火源位置對井巷外因火災(zāi)參數(shù)影響的數(shù)值模擬研究

張軍亮 ，朱云飛 ，張學(xué)亮

（1.山西工程技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西 陽泉 045000；2.中煤華晉集團(tuán)晉城能源有限公司，山西 晉城 048200）

礦井火災(zāi)是煤礦常見的事故災(zāi)害之一，由于礦井巷道屬于受限空間，礦井火災(zāi)尤其是外因火災(zāi)具有火勢發(fā)展快、煙流蔓延迅速的特征，往往會導(dǎo)致人員受困，嚴(yán)重者甚至造成人員死亡，因此許多學(xué)者對礦井巷道中的火災(zāi)參數(shù)規(guī)律進(jìn)行了深入研究。在巷道火災(zāi)溫度分布規(guī)律上，Kurioka等[1]對巷道內(nèi)頂板下的最大溫度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了最大溫度與火源功率曾指數(shù)關(guān)系，LI 等[2]和YAO 等[3]基于羽流理論對其經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了進(jìn)一步修正；李晴等[4]基于理論分析，建立了火災(zāi)煙流溫度分布的預(yù)測模型；劉雨晴等[5]分析了縱向通風(fēng)下不同巷道傾角火災(zāi)煙氣的蔓延特性和溫度分布。在巷道火災(zāi)煙氣分布規(guī)律上，薛彥平[6]對比了不同通風(fēng)方式下工作面巷道煙流逆退距離規(guī)律；郝海清等[7]基于Froude 公式，提出了煙氣逆流臨界風(fēng)速計算公式，并對數(shù)值模擬分析了羊場灣煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的排煙風(fēng)量效果；賈靜等[8]通過數(shù)值模擬分析了火災(zāi)煙氣的逆退現(xiàn)象。在火源位置方面，張洪杰等[9]分析了火源與掘進(jìn)面不同距離下的火災(zāi)參數(shù)分布規(guī)律；吳佳平等[10]對比不同封閉墻與火源距離分析了火區(qū)內(nèi)瓦斯氣體的爆炸危險性。上述研究文獻(xiàn)均假設(shè)火源位于巷道底板的情況，在實(shí)際礦井中，巷道在發(fā)生冒頂?shù)仁鹿蕰r，礦井往往采取復(fù)合材料或木背板填充[11]，因此，一些底部火災(zāi)可能引燃頂部的背板，同樣頂部背板等可燃物燃燒后也極可能掉落至地面繼續(xù)燃燒，造成雙火源現(xiàn)象，這勢必會造成火煙參數(shù)分布的變化，從而影響火煙控制措施的制定，然而現(xiàn)有文獻(xiàn)鮮有研究。為此，為了重點(diǎn)研究巷道垂向斷面不同火源位置對火災(zāi)參數(shù)的影響，選取里必煤礦某巷道實(shí)際生產(chǎn)通風(fēng)工況，分別對頂板單一火源、底板單一火源和同時發(fā)生在頂、底板的雙火源3 種工況下巷道內(nèi)煙霧、溫度、CO 參數(shù)分布進(jìn)行了探討分析，為井巷相應(yīng)火災(zāi)應(yīng)急救援措施的制定提供參考。

1 模型構(gòu)建

1.1 模型及參數(shù)設(shè)定

研究選用FDS（Fire Dynamic Simulation）火災(zāi)模擬軟件，其適用于模擬低馬赫數(shù)火災(zāi)煙流和熱量傳輸情況，因此常被用來分析隧道及巷道火災(zāi)。數(shù)值模型依照里必煤礦某段直巷道進(jìn)行建模，選取的巷道長、寬、高依次為100、4、3 m。火源位于巷道軸向和橫向中央，尺寸為1 m×1 m。巷道內(nèi)傳感器設(shè)置如圖1。

