶道→3117平膠帶道→3119上山膠帶道→3119平膠帶道→3119平石門(mén)→378出山溜子道→378出山復(fù)采工作面。乏風(fēng)路線為：從378出山復(fù)采工作面→378出山風(fēng)巷→3117膠帶道→3205絞車(chē)道→3205風(fēng)橋。

2.2 網(wǎng)格劃分

由于FDS計(jì)算區(qū)域及內(nèi)部區(qū)域只能為長(zhǎng)方體及其組合體，而巷道內(nèi)部截面又多為圓形或拱形，因此，在建模時(shí)對(duì)巷道內(nèi)部進(jìn)行簡(jiǎn)化，將其截面等效為面積相等的矩形來(lái)建立模型[14]。根據(jù)安源煤礦378工作面實(shí)際尺寸建立全尺寸模型如圖1所示，巷道截面均為2.5 m×2.5 m，于3119膠帶巷及3117膠帶巷各設(shè)置1個(gè)密閉風(fēng)門(mén)，進(jìn)風(fēng)巷、切眼及回風(fēng)巷均不設(shè)置風(fēng)門(mén)，以保證巷道的正常通風(fēng)。

圖1 巷道結(jié)構(gòu)Fig.1 Roadway structure

在FDS中，網(wǎng)格尺寸是需要設(shè)置的最關(guān)鍵的參數(shù)，其大小決定了計(jì)算結(jié)果的精確度和穩(wěn)定程度。網(wǎng)格尺寸的選擇還需考慮計(jì)算機(jī)性能及計(jì)算時(shí)間等因素[3]。FDS用戶手冊(cè)推薦了1種按式(5)進(jìn)行計(jì)算的網(wǎng)格劃分方法[15]：

(5)

式中：D*為火災(zāi)特征直徑，m；Q為火源熱釋放速率，kW；ρ∞為空氣密度，kg/m3；cp為空氣比熱，kJ/(kg·K)；T∞為空氣溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

本模擬取ρ∞=1.2 kg/m3，cp=1 kJ/(kg·K)，T∞=273 K，g=9.80 m/s2，火源熱釋放速率分別取3，6 MW，產(chǎn)煙率與CO生成率均為0.1。根據(jù)式(5)計(jì)算得火災(zāi)特征直徑為1.536 264，2.027 112 m。研究表明，當(dāng)網(wǎng)格尺寸為0.1D*或0.2D*時(shí)，模擬結(jié)果能夠較好地反映溫度的變化趨勢(shì)?？紤]到計(jì)算機(jī)性能和計(jì)算時(shí)間等因素，最終確定網(wǎng)格尺寸為0.2D*，即網(wǎng)格尺寸為0.4 m×0.4 m×0.4 m。

2.3 火源及工況設(shè)置

火災(zāi)為工作面切眼處運(yùn)輸膠帶和機(jī)電設(shè)備著火，根據(jù)式(5)計(jì)算得火源特征直徑為1.536 264 m，因此，設(shè)定火源大小為1.5 m×1.5 m，地點(diǎn)位于切眼路段偏中上，距進(jìn)風(fēng)巷29.3 m，距回風(fēng)巷75.7 m，見(jiàn)圖1。礦井火災(zāi)發(fā)展過(guò)程屬于t2火模型，如式(6)。

Q=at2

(6)

式中：a為增長(zhǎng)系數(shù)，kW/s2；Q為火源功率，kW；t為時(shí)間，s。

根據(jù)t2火模型等級(jí)劃分，礦井外因火災(zāi)屬于快速火，a取值0.046 89 kW/s2。火源功率分別為3，6 MW。本模擬共設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，以火源為中心，每隔10 m設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)1～3在火源上風(fēng)向，測(cè)點(diǎn)4～6在火源下風(fēng)向。溫度、CO濃度、能見(jiàn)度切片設(shè)置在人眼特征高度(1.6 m)處。巷道風(fēng)流方向設(shè)置為工作面切眼縱向通風(fēng)，模型不設(shè)置噴淋裝置，模擬時(shí)間為900 s。

《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定，在運(yùn)輸機(jī)巷、采區(qū)進(jìn)、回風(fēng)巷中，最高允許風(fēng)速為6 m/s，最低允許風(fēng)速為0.25 m/s[16]。為研究不同風(fēng)速對(duì)巷道內(nèi)部火災(zāi)蔓延規(guī)律的影響，結(jié)合《煤礦安全規(guī)程》中對(duì)礦井巷道內(nèi)通風(fēng)安全的要求，設(shè)置8種工況，其中工況1～4火源功率均為3 MW，工況5～8火源功率均為6 MW，風(fēng)速分別為0.25，1.25，2.25，3.25 m/s。除火源功率與風(fēng)速，其他參數(shù)相同。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 巷道溫度演化規(guī)律

