基于Pyrosim的礦井工作面火災(zāi)數(shù)值模擬研究

周倍淇

(山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院,山西 大同 037000)

1 工作面概況

柳灣煤礦隸屬于汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司。井田大部位于山西省孝義市境內(nèi)。61122工作面為一進(jìn)一回的“U”型布置方式,工作面采用后退式開采。61122材巷采用矩形斷面,凈寬4.0 m,凈高3.2 m,凈斷面積12.8 m2.該巷道與六盤區(qū)軌道巷相連,主要用于輔助運(yùn)輸工作面的任務(wù),并且也作為工作面的進(jìn)風(fēng)巷和安全通口使用;61122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.該通道與六盤區(qū)軌道巷相連,主要用于工作面的輔助運(yùn)輸、主要運(yùn)輸及回風(fēng)的任務(wù),并且也作為工作面的回風(fēng)巷和安全出口使用。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 Pyrosim基本原理

Pyrosim軟件是一款基于場(chǎng)模擬的計(jì)算流體力學(xué)軟件,經(jīng)大量實(shí)例驗(yàn)證,廣泛應(yīng)用在消防工程、安全工程中,可建立火災(zāi)模擬模型,并對(duì)火災(zāi)中的溫度、煙氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分析。

本文用Pyrosim2021版本進(jìn)行模擬,以火災(zāi)中的流體流動(dòng)為模擬對(duì)象,該軟件采用大渦模擬的數(shù)值求解方法;Pyrosim數(shù)值計(jì)算過程所用基本控制方程[1]如下:

質(zhì)量方程:

動(dòng)量方程:

能量方程:

理想氣體方程:

P0(t)=ρRT

式中:ρ為密度,kg/m3;t為時(shí)間,s;u為速度,m/s;p為壓力,Pa;g為重力加速度,m/s2;f為單位質(zhì)量,kg;τ為黏性應(yīng)力,Pa·s;h為焓,J;qr為熱輻射通量,W;k為傳熱系數(shù),W/m2·K;T為溫度,K;Di為擴(kuò)散通量,kg/m2·s;Yi為體積熱源,W/m3;P0為環(huán)境壓力,Pa;R為通用體積常數(shù)。

在大渦數(shù)值模擬中,通常對(duì)劃分的網(wǎng)格作簡(jiǎn)化處理,不夠精細(xì),不能直接求得可燃?xì)怏w與氧氣結(jié)合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的擴(kuò)散過程,因此采用混合分?jǐn)?shù)燃燒模型。

混合分?jǐn)?shù)燃燒模型中的混合分?jǐn)?shù)是表示氣體體積分?jǐn)?shù)的一種方法,它假設(shè)可燃?xì)怏w和氧氣的燃燒是一個(gè)混合的過程,利用守恒函數(shù)可以進(jìn)行氣體組分的求解?；旌辖M分燃燒模型的反應(yīng)公式為:

VFFuel+V0O2→∑VpProduct

2.2 網(wǎng)格敏感性分析

在Pyrosim中,網(wǎng)格尺寸是計(jì)算中最重要的參數(shù),決定了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。計(jì)算區(qū)域由一個(gè)或多個(gè)長(zhǎng)方體區(qū)域構(gòu)成,一個(gè)MESH命令設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)方體區(qū)域。計(jì)算區(qū)域再細(xì)分成數(shù)個(gè)小長(zhǎng)方體計(jì)算單元即矩形網(wǎng)格。因此,在選擇網(wǎng)格尺寸時(shí),還需要考慮電腦的性能和計(jì)算持續(xù)時(shí)間等因素。網(wǎng)格劃分的計(jì)算公式[1]如下:

式中:D*為火源的特征直徑,m;Q為火源的熱釋放速率,kW;ρ∞為空氣密度,kg/m3;cp為空氣比熱,kJ/(kg﹒K);T∞為環(huán)境空氣溫度,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=9.81 m/s2,火源熱釋放速率取2 000 kW,則計(jì)算出D*=1.269 575 843 m;研究顯示,使用0.1D*或0.2D*的網(wǎng)格尺寸可以較好地模擬溫度的變化趨勢(shì)[2]?？紤]到電腦性能和計(jì)算持續(xù)時(shí)間等因素,最終確定了網(wǎng)格尺寸為0.2D*,即每個(gè)網(wǎng)格的大小為0.25 m×0.25 m×0.25 m.

2.3 建立巷道模型

此次模擬計(jì)算所采用的物理模型是柳灣煤礦61122工作面進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)化而得,計(jì)算區(qū)域有2個(gè)部分組成,分別是進(jìn)風(fēng)巷道和工作面;進(jìn)風(fēng)巷道尺寸為60 m×4 m×3.2 m,工作面尺寸為100 m×4 m×3.2 m,在進(jìn)風(fēng)巷道和工作面上采用邊長(zhǎng)為0.25 m的單元格作為網(wǎng)格,總共使用了122 880個(gè)網(wǎng)格來進(jìn)行模擬。巷道火災(zāi)模型如圖1所示。

圖1 巷道火災(zāi)模型圖

2.4 模擬參數(shù)設(shè)置

1) 火源的設(shè)定。結(jié)合礦井火災(zāi)的常見情況,設(shè)定了火源總功率為2 000 kW,火源面積設(shè)定為1 m2.根據(jù)火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)而言,選擇了“快速火”作為模擬條件,其中a=0.046 89,由公式[3]Q=at2,求得t=207 s,因此火源在207 s時(shí)達(dá)到最大熱釋放速率2 000 kW.