圖1 巷道模型及傳感器布置示意圖Fig.1 Tunnel model and sensor layout position

為了獲取巷道內(nèi)的參數(shù)，在火源上方及巷道軸向上2 m 高處每隔10 m 依次設(shè)立溫度傳感器和CO 氣體體積分?jǐn)?shù)傳感器，為了進(jìn)一步分析巷道頂部的溫度分布，在火源上方的頂板沿巷道軸向每間隔10 m 也布設(shè)了溫度傳感器。巷道四周邊壁由于采用了噴漿，選取軟件材料庫中混凝土的密度、熱導(dǎo)率等參數(shù)。巷道邊壁及初始環(huán)境溫度為20 ℃，環(huán)境壓力為1.0×105Pa。

1.2 工況參數(shù)設(shè)定

為研究正常通風(fēng)情況下不同起火位置火災(zāi)參數(shù)的分布情況，設(shè)定巷道左邊為風(fēng)流速度入口，速度值為1 m/s，另一邊設(shè)為開口邊界，模擬時間為900 s。由于研究主要針對巷道頂板冒落后填充的有機(jī)物或錨網(wǎng)、支架后方的背板被引燃后的火災(zāi)，因此火災(zāi)功率不大，參考傅培舫等[12]在巷道內(nèi)進(jìn)行的全尺寸可燃物火災(zāi)參數(shù)試驗(yàn)，結(jié)合其他文獻(xiàn)綜合考慮[13-14]，將火災(zāi)總功率設(shè)置為1 MW，即火源單獨(dú)位于頂板和底板時，火源功率為1 MW，火源同時位于頂?shù)装迩闆r時，頂板火源和底部火源分別為0.5 MW。

1.3 網(wǎng)格尺寸劃分

在有限元分析軟件中，網(wǎng)格尺寸越密集，模擬結(jié)果越精確。依據(jù)FDS 軟件用戶手冊中火源特征直徑及網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)，計算得出模型網(wǎng)格尺寸應(yīng)位于0.061～0.241 m 范圍內(nèi)。為了進(jìn)一步檢查網(wǎng)格獨(dú)立性，對所采用的4 種網(wǎng)格方案模擬了巷道頂板處火源處的溫度分布，不同網(wǎng)格尺寸下巷道縱向溫度分布如圖2。

圖2 不同網(wǎng)格尺寸下巷道縱向溫度分布Fig.2 Longitudinal temperature distribution in the tunnel under different grid sizes

由圖2 可得：當(dāng)網(wǎng)格尺寸采用0.1 m 和0.2 m混合方案時，和全部采用0.1 m 網(wǎng)格及0.08 m 的網(wǎng)格方案模擬結(jié)果趨于一致。為節(jié)省計算時間，采用混合網(wǎng)格方案，即在火源上下游附近20 m 內(nèi)采用0.1 m 網(wǎng)格，其它區(qū)域采用0.2 m 網(wǎng)格，且該方案已在HU 等[15]的研究中得到驗(yàn)證。網(wǎng)格尺寸劃分示意圖如圖3。

圖3 網(wǎng)格尺寸劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of grid size division

2 結(jié)果分析

2.1 煙流分布

不同火源位置狀態(tài)下煙流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的分布情況如圖4。

由圖4 可知：火源位于底板和頂?shù)装鍟r，下方火源會產(chǎn)生火焰區(qū)、浮力區(qū)和羽流區(qū)，位于下部的煙流在上升撞擊頂板后沿上下游運(yùn)動；而火源位于頂板時，煙流產(chǎn)生后直接沿頂棚向上下游運(yùn)動，3 種模擬工況在該風(fēng)速下煙流均有逆退現(xiàn)象，且煙流在運(yùn)行至一定距離后受巷道機(jī)械通風(fēng)和摩擦阻力影響而停止逆退，轉(zhuǎn)而向下風(fēng)向運(yùn)動直至出口處。