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙流中攜帶大量熱量，容易對(duì)井下人員皮膚及呼吸道造成熱損傷，破壞人體的體溫調(diào)節(jié)及新陳代謝，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危害生命安全，同時(shí)煙霧顆粒的遮光性造成巷道內(nèi)能見(jiàn)度下降，嚴(yán)重影響人的視線，影響人員逃生及救援。因此，有必要對(duì)巷道內(nèi)溫度變化情況進(jìn)行研究。以火源為中心，每隔10 m設(shè)置1個(gè)熱電偶，共計(jì)6個(gè)熱電偶以觀察溫度變化情況。各工況下各測(cè)點(diǎn)溫度變化如圖2～3所示。

圖2 火源功率為3 MW時(shí)溫度隨風(fēng)速變化情況Fig.2 Change of temperature with wind speed under fire source power of 3 MW

圖3 火源功率為6 MW時(shí)溫度隨風(fēng)速變化情況Fig.3 Change of temperature with wind speed under fire source power of 6 MW

由圖2～3可知，不同風(fēng)速和火源功率對(duì)巷道內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度分布有顯著影響。在2種火源功率下，巷道溫度分布曲線趨勢(shì)大致相同?；馂?zāi)發(fā)生后產(chǎn)生的高溫?zé)熈餮刂锏揽v向充分?jǐn)U散，各測(cè)點(diǎn)溫度在火源未達(dá)到最大熱釋放速率前呈二次函數(shù)升高的趨勢(shì)，在火源達(dá)到最大熱釋放速率后緩慢升高至穩(wěn)定溫度。在此期間，距離火源越近，溫度升高的趨勢(shì)越明顯，穩(wěn)定溫度越高。緩慢升高至穩(wěn)定溫度后，由于煙流逆退，溫度呈二次函數(shù)迅速下降，之后再快速升高至最高溫度，然后再緩慢下降至穩(wěn)定溫度。這是由于巷道內(nèi)部燃料燃燒殆盡，受風(fēng)壓和周?chē)h(huán)境的影響，巷道內(nèi)部逐漸冷卻，直到穩(wěn)定。

相同風(fēng)速下，Q=6 MW時(shí)巷道溫度分布總體高于Q=3 MW時(shí)的巷道溫度，即在風(fēng)速不變的情況下，火源功率越大，巷道溫度越高。在火源上風(fēng)向，由于機(jī)械風(fēng)壓的作用，溫度變化并不大。當(dāng)火源功率為3 MW時(shí)，測(cè)點(diǎn)2煙流逆退時(shí)間隨著風(fēng)速增加而增大，在風(fēng)速為2.25 m/s時(shí)達(dá)到最大，隨后降低。說(shuō)明當(dāng)風(fēng)速足夠大時(shí)，由于機(jī)械風(fēng)壓大于火風(fēng)壓作用，不發(fā)生煙流逆退現(xiàn)象；當(dāng)火源功率為6 MW時(shí)，測(cè)點(diǎn)1～3溫度變化相較于3 MW時(shí)升高趨勢(shì)明顯，說(shuō)明在相同風(fēng)速下，火源功率越大，巷道內(nèi)火源上風(fēng)向溫度升高越快，即火勢(shì)隨火源功率的增大而增長(zhǎng)。同時(shí)還可以看出，在火源功率不變的情況下，火源上風(fēng)向距離火源較近的測(cè)點(diǎn)2，3溫度波動(dòng)劇烈，峰值變化尤其明顯，說(shuō)明其溫度變化受風(fēng)速影響最大。這是由于測(cè)點(diǎn)2，3處于上行巷道拐角處，上升火羽流在拐角處發(fā)生風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，導(dǎo)致高溫?zé)熈髟跍y(cè)點(diǎn)2，3附近大量集聚。當(dāng)v=0.25 m/s時(shí)，2種火源功率下風(fēng)向，即測(cè)點(diǎn)4～6的溫度變化相較于其他風(fēng)速下變化較大，這是由于上升火羽流受風(fēng)流影響擴(kuò)散受阻，火勢(shì)及煙氣隨風(fēng)流向下風(fēng)向移動(dòng)，高溫?zé)熈髟谙嘛L(fēng)向大量集聚擴(kuò)散，導(dǎo)致下風(fēng)向溫度升高趨勢(shì)明顯。

3.2 CO濃度演化規(guī)律

CO是礦井火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)熈髦械闹饕卸居泻怏w，大量的CO會(huì)導(dǎo)致井下人員窒息或中毒，嚴(yán)重危害生命安全。因此，探究井下火災(zāi)發(fā)生后CO濃度演化規(guī)律，有利于深刻認(rèn)識(shí)礦井火災(zāi)蔓延規(guī)律。通過(guò)在同一高度設(shè)置CO濃度探測(cè)器，得出火災(zāi)發(fā)生后巷道內(nèi)CO濃度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，各工況下各測(cè)點(diǎn)CO濃度變化如圖4～5所示。

