基于FDS 的矿井巷道火灾烟气致灾的数值模拟

沈云鸽，王德明

（中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116）

矿井火灾作为矿井的五大灾害之一，造成的事故后果是严重的。矿井火灾发生后产生的有毒有害气体不仅威胁了火源附近矿工的生命安全，而且高温烟气还会在井下迅速蔓延，破坏巷道作业设施，将有害气体和高温热流传播到其它区域，扩大矿井受灾范围[1-2]。通过研究火灾时期巷道风速和火源功率变化，能掌握灾变时期不同风速对矿井烟气蔓延速度和距离以及温度分布变化情况，对于井下人员逃生及现场救援具有现实意义。

众多学者从多个角度对矿井火灾进行了数值模拟[3-8]。Oka 和Atkinson 建立了一系列比例模型隧道研究火灾时期不同火源功率下的临界速度[9]。美国矿山安全健康局通过搭建实验台研究风速对运输巷火灾的影响[10]。周福宝等通过数值模拟研究了矿井火灾中的烟流滚退距离，得到了烟流滚退距离与矿井风速和火源热释放速率的关系[11]。齐庆杰等研究了不同火源和风速下，运输巷发生火灾时带式输送机平均燃烧速率和火源区巷道温度分布情况[12]。苏墨等基于山西省申家庄煤矿模拟研究了运输巷发生火灾时矿井巷道烟气温度、浓度和能见度变化情况[13]。上述研究都是针对矿井火灾的固定可燃物或某一参数研究的，鲜少有人研究火灾发展期间不同风速和火源功率下烟气致灾的影响。鉴于此，通过数值模拟研究“L”型巷道火灾,综合考虑水平巷道和竖直巷道中不同风速和火源功率下烟气致灾的影响，其中包括矿井火灾发展的烟气蔓延时间和距离、全巷火灾期温度变化情况，均可为火灾时期巷道人员逃生提供依据。

1 数值模拟理论与模型

1.1 FDS 基本理论

FDS 是一款应用于火灾研究领域的场模拟软件，主要通过数值方法计算低马赫数下热驱流动的N-S 方程，并将计算结果进行可视化处理[14-15]。其计算求解过程主要包括连续性方程、能量守恒方程、动量守恒方程及组分守恒方程等，具体方程如下：

连续性方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

组分方程：

式中：ρ 为密度，kg/m3为速度矢量，m/s；▽为哈密顿算子；为作用于流体上外力矢量，kg（/s2·m）；t为时间，s；h 为比焓，kJ；τ 为黏性力张量，kg（/s2·m)；p为压力，Pa；ω 为涡度，s-1；g 为重力加速度，m/s2；为热辐射通量，kW/m2；T 为温度，K；k 为导热系数，W（/m2·K）；i 为第i 种组分；Yi为第i 种组分的质量分数；Di为第 i 种组分的扩散系数为第i种组分的质量产生速率，kg/（s·m3）；hi为第i 种组分的比焓，kJ。

1.2 模型建立

在此选择兼顾水平巷道与竖直巷道的“L”型巷道。主要有2 点考虑：一是由于模拟“L”型巷道火灾符合实际矿井巷道火灾现状，然鲜少有人研究；二是由于火灾发生后在直角弯巷道中重力、风流和火源热效应的综合作用更复杂，通过模拟能直观看出烟气分布规律。其中水平巷道尺寸140 m×4 m×4 m，竖直巷道尺寸4 m×4 m×100 m。一系列的测点设置在1.6 m 高度；火源位置在中部偏右，考虑到巷道可燃物主要是带式输送机和木材等材料，根据矿井火灾火源燃烧特性实验[5]中火源热释放速率，确定火源功率大小为 1.92 MW 和 2.7 MW；环境温度为 20 ℃，总模拟时间为 600 s。风速选择 0.25、1.05、1.65、2.1 m/s。巷道模型平面图如图1。

在FDS 中，网格尺寸的选择决定了模拟结果的精确性和稳定程度。有研究表明当网格尺寸是0.1D*和0.2D*（D*为火源特征直径）时能较好的反应模拟结果，由于设定的火源热释放速率是1.92 MW 和2.7 MW，火源特征直径D*计算公式[15]算出合适的火源特征直径是 1.246 m 和 1.428 m，考虑到模拟时间和计算机性能，最终选择0.2D*的网格尺寸，将网格尺寸设置为 0.2 m×0.2 m×0.2 m。

2 模拟结果分析

2.1 烟气蔓延分析

矿井火灾时期烟气中含有微小颗粒，直接影响巷道能见度，妨碍人员逃生。火灾时期风速对烟气蔓延时矿井能见度有较大影响，在此选取t=100 s和t=450 s 观察烟气蔓延。t=100 s 时巷道烟气蔓延如图2。

图1 巷道平面图Fig.1 Roadway model

图2 Q= 1.92 MW, t= 100 s 时巷道烟气蔓延情况Fig.2 Smoke spread process in the roadway with Q= 1.92 MW and t= 100 s

