基于FDS 的礦井膠帶運(yùn)輸巷火災(zāi)數(shù)值模擬研究

周倍淇 張孟浩

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037000）

礦井火災(zāi)是威脅礦山安全生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一，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)。因此，本文針對柳灣煤礦61122 工作面的運(yùn)輸巷道，采用FDS 火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件，深入探討了井下風(fēng)速的變化對礦井火災(zāi)蔓延規(guī)律的影響，為指導(dǎo)井下工作人員逃生及救援提供了依據(jù)。

1 火災(zāi)模擬軟件FDS 基礎(chǔ)理論

1.1 FDS 控制方程

FDS 是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局所研發(fā)的火災(zāi)動力學(xué)模擬工具，是基于大渦模擬技術(shù)模擬火災(zāi)能量驅(qū)動流體流動的三維計(jì)算流體力學(xué)軟件，作為數(shù)值計(jì)算在防災(zāi)減災(zāi)及建筑、消防等領(lǐng)域中應(yīng)用的典型代表。FDS 為研究物質(zhì)燃燒特性、火災(zāi)發(fā)展蔓延規(guī)律和逃生救災(zāi)等工作提供了便捷、有效的計(jì)算工具，F(xiàn)DS 是目前火災(zāi)研究領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的軟件之一。

FDS 計(jì)算要先建立控制方程，其定義為能夠準(zhǔn)確、完整描述某一物理現(xiàn)象或者規(guī)律的數(shù)學(xué)方程，即質(zhì)量方程、動量方程、能量方程、組分方程及狀態(tài)方程，其具體公式[1]如下：

1）質(zhì)量守恒方程

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；ui為i方向上的速度，m/s。

2）動量守恒方程

式中：p為靜壓力，Pa；ρgi為i方向所受的體積力，N；g為重力加速度，取值為9.8 m/s2；Fi為熱源引起的源項(xiàng)；τij為應(yīng)力張量值，N。

3）能量守恒方程

式中：h為焓，J/kg；K為熱導(dǎo)率，W/（m·K）；qr為體積熱釋放率，W/m2；T為溫度，K；Yi為第i種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Di為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

4）組分方程

式中：mi''' 為單位體積內(nèi)第i種組分的質(zhì)量生成率。

5）狀態(tài)方程

式中：R為氣體摩爾常數(shù)，J/（mol·K）；Mi為第i種組成成分的摩爾質(zhì)量，kg/mol。

1.2 火災(zāi)數(shù)值模擬的步驟

火災(zāi)數(shù)值模擬技術(shù)是指導(dǎo)現(xiàn)代防災(zāi)減災(zāi)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)成果之一，主要研究火災(zāi)的燃燒過程、蔓延規(guī)律，以及火源附近區(qū)域的溫度變化、風(fēng)速流向變化和煙氣運(yùn)移規(guī)律等。因此，火災(zāi)數(shù)值模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)火災(zāi)模型理論的跨越，在消防救援領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

火災(zāi)動力學(xué)模擬求解步驟[2]如下：先建立控制方程組、確定初始和邊界，確定區(qū)域離散、節(jié)，然后建立離散，對方程進(jìn)行求解數(shù)值方。在此基礎(chǔ)上判斷是否收斂，若收斂則分析計(jì)算，若不收斂則修改，重新進(jìn)行判斷，如此循環(huán)往復(fù)處理。

這是一首主張勤勞工作、志不可荒的詩。 值得注意的是，作者并不是一味警戒世人，而是既同意應(yīng)該快樂的時(shí)候就快樂，只是必須有節(jié)制。 這就符合人情，深厚得多。 所謂思深便是如此。

2 礦井膠帶火災(zāi)模型

2.1 工況概述

柳灣煤礦隸屬于汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，礦井東北距離山西省孝義市城區(qū)18 km，井田大部位于山西省孝義市境內(nèi)，西南跨入交口縣西邏、李家坡一帶，南部至靈石縣東邏、金莊一帶。

柳灣煤礦61122 工作面的運(yùn)巷采用矩形斷面，凈寬4.5 m，凈高3.2 m，凈斷面積14.4 m2，掘進(jìn)寬4.7 m，掘進(jìn)高3.4 m。運(yùn)巷斷面如圖1。

圖1 運(yùn)巷斷面（mm）

2.2 模型建立

由于煤礦井下環(huán)境比較復(fù)雜，其模擬場景將簡單化，特作假設(shè)條件[3-4]：當(dāng)燃燒發(fā)生時(shí)，火災(zāi)煙氣在巷道擴(kuò)散的過程中其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)均穩(wěn)定，不會產(chǎn)生任何反應(yīng)；火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣均視為多組分理想氣體，遵循理想氣體狀態(tài)方程；巷道中的側(cè)壁溫度屬于冷卻帶溫度，火災(zāi)發(fā)生期間始終處于恒溫狀態(tài)。

膠帶運(yùn)輸巷物理模型如圖2。該模型的尺寸為40 m×3 m×3 m。數(shù)值模擬中采用大渦湍流模型，用聚氨酯模型模擬燃燒。在巷道的左側(cè)設(shè)置進(jìn)風(fēng)口和引火源，進(jìn)風(fēng)口的尺寸為3 m×3 m，引火源的尺寸為1 m×2 m。由材料庫導(dǎo)入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0 的混凝土作為巷道的側(cè)壁、地板及頂板，巷道側(cè)壁和地板的尺寸均為40 m×3 m，巷道頂板的尺寸為3 m×3 m×40 m。當(dāng)模擬開始運(yùn)行的時(shí)候，引火源處于燃燒狀態(tài)，進(jìn)風(fēng)口有氣流產(chǎn)生。