由圖4～5可知，在2種火源功率下，巷道內(nèi)CO濃度分布曲線趨勢(shì)大致相同?；馂?zāi)發(fā)生后測(cè)點(diǎn)CO濃度在火源未達(dá)到最大熱釋放速率前呈二次函數(shù)升高，在火源達(dá)到最大熱釋放速率后CO濃度緩慢升高至穩(wěn)定濃度。當(dāng)火源達(dá)到最大熱釋放速率后，沿巷道方向CO濃度隨著距火源中心距離的增大而減小。受風(fēng)流的影響，火源下風(fēng)向距離火源分別為10，20，30 m的測(cè)點(diǎn)4，5，6最先檢測(cè)到CO，上風(fēng)向距離火源10 m的測(cè)點(diǎn)1隨后檢測(cè)到CO。說(shuō)明在風(fēng)流的影響下，火災(zāi)蔓延趨勢(shì)發(fā)生變化，火源下風(fēng)向火災(zāi)發(fā)展速度比上風(fēng)向快。相同風(fēng)速下，隨著火源功率的增大火災(zāi)發(fā)展變快，CO濃度增加速率也隨之變快。相同火源功率下，4種風(fēng)速的工況下CO濃度變化趨勢(shì)基本一致，其趨勢(shì)都是先迅速增加后波動(dòng)至穩(wěn)定狀態(tài)。隨著火災(zāi)的發(fā)展，上風(fēng)向測(cè)點(diǎn)1處CO濃度值迅速增加，但隨著風(fēng)速的增大，火源下風(fēng)向距火源最近的測(cè)點(diǎn)4處CO濃度增加速率快于上風(fēng)向測(cè)點(diǎn)1處，且風(fēng)速越大，測(cè)點(diǎn)4處CO濃度增加速率越快，說(shuō)明風(fēng)速的增加促進(jìn)了火災(zāi)的發(fā)展。

圖4 火源功率為3 MW時(shí)CO濃度隨風(fēng)速變化情況Fig.4 Change of CO concentration with wind speed under fire source power of 3 MW

圖5 火源功率為6 MW時(shí)CO濃度隨風(fēng)速變化情況Fig.5 Change of CO concentration with wind speed under fire source power of 6 MW

所有工況下，測(cè)點(diǎn)4最先達(dá)到《金屬與非金屬礦山安全規(guī)程》的規(guī)定值(30 mg/m3)?；鹪垂β蕿? MW，v=2.25 m/s時(shí)火源上風(fēng)向的測(cè)點(diǎn)2達(dá)到整個(gè)模擬過(guò)程中的最大CO濃度值0.007 9 kg/m3；火源功率為6 MW，v=1.25 m/s時(shí)測(cè)點(diǎn)2同樣達(dá)到模擬過(guò)程中的最大CO濃度值0.008 3 kg/m3。所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定后的CO濃度值均高于規(guī)定值30 mg/m3，整個(gè)切眼巷道內(nèi)存在中毒的危險(xiǎn)。

3.3 能見(jiàn)度演化規(guī)律

火災(zāi)發(fā)生之后，燃燒生成的煙粒子對(duì)可見(jiàn)光有遮蔽作用，濃煙擴(kuò)散會(huì)阻礙光傳播，降低礦井內(nèi)的可見(jiàn)度，影響井下工作人員的逃生[17]。火災(zāi)時(shí)期，風(fēng)速對(duì)煙氣蔓延時(shí)礦井能見(jiàn)度有較大影響。數(shù)值模擬結(jié)束后，對(duì)各工況下數(shù)值模擬出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在此選擇2種功率下火源達(dá)到最大熱釋放速率時(shí)的時(shí)間來(lái)觀察能見(jiàn)度變化情況，根據(jù)式(6)計(jì)算得2種火源功率下達(dá)到最大熱釋放速率的時(shí)間分別為253，358 s，即選擇253，358 s時(shí)觀察其能見(jiàn)度變化情況。其中各工況下火源達(dá)到最大熱釋放速率時(shí)各測(cè)點(diǎn)的能見(jiàn)度變化如圖6～7所示。

圖6 火源功率為3 MW，253 s時(shí)能見(jiàn)度隨風(fēng)速變化情況Fig.6 Change of visibility with wind speed at 253 s under fire source power of 3 MW

圖7 火源功率為6 MW，358 s時(shí)能見(jiàn)度隨風(fēng)速變化情況Fig.7 Change of visibility with wind speed at 358 s under fire source power of 6 MW