由图2 可以看出，不同风速下巷道内火源上游和下游烟气蔓延差异较大。由图2 还可以看出，当火源功率Q=1.92 MW，风速v=0.25 m/s 时，烟气在风流的作用下被斜吹到顶板且迅速在火源下游蔓延，火源上游有短距离烟气逆退，随着风速变大火源下游烟气蔓延速度变快,巷道能见度迅速降低；火源上游烟气逆流距离逐渐减小至v>1.62 m/s 时该现象消失。出现这种情况主要是因为火灾发展前期，在火源下风侧，火源热效应压力与机械通风压力方向一致，烟气在火源下游扩散速度快；火源上游火源热效应压力与机械风压方向相反，减小烟流逆退距离。当风速提高后，机械通风压力随之提高，火源上游通风压力克服了烟气压力造成烟流逆退现象消失。因此，在火灾发展初期，提高风速能有效抑制火源上游烟流逆退。

t=450 s 时巷道内烟气蔓延的情况如图3。随着火势发展，火源下风侧巷道充满高温烟气，火源上游烟气逆退随风速变化有所不同。当v=0.25 m/s 时，烟气逆流至巷道入口处，巷道能见度很低；当风速在1.05～2.1 m/s，烟气层厚度和烟流逆退距离随风速增大逐渐减小，v=2.1 m/s 时，烟气停止逆退，上游能见度提高，主要是因为机械风压逐渐克服了烟流压力。

图3 Q=1.92 MW,t=450 s 时巷道烟气蔓延变化情况Fig.3 Smoke spread process in the roadway with Q=1.92 MW and t= 450 s

烟气在 1.92 MW 和 2.7 MW 火源功率、4 种风速下蔓延到下游巷道尽头的时间如图4。

由图4 可以看出，巷道下游烟气扩散时间规律一致，随着风速增大下游巷道烟气扩散时间大幅减小，当v≥1.65 m/s 时，时间降幅减弱。烟气扩散速度与风速正相关。且1.92 MW 火源功率下的烟气扩散时间长于2.7 MW 火源功率下的扩散时间。在巷道下游，火灾热效应产生的压力差为正值且机械风压与烟气扩散方向一致，当火源功率较大时，烟气扩散速度加快。不同功率和风速下巷道上游烟气扩散表现不同变化。

巷道上游烟气逆流时间和距离随风速变化关系如图5。相同火源功率下，当v≥1.05 m/s 时，随着风速增大烟气逆流时间线性下降。火源功率大的烟气逆流时间比功率小的烟气逆流时间长，同时伴随着烟气逆流距离有所增加。当v=0.25 m/s 时，2 种火源功率下烟气都逆退至进风节点，但2.7 MW 火源功率烟气扩散时间比1.92 MW 功率下减少130 s。当风速较低时，火源功率越大，火灾热效应产生的压力和风压之间的压力差越大，短时间烟流逆退距离越大；当风速提高，机械风压变强烟气逆流阻力增强，烟流逆退距离减小甚至该现象消失。

图4 巷道下游烟气扩散时间规律Fig.4 Time law of smoke spread in the downstream of the roadway

图5 巷道上游烟气逆流时间与距离随风速变化关系Fig.5 Relationship between smoke blakflow time and distance with wind speed in the upstream roadway

2.2 温度分布分析

巷道发生火灾时，烟气中携带大量热量灼伤人员身体器官，破坏人体体温调节机制，危害人员生命安全。因此有必要研究巷道火灾时期温度变化情况。整条巷道间隔10 m 布置1 个热电偶；以火源中心间隔2 m 和2.5 m 向两侧布置5 个热电偶；水平巷道和竖直巷道相接处间隔2 m 布置热电偶，共计27 个热电偶监测火灾时期巷道温度变化。不同风速下巷道最高温度变化如图6。在2 种火源功率下，巷道温度分布曲线趋势一致，都是自火区向巷道两侧衰减，巷道最高温度出现在火区下游5 m 以内；不同的是，当Q=2.7 MW、v=0.25 m/s 时，巷道最高温度在火源中心处。相同火源功率下，巷道火区的高温随着与火源距离的增大大幅下降，到巷道下游段降温趋势变慢。相同风速下，火源功率大的巷道中温度分布总体高于火源功率低的巷道温度，主要表现在巷道火区段和巷道下游。对比分析1.92 MW 和2.7 MW 功率巷道温度分布，4 种风速下巷道上游温升率25%从降到0，而巷道平均温升率分别为42.3%、13.2%、13.9%和18.8%。

图6 4 种风速下巷道最高温度变化Fig.6 Maximum temperature change of roadway under 4 kinds of wind speed

4 种风速下1.92 MW 功率和2.7 MW 功率下的不同巷道火区段的均温升率变化图如图7。其中随着风速增加，火源中心上游的温升率迅速降低；火区段和下游段趋势一致，都是随着风速增大到1.05 m/s 温升率下降而当风速增加到2.1 m/s 时温升率上升。火区段的温升比例从64.45%降到8.6%又升高到25.5%，火区下游段的温升比例从14.1%降到13.5%最后升高稳定在17%左右。由此可以看出，当火源功率增大后，增加风速影响在一定程度上能降低巷道温度，当风速提高到一定程度，其影响因素变弱。

图7 巷道不同区段均温升率变化规律Fig.7 Change law of temperature rise rate in different sections of roadway

3 结 论

1）在相同的风速下，巷道下游烟气扩散速度和火源功率正相关。火源功率越大，烟气扩散速度越快，但随着风速增加到一定程度，烟气扩散速度趋缓，正相关趋势变弱。

2）当风速提高到低于临界风速时，相同风速下巷道上游烟气逆退时间和距离与火源功率直接相关。火源功率大的烟气逆流时间和距离大于火源功率小的。

3）1.92 MW 和 2.7 MW 火源功率下的温度分布趋势一致，巷道最高温在火源下游5 m 内，巷道高温区随着与火源中心距离增大降幅大。