雖然3 種狀態(tài)下火源功率總和一致，但3 種狀態(tài)下的煙流分布情況和煙流逆退距離卻表現(xiàn)不同。

在煙流分布上，尤其是火源下游位置，火源位于頂板時，煙流整體分布于巷道頂部，和底部的新鮮空氣分界面清晰，而火源位于底板和同時位于頂?shù)装鍟r，在下游處煙流流動出現(xiàn)一定程度的紊流現(xiàn)象，煙流沉降明顯，整個巷道幾乎被煙流充斥。

不同工況下火源附近煙流速度矢量分布如圖5。

圖5 不同工況下火源附近煙流速度矢量分布圖Fig.5 Velocity vector distribution of smoke flow near the fire source with different conditions

由圖5 可知：當(dāng)火源位于頂板時，火源附近煙流基本保持沿水平面層流運(yùn)動，頂板附近煙流受巷道壁面黏性阻力影響，速度小于下部風(fēng)流；當(dāng)火源位于底板和同時位于頂?shù)装鍟r，在火焰下角出現(xiàn)旋渦等紊流現(xiàn)象，這可能進(jìn)一步加劇了下游方向煙流的卷吸和沉降；此外，下部火源產(chǎn)生的煙流受浮力和縱向風(fēng)流綜合作用，向下游頂板方向偏移，但火源同時位于頂?shù)装鍟r，由于頂板火源產(chǎn)生的煙流與底板火源產(chǎn)生的煙流在火源上方靠近頂板處相互作用，底板火源的火焰偏移角度要略大于單一火源位于底板的工況。

在煙流逆退距離方面，當(dāng)火源位于底板時煙流逆退的距離最短，而火源位于頂板時次之，火源同時位于頂板和底板時煙流逆退距離最大。

根據(jù)煙流逆退分析理論，煙流逆退是熱浮力和慣性力作用的結(jié)果，即煙流前鋒處靜壓差和巷道通風(fēng)的動壓相等時，煙流停止逆退[16]，如式（1）：

式中： Δp為靜壓差，Pa；hv為動壓，Pa。

其中靜壓差可表示為：

式中： Δρ為煙流密度與空氣密度差，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h為煙氣厚度，m。

巷道縱向通風(fēng)的動壓可表示為：

式中： ρ為縱向風(fēng)流空氣密度，kg/m3；v為巷道速度，m/s。

將式（2）和式（3）代入式（1）可得：

由理想狀態(tài)方程可得：

式中：T為縱向新鮮風(fēng)流溫度，K； ΔT為煙流與新鮮風(fēng)流溫度之差，K。

前人研究[17]表明，縱向煙流溫度隨火源距離呈指數(shù)分布，如式（6）：

式中：ΔTmax為巷道頂部煙流與新鮮風(fēng)流最大溫差，K；k1、k2為其他因子影響系數(shù)；H為巷道寬度，m；x為與火源距離，m。

將式（6）和式（5）代入式（4），進(jìn)一步分析可得逆退距離L為：

由式（7）可知，煙流逆退受頂板煙流最大溫差、風(fēng)速、煙流厚度、巷道寬度等參數(shù)影響。在本文模擬工況下，風(fēng)速、巷道寬度等參數(shù)均一致，因此逆退距離僅受煙流厚度h和巷道頂部煙流最大溫差ΔTmax影響，煙流逆退距離函數(shù)關(guān)系圖如圖6。但由圖4 可知3 種模擬工況下上游煙流的厚度差別不大，火煙逆流的動力更多決定于頂部煙流的最大溫差，可在對巷道頂部煙流最大溫度的分析可以進(jìn)一步得到驗(yàn)證。

2.2 溫度分布

不同火源位置狀態(tài)下煙流穩(wěn)定時巷道頂板附近的溫度分布如圖7。

圖7 不同火源位置下巷道頂板處縱向溫度分布Fig.7 Longitudinal temperature distribution at the roof with different fire source locations