保證安全疏散的最大能見(jiàn)度距離稱為極限視程，當(dāng)熟悉周邊環(huán)境，極限視程為5 m；當(dāng)不熟悉周邊環(huán)境時(shí)，極限視程為30 m[1]?？紤]到工作人員對(duì)井下環(huán)境比較熟悉，在此選擇極限視程為5 m。當(dāng)巷道內(nèi)能見(jiàn)度下降到5 m以下，根據(jù)通行難易程度系數(shù)及當(dāng)量長(zhǎng)度計(jì)算公式得出巷道可通行性安全系數(shù)為無(wú)窮大[18]，則計(jì)算得出的巷道當(dāng)量長(zhǎng)度也為無(wú)窮大，此時(shí)該巷道為絕不可通行巷道。

由圖6～7可知，火災(zāi)發(fā)生后，巷道內(nèi)工作面切眼路段能見(jiàn)度迅速降為零，且距火源中心距離越近，能見(jiàn)度越先降為零?；鹪垂β蕿? MW，253 s時(shí)，工作面切眼路段在4種風(fēng)速下能見(jiàn)度均下降到5 m以下，所以該路段為絕不可通行巷道。而3119膠帶巷路段只有部分路段能見(jiàn)度下降到5 m以下，且隨著風(fēng)速的增大，3119膠帶巷能見(jiàn)度下降到5 m以下的路段長(zhǎng)度越短。說(shuō)明隨著風(fēng)速增加，3119膠帶巷火災(zāi)區(qū)域減小，即相同火源功率下，風(fēng)速越大，火源上風(fēng)向火災(zāi)發(fā)展速度越慢，上風(fēng)向巷道內(nèi)能見(jiàn)度降低的趨勢(shì)越慢。這是由于進(jìn)風(fēng)巷為火源上風(fēng)向，該路段風(fēng)流方向與火羽流方向相反，風(fēng)流有效減緩了火勢(shì)的蔓延，且風(fēng)速越大，火源上風(fēng)向火災(zāi)發(fā)展速度越慢，上風(fēng)向火災(zāi)區(qū)域越小，抑燃效果越明顯。而回風(fēng)巷及3205上山路段則隨著風(fēng)速的增加火災(zāi)區(qū)域不斷擴(kuò)大，這是由于回風(fēng)巷及3205上山路段均為下風(fēng)向，風(fēng)流方向與火羽流方向相同，風(fēng)速的增加加速了火災(zāi)的燃燒，且風(fēng)速越大助燃效果越明顯。當(dāng)火源功率為6 MW時(shí)，整個(gè)回風(fēng)巷路段均為不可通行巷道，相同風(fēng)速下，進(jìn)風(fēng)巷及3205上山路段的火災(zāi)區(qū)域均大于3 MW時(shí)的火災(zāi)區(qū)域，說(shuō)明相同風(fēng)速下，火源功率越大，火源達(dá)到最大熱釋放速率時(shí)巷道內(nèi)能見(jiàn)度越低，能見(jiàn)度下降為不可通行巷道的火災(zāi)區(qū)域越大，火勢(shì)燃燒越快，火災(zāi)蔓延速度越快。

4 結(jié)論

1)基于安源煤礦378出山工作面建立的FDS礦井巷道火災(zāi)燃燒模型，能夠直觀地反映巷道內(nèi)部火災(zāi)的燃燒及發(fā)展過(guò)程，能夠定量地描述火災(zāi)發(fā)生后巷道內(nèi)部的溫度、CO濃度及能見(jiàn)度等相關(guān)參數(shù)。

2)風(fēng)速及火源功率對(duì)礦井巷道火災(zāi)的溫度場(chǎng)、有毒有害氣體擴(kuò)散及能見(jiàn)度變化影響顯著。風(fēng)速一定時(shí)，火源功率越大，巷道內(nèi)溫度越高，相同位置CO濃度值增速越快，火源達(dá)到最大熱釋放速率時(shí)巷道內(nèi)能見(jiàn)度越低，且能見(jiàn)度降到零的火災(zāi)區(qū)域越大；火源功率一定時(shí)，隨著風(fēng)速增加，巷道內(nèi)溫度增加，CO 濃度值升高，能見(jiàn)度降低。

3)風(fēng)速及火源功率對(duì)于礦井巷道內(nèi)火災(zāi)蔓延有較大影響，火源速率的增大會(huì)加速火災(zāi)蔓延，火災(zāi)蔓延速率與風(fēng)速成正比，但風(fēng)速的增加只加速了下風(fēng)向火災(zāi)的發(fā)展，反而減緩了上風(fēng)向火勢(shì)的蔓延。因此，在火災(zāi)發(fā)生后可以適當(dāng)采取反風(fēng)措施，為井下人員逃生及救援增加時(shí)間。