圖2 物理模型

從進(jìn)風(fēng)口的位置開始算起，熱電偶設(shè)置在火源正上方的1.5 m 處，主要記錄火源附近產(chǎn)生的煙氣溫度變化情況。

2.3 網(wǎng)格劃分及工況設(shè)置

FDS 對膠帶運(yùn)輸巷火災(zāi)模擬計(jì)算之前應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格敏感性分析，目的是尋找符合巷道模型的合理網(wǎng)格。網(wǎng)格尺寸是FDS 設(shè)置的重要參數(shù)，也是決定計(jì)算的準(zhǔn)確性以及計(jì)算時(shí)間的關(guān)鍵因素。如果網(wǎng)格過大，會導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)較大的計(jì)算誤差；如果網(wǎng)格過小，會導(dǎo)致時(shí)間步長縮短，模擬計(jì)算時(shí)間增大。因此，網(wǎng)格尺寸的經(jīng)驗(yàn)值為特征火焰直徑的1/4～1/16 最為合適，特征火焰直徑D*計(jì)算公式[5]如下：

式中：Q˙為火源熱釋放速率，kW；ρ0為環(huán)境密度，kg/m3；Cp為定壓比熱，kJ/（kg·K）。

據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的風(fēng)速范圍，選取膠帶運(yùn)輸巷內(nèi)風(fēng)速分別為1.0 m/s（工況1）、1.5 m/s（工況2）、2.0 m/s（工況3）；模擬中火源熱釋放速率為1200 kW/m2，模擬時(shí)間持續(xù)為50 s，各工況運(yùn)行時(shí)間接近5 h。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 煙氣運(yùn)移規(guī)律

燃燒50 s 時(shí)3 種工況下的煙氣分布如圖4。工況1 的煙氣剛開始向下風(fēng)側(cè)擴(kuò)散，主要受浮力效應(yīng)的影響使得煙氣全部集中在膠帶運(yùn)輸巷的上部。由于火源不斷地燃燒，工況1 的煙氣出現(xiàn)下沉現(xiàn)象并向上風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)移，巷道中的風(fēng)流紊亂以煙氣逆退的形式出現(xiàn)。上風(fēng)側(cè)的煙氣逆退距離為5 m，此后的時(shí)間內(nèi)巷道煙氣持續(xù)動態(tài)穩(wěn)定。為了測得風(fēng)速對膠帶運(yùn)輸巷火災(zāi)煙氣的影響，將風(fēng)速提高到1.5 m/s（工況2）、2 m/s（工況3）進(jìn)行模擬計(jì)算。工況2 的巷道內(nèi)煙氣出現(xiàn)逆退現(xiàn)象，距離10 m。工況3 暫未出現(xiàn)煙流逆退現(xiàn)象，煙氣全部位于下風(fēng)側(cè)。

圖4 燃燒50 s 時(shí)3 種工況下的煙氣分布圖

通過對比模擬結(jié)果，火災(zāi)煙氣在運(yùn)輸巷內(nèi)擴(kuò)散和流動表現(xiàn)出移動速度不穩(wěn)定的特征。在燃燒初期，火源產(chǎn)生的煙氣由于受到浮力效應(yīng)的影響而處于上升階段，沿著巷道頂板呈現(xiàn)出束狀流動向兩端擴(kuò)散。隨著火源不斷地燃燒，火災(zāi)煙氣出現(xiàn)分層貼附態(tài)勢并逐漸向下部流動，與未受污染的空間出現(xiàn)明顯的分界線。但是由于時(shí)間的推移這種界限不再清晰，風(fēng)流紊亂使火源的下風(fēng)側(cè)已完全充滿煙氣，結(jié)果造成巷道中形成大范圍的高濃度煙氣危害區(qū)。因此，要充分認(rèn)識煙氣分層流動以及擴(kuò)散緩慢的特點(diǎn)，有利于井下人員最大限度地利用剩余寶貴時(shí)間避險(xiǎn)，對火災(zāi)逃生及救護(hù)搶險(xiǎn)工作具有重要意義。

3.2 溫度分布變化

在三種工況作用下，火源中心線平面可以表現(xiàn)出運(yùn)輸巷內(nèi)最高溫度的變化特征。因此，在巷道中心設(shè)置X=1.5 m 的溫度切面，用來記錄巷道下風(fēng)側(cè)火源溫度的變化情況。為了便于觀察巷道溫度，設(shè)定smokeview 溫度條的最大顯示溫度為100 ℃。

燃燒40 s 時(shí)3 種工況下的溫度分布如圖5。工況1 在燃燒40 s 時(shí)，位于火源附近的熱電偶測得溫度為59.73 ℃，而工況2 的溫度為21.96 ℃，工況3的溫度為21.13 ℃。因此，風(fēng)速越大，火勢越小，火源附近的溫度越低。由于風(fēng)速對附著在膠帶上的遺煤引燃時(shí)間影響不大，但是風(fēng)速過大會散去大量的熱量，從而阻擋了遺煤的燃燒。同時(shí)還可以觀察到，煙氣由火源沿著巷道縱向蔓延的過程與溫度較低的側(cè)壁面進(jìn)行熱對流交換，與周圍的環(huán)境發(fā)生能量交換，距離火源區(qū)域越遠(yuǎn)，則溫度越低。

圖5 燃燒40 s 時(shí)3 種工況下的溫度分布圖

4 結(jié)論

1）膠帶運(yùn)輸巷發(fā)生火災(zāi)時(shí)，增大風(fēng)速，可以減緩火源的上游區(qū)域受到火災(zāi)煙氣的影響，降低火勢沿著巷道橫向發(fā)展的趨勢。

2）火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠谙锏纼?nèi)發(fā)生熱分層現(xiàn)象，隨著風(fēng)速的增加，火源附近的熱量被驅(qū)散，從而溫度不斷下降。