由圖7 可得：3 種狀態(tài)下溫度分布均表現(xiàn)出火源附近高，上下游溫度隨與火源距離增加而降低的規(guī)律；但火源位于底板時，最大溫度出現(xiàn)在火源下游的底板處，這是因?yàn)榛鹪串a(chǎn)生的煙流受縱向風(fēng)流影響，火煙上升過程中向下游偏移，當(dāng)上升至頂板處時已位于火源上方頂板的下游。

對比3 種情況下的火源附近頂板處的最大溫度，可得火源同時位于頂?shù)装鍟r略大于火源位于頂板，火源位于底板時最小，且明顯低于其它2種工況。分析其原因：當(dāng)火源位于底板時，由于距離頂板較遠(yuǎn)，且煙流上升過程中與巷道縱向風(fēng)流對流交換影響，導(dǎo)致熱量損失，而火源位于頂板時，火源距頂板近，燃燒產(chǎn)生的熱量絕大多數(shù)用來加熱頂部空氣，受浮力作用卷吸下方的冷空氣較少，因此頂板煙流最大溫度明顯沒有火源位于頂板時高；而當(dāng)頂?shù)装寰嬖诨鹪磿r，結(jié)合圖5分析可知，底板火源產(chǎn)生的高溫?zé)熈髯矒繇敯鍟r已在頂板火源的下風(fēng)向處，下部火源產(chǎn)生的煙流上升中卷吸空氣產(chǎn)生的煙流加上撞擊頂板后向上游的射流進(jìn)一步阻礙了頂板火源產(chǎn)生的煙流向下風(fēng)向流動，使得更多的熱量集中在頂板火源處，溫度更高。

在火源上游方向，隨著與火源距離的增加，頂?shù)谆馂?zāi)工況下的溫度衰減趨勢要大于火災(zāi)位于頂板的工況，但隨著離火源距離進(jìn)一步增大，反而發(fā)生反轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出火源位于頂?shù)装鍟r的溫度要大于火源位于頂板時，而火源位于底板的情況雖然隨距離增大下降趨勢較緩，但始終溫度最低。在火源下游方向，離火源較近處，溫度隨距離增加同上游一樣急劇衰減，在距離火源遠(yuǎn)端，3 種工況下的頂板處煙流溫度分布則與上游完全相反，火災(zāi)位于底板時溫度最大，但3 種工況下的溫差并不明顯，表明火源位于底板時，產(chǎn)生的高溫?zé)熈鞲嗟亓飨蛳掠畏较?，從而使下游方向頂板處的煙流溫度更高?/p>

分析煤礦巷道火災(zāi)時溫度對人員逃生的影響，?？紤]人員頭頂高度處火煙的溫度，鑒于巷道的底板鋪設(shè)有軌道、巷道發(fā)生底鼓和勞保鞋的高度，繪制的不同火源位置狀態(tài)下900 s 時巷道2 m 高處的溫度分布如圖8。

圖8 不同火源位置下巷道2 m 高處縱向溫度分布Fig.8 Longitudinal temperature distribution at 2 m height with different fire source locations

由圖8 可得：與頂部溫度分布規(guī)律一樣，2 m高處的溫度也呈現(xiàn)出火源附近高，隨火源距離增加溫度逐漸降低的規(guī)律。但3 種工況下，無論火源附近的最大溫度值還是火源上下游的空氣溫度，火源位于頂板時溫度值均要顯著低于其他兩者情況，且在火源兩側(cè)的變化不大，其中火源位于底板時，各處煙流溫度值最大。這是因?yàn)轫敯寤馂?zāi)煙流分布較為穩(wěn)定且主要集中于上部，而底板火源產(chǎn)生的煙流上升過程中卷吸了更多的空氣，煙氣質(zhì)量大，且新鮮風(fēng)流及上部逆退的煙流再次流經(jīng)火源后被進(jìn)一步加熱，使得下游底部空氣的溫度較高，與上部煙流溫差進(jìn)一步縮小，降低了煙流浮力，進(jìn)一步使得煙流下沉，造成煙流厚度增加，從而影響了低處的空氣溫度。參考對火災(zāi)逃生臨界溫度60 ℃的規(guī)定[18]，可知火源位于頂板時整個巷道滿足逃生條件，而火源位于底板時和火源位于頂?shù)装鍟r，在火源下游一定范圍內(nèi)，溫度則不滿足逃生條件，因此礦井救援需考慮火源發(fā)生的位置。

