采掘面火灾对井下通风的影响研究

王文轩

（西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳621000）

1 概述

采煤工作面及其进回风巷极易发生火灾，初期影响采掘工作面安全生产，烧毁设备，损坏井下通风设施等，而且发生火灾后易引起瓦斯煤尘爆炸。随着矿井采掘深度的增加，瓦斯灾害也越来越严重，为了防止因瓦斯积聚而引起的瓦斯爆炸和瓦斯突出事故的发生，就需要对矿井巷道的瓦斯分布进行准确预测，但由于瓦斯分布又受到巷道风流流场的影响，因此，需要对风流流场进行分析和计算。目前对于采掘面火灾的研究[1-2]，20世纪80 年代中期许多研究机构和研究人员先后用数值模拟方法研究了矿井火灾时期烟流流动规律。中国矿业大学于1992年增加了对风门方向判断的程序以及增编了二维非稳态流动模拟程序。利用考虑浮力影响的双方程瑞流模型[3-4]，用SIMPLE半隐式算法计算了二维巷道温度、压力、风流速度的分布规律。

本文在前人对矿井火灾研究基础上应用流体力学、传热学、燃烧学的相关理论知识,适当简化矿井物理模型，运用FDS流体力学软件对典型的矿井火灾场景采掘工作面进行数值模拟计算，FDS 即Fire Dynamics Simulator 火灾动力学模拟工具，是一种由美国国家标准技术局开发的用于计算流体力学的模型，能模拟燃烧驱动流体流动。由于矿井火灾井下特殊的地理环境以及通风网络的复杂性，井下发生火灾是烟流、风流、辐射换热相结合的复杂过程[5]。运用FDS 模拟软件对采掘工作面通风进行数值建模，研究采掘面发生火灾后，井下火灾对巷道通风所产生的影响，从而为井下火灾的救援工作提供了相应的理论依据。

2 数值模型

2.1 基本守恒方程

FDS 以Navier-Stokes 方程为基础[6]，它包括了质量、动量和能量的守恒。其表达式如下：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

理想气体状态方程：

气体组分守恒方程：

以上五个方程具有非线性、耦合性、形式相同和封闭性的共同特性，它们共同构成了描述公路隧道火灾高温烟流发生发展特性的基本方程。

式中：ρ 为密度；u→为速度矢量，u→=（u，v，w）；T 为温度；p 为压强；f→包括重力和其它力，如喷淋系统水滴的拖拉力；τij为应力张量；q‴为化学反应中单位体积的热释放速率；▽·q 代表了对流和辐射的影响；Φ 为耗散函数；h 为焓，

FDS 火灾动力学模拟模型将温度、压力和密度区分为空间平均项和扰动项，温度、压力和密度的公式如下所示。

温度：

压力：

密度：

由上述公式及绝热过程可得到空间平均项，包含空间平均压力、空间平均温度和空间平均密度，如下式所示：

空间平均压力：

空间平均温度：

空间平均密度：

温度、压力和速度的扰动项如下式所示：

由上述公式得到能量方程、动量方程和总压力方程，如下所示。

能量方程：

动量方程：

总压力方程：

综上所述，FDS 的大涡模拟由上述式联立组成方程组求解，即由能量方程、动量方程、总压力方程、空间的平均温度、密度与压力方程式其同求解.得到所求计算空间的平均温度、密度与压力。

2.2 火灾场景设置

采掘面巷道模型如图1 所示。

图1 采掘面巷道模型

上述建立的采掘面巷道模型是由两条长×宽×高=50m×4m×4m 和一条长×宽高=100m×4m×4m。巷道内风速设置为0.3m/s；火源面积为1m×2m；水平巷道火源位置为（x1，x2；y1，y2；z1，z2）=（49，50，1.0，2.0，0，0），火源功率为180kW。

3 结果与分析

3.1 采掘面巷道的特点

根据《煤矿安全规程》，采掘工作面的进风流中，氧气浓度不应低于20，二氧化碳浓度不宜超过0.5；采煤工作面和掘进中的煤巷风速应设置在0.25-4m/s 之间，本文巷道内风速设置为0.3m/s；生产矿井采掘工作面内的空气温度不得超过26℃。综上可知，对采掘面通风进行数值模拟是必要的。

3.2 采掘面巷道火灾对通风的影响

（1）在无火源设置的情况下：

图2 采掘面速度矢量分布图

图2 为采掘面速度矢量分布图，在无火源的采掘面巷道模型中，气体随时间的增大，逐渐趋于稳定的在巷道中流动。在Y=2 的巷道截面中，由于两端是90°的转角，气流在转角处速度发生巨大的变化，有大量的局部损失，速度矢量分布图在转角处为曲线。

在平直的巷道中，速度矢量分布图呈相互平行的直线，速度的大小随着时间的增大而增大。

（2）在设置火源的情况下：

图3 有火源时采掘面巷道烟气速度分布云图

图3 为有火源时上采掘面巷道的烟气速度分布图，分别取t=5s,t=50s,t=200s,t=900s 作为研究对象。取y=2m 时的截面以t=50s 的速度云图为例，巷道截面速度分布也可以分为A 与B两个区域。A 区速度从开始到结束时变化不大，在0.78～2.00m/s范围内。

由上图可明显看到A 区分为两层速度，由于火源上方气体受到加热作用，密度变小，在浮力的作用下向上方运动，并由上层气流向前输运，而下层的气体则不断补充至火源附近，从而造成了上层的速度值大大增加。B 区同理，从火源燃烧开始下层速度大于上次速度，这主要是因为上层受到巷道顶部烟气射流的影响，并且烟气射流在逆方向运动时逐渐沉降，对下层有挤压作用，使下层出现节流效应，速度增大下层速度略微增加，在0.60-1.56m/s 范围内。

图4 有火源时采掘面烟气分布

4 结论

结果表明，当火灾发生时，巷道气流的运动规律发生了改变，巷道速度分布可分为多个区域，采掘面巷道A 区速度从开始到结束时变化不大，在0.78～2.00m/s 范围内。B 区速度略微有所增加，在0.60～1.56m/s 范围内。采掘面巷道存在着节流效应和轻微的浮力效应，并且节流效应与浮力效应随着热释放功率的增大而变得更加明显。

5 展望

在进行FDS 数值模拟分析时，可以通过对物理模型进行局部网格加密处理以满足研究需要，这样既能够得到相对精确的模拟结果又不会加重计算负担。如可以在火源点附近、安全出口、排烟口等空间位置进行网格加密处理。

本文对火灾的模拟研究中，主要依赖于火灾的动态发展过程，缺少对实际数据的处理。同时在对比模拟研究中，模型库的数量也较小。因此通过火灾荷载调查、火灾热释放速率的实验测试，增加模型库数量，优化模型，可以让模拟结果更加准确，结论更有效。