2) 初始邊界條件。巷道的初始邊界條件主要考慮以下4個(gè)因素:初始環(huán)境溫度、初始?jí)毫?、初始速度和重力加速度。在t=0的初始時(shí)刻,假設(shè)巷道內(nèi)的初始條件如下:初始環(huán)境溫度為20 ℃,初始?jí)毫?.013 25×105Pa的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,x、y、z共3個(gè)方向的初始風(fēng)流速度均為0,重力加速度設(shè)為-9.8 m/s2.

3) 巷道墻壁參數(shù)。在考慮墻壁的設(shè)計(jì)時(shí),主要關(guān)注兩個(gè)因素:壁面厚度和材質(zhì)。為了保持一致性,將使用鋼筋混凝土作為墻面材料,并將厚度設(shè)置為100 mm.通常情況下,認(rèn)為墻壁應(yīng)該無法被煙霧滲透[4],因此將煙霧擴(kuò)散系數(shù)設(shè)置為零。

4) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)[5],人體呼吸帶位于1.5～1.6 m高處,因此在巷道1.6 m高度設(shè)置1排測(cè)點(diǎn);因?yàn)榛鹪粗行奈挥谶M(jìn)風(fēng)巷道入口的15 m處,所以在火源正上方相隔10 m設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),編號(hào)依次為01、02;在工作面入口間距20 m設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),編號(hào)依次為03、04、05、06、07.

5) 風(fēng)速設(shè)置。巷道入口設(shè)為supply表面,巷道出口設(shè)為open表面;根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,工作面中允許風(fēng)速范圍[5]為0.25～4 m/s;因此,本文選擇風(fēng)速為1 m/s、2 m/s、3 m/s這3個(gè)情景進(jìn)行模擬。

6) 模擬時(shí)間。模擬運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為500 s.

3 模擬結(jié)果分析

3.1 煙氣蔓延情況分析

圖2為不同風(fēng)速條件下巷道內(nèi)煙氣動(dòng)態(tài)效果圖,選取t=50 s、t=100 s、t=200 s、t=500 s時(shí)刻的煙氣蔓延情況,模擬分析井下火災(zāi)發(fā)生后煙氣在巷道中的運(yùn)移過程。

圖2 不同風(fēng)速條件下巷道內(nèi)煙氣動(dòng)態(tài)效果圖

1) 50 s時(shí)的火災(zāi)煙氣向下風(fēng)側(cè)進(jìn)行蔓延,在運(yùn)移過程中,煙氣首先蔓延到巷道頂部,然后隨著煙氣質(zhì)量濃度的升高逐漸下降;100 s時(shí)巷道內(nèi)的火災(zāi)煙氣逐漸升高,對(duì)煤礦工人的視線造成了影響;200 s時(shí)火災(zāi)煙氣充滿整個(gè)巷道。

2) 當(dāng)風(fēng)速v<2 m/s時(shí),根據(jù)觀察結(jié)果,100 s時(shí)煙氣移動(dòng)到火源的正上方,并出現(xiàn)了煙流逆退的現(xiàn)象。由于火源溫度的逐漸提高,火災(zāi)煙氣將向上風(fēng)向逆風(fēng)擴(kuò)散。200 s時(shí)逆退的煙氣到達(dá)進(jìn)風(fēng)巷道的入口,使得濃煙充滿了整個(gè)巷道。

3) 當(dāng)風(fēng)速v≥2 m/s時(shí),煙流逆退現(xiàn)象消失。因此,提高巷道內(nèi)的風(fēng)速可以抑制煙流逆退的現(xiàn)象,使火源上風(fēng)側(cè)的范圍不會(huì)受到煙氣的污染。這個(gè)區(qū)域可以成為火災(zāi)時(shí)期的煤礦工人逃生、避難和救災(zāi)的安全區(qū)域。

3.2 溫度分析

圖3為巷道內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)曲線圖,其分析過程如下。

圖3 巷道內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)曲線圖

1) 在3種風(fēng)速下,巷道內(nèi)的火災(zāi)溫度由20 ℃逐漸升高,在200 s左右達(dá)到最高溫度之后,溫度值圍繞在最高溫度上下小范圍波動(dòng),趨于穩(wěn)定。風(fēng)速v≥2 m/s時(shí),火源上風(fēng)向區(qū)域溫度(編號(hào)01)保持不變,屬于安全區(qū)域。

2) 進(jìn)風(fēng)巷道的溫度測(cè)點(diǎn)(編號(hào)02),在500 s內(nèi)的溫度均大于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度,說明火源附件區(qū)域的溫度較高,并且溫度在200 s時(shí)均超過了井下工作人員的逃生臨界溫度60 ℃,最高溫度都在150 ℃左右。

3) 工作面的溫度測(cè)點(diǎn)(編號(hào)03、04、05、06、07),距離火源位置越遠(yuǎn)的區(qū)域,溫度越低,煤礦工人應(yīng)該在火災(zāi)中迅速朝著遠(yuǎn)離火源的方向逃生。

4 結(jié) 語

1) 隨著風(fēng)速的增加,礦井巷道中的火災(zāi)煙氣逆流時(shí)間也逐漸延長(zhǎng)。因此,提高巷道內(nèi)的風(fēng)速可以抑制煙流逆退,使火源上風(fēng)向區(qū)域不受煙氣的污染,成為火災(zāi)時(shí)期的安全區(qū)域。

2) 巷道風(fēng)速越大,相同位置的溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)值越低。由于逐漸增大巷道風(fēng)速,風(fēng)流可以帶走火源產(chǎn)生的熱量,減少一部分的熱量聚集,從而使得進(jìn)風(fēng)巷道和工作面的溫度測(cè)點(diǎn)降低。