2.3 CO 體積分?jǐn)?shù)分布

不同火源位置狀態(tài)下2 m 高處CO 體積分?jǐn)?shù)沿巷道軸向的分布情況如圖9。

圖9 不同火源位置下巷道2 m 高處縱向CO 體積分?jǐn)?shù)分布Fig.9 Longitudinal CO concentration distribution at 2 m height with different fire source locations

由圖9 可得：對于頂板火災(zāi)和頂?shù)装寤馂?zāi)，2種工況下CO 峰值均出現(xiàn)在逆退煙流的前鋒附近且兩者峰值差別不大，這是由于頂板火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧在熱動力作用下直接沿頂板向上游蔓延，在煙流前鋒處才向下卷吸新鮮空氣；從煙流最大逆退處到火源位置，頂板火災(zāi)和頂?shù)装寤馂?zāi)上游CO 體積分?jǐn)?shù)明顯高于火源位于底板時，隨著空氣對煙氣的不斷稀釋，CO 體積分?jǐn)?shù)迅速降低；而在火源下游，由于2 m 高處煙流和空氣已充分混合，隨著距離增加，各位置CO 體積分?jǐn)?shù)略有下降，但差值不大；對比于底板火災(zāi)，CO 體積分?jǐn)?shù)峰值位置則出現(xiàn)在火源附近的下游，且峰值明顯低于前2種工況，這是由于底板火源產(chǎn)生的火煙受浮力作用向上運(yùn)動過程中就會卷吸新鮮空氣從而被稀釋，且在縱向風(fēng)流作用下直接向下游運(yùn)動，因此峰值體積分?jǐn)?shù)較低。由于底板火源產(chǎn)生的火羽流撞擊頂板后方沿頂板向上下游方向蔓延，因此CO 體積分?jǐn)?shù)隨著與火源距離的增加逐漸降低。由于不同火源位置會造成CO 體積分?jǐn)?shù)分布差異，因此，礦井應(yīng)急救援工作同樣要考慮火源位置。

3 結(jié) 語

1）火源位于底板和位于頂?shù)装鍟r，煙流沉降較為明顯，而火源位于頂板時，煙流更集中于巷道頂板，與底部新鮮空氣界面更加清晰。在煙流逆退距離上，火源位于底板時最短，火源位于頂板時次之，而火源位于頂板和底板時最大，且煙流逆退距離主要取決于巷道頂部最大煙流溫差。

2）在溫度分布上，頂板煙流溫度隨與火源距離的增加而衰減，火源同時位于頂?shù)装鍟r衰減最快，對于上游頂板煙流溫度，頂?shù)装寤馂?zāi)最大，底板火災(zāi)最小，而下游則完全相反，但各工況差別不大。此外3 種工況下底板火災(zāi)在2 m 高處的煙流溫度最高，而頂板火災(zāi)煙流溫度最低，且低于火災(zāi)逃生臨界溫度。

3）對于2 m 高處CO 體積分?jǐn)?shù)，頂板火災(zāi)和底板火災(zāi)的體積分?jǐn)?shù)峰值出現(xiàn)在火源前鋒而底板火災(zāi)則出現(xiàn)在火源附近，且前兩者工況下火源上游CO 體積分?jǐn)?shù)要明顯大于后者。

4）礦井應(yīng)急救援工作的實(shí)施應(yīng)考慮火源位置因素。后續(xù)應(yīng)繼續(xù)開展全尺寸火災(zāi)等試驗(yàn)研究，以期能更好地指導(dǎo)不同火源位置對火災(zāi)參數(shù)影響的理論研究和工程應(yīng)用。