巷道火災中煙氣流動規律研究

苑金秒，張芳芳

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同037003)

巷道火災中煙氣流動規律研究

苑金秒，張芳芳

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同037003)

礦井火災煙氣蔓延，威脅著井下工作人員的生命安全。文章利用FDS軟件模擬不同風速和不同火源位置下煙氣蔓延特性，應用煙氣溫度、煙氣濃度等參數，得到不同工況下煙氣流動規律，結果表明：不同火源位置下，煙氣流動差異很大；通風風速越大，火源上風側煙氣濃度越低，下風側煙氣聚集越多。

巷道火災；煙氣流動；溫度；模擬

礦井火災是礦井重大災害之一，火災煙流蔓延，威脅著井下工作人員的生命安全，高溫煙流，在某些巷道內產生火風壓，造成風流逆轉及紊亂，擴大受災的范圍。Cheng等[1]編制了火災模擬和人員疏散的軟件MFIRE，建立應急通風機制，計算出安全疏散路線；李杰林[2]采用Airpak軟件對自燃發火巷道煙氣流動的規律進行了數值模擬，計算得出了火災后巷道中的速度場、溫度場、污染物濃度場等分布，揭示了煙氣在時空上的流動規律、溫度和濃度變化規律；范寧[3]用CFAST火災模擬軟件模擬了在不同風速、不同熱釋放速率情況下淮南洞山城市公路隧道火災，研究了不同環境條件下的煙氣層蔓延和溫度場變化等情況；褚燕燕等[4]采用區域模擬的方法，對礦井巷道火災煙氣運動情況進行計算機數值模擬，掌握了礦井火災煙氣流動規律及煙氣的分布狀況等。國內外學者從不同角度研究了火災中煙氣流動規律，但很少有人涉及到不同風速和不同火源位置工況下煙氣蔓延特性。

1 巷道火災模擬

火災過程的計算機模擬是在描述火災過程的各種數學模型的基礎之上進行的，本文選取場模型軟件FDS對巷道火災下煙氣流動進行模擬研究。選取長度為100 m的水平單巷道為對象，巷道斷面橫截面積是邊長為4 m的正方形，根據前期調研，正庚烷作為燃料，選取了常見的起火位置進行對比分析，火源分別位于距入口10 m、巷道交叉點、距出口10 m處，巷道平面布置，見圖1。

圖1 巷道平面及探測器分布

設置巷道幾何尺寸為72 m×4.5 m×3 m和35 m×4.5 m×3 m，網絡劃分為288×18×12和18×120×12，單元格大小0.5×0.5×0.5，入口條件指巷道入口處風流速度（u,v,w），取值為（1～4 m/s,0,0），溫度T=20℃。在沿巷道方向中軸線距離底板1.5 m處每隔20 m設置一個測點，圖1中數字1～6標識了探測器所在位置，用以獲取溫度、濃度、能見度等參數。

2 火源位置對煙氣流動的影響

圖2 不同位置處煙氣溫度變化趨勢圖

圖2所示為通風風速為4 m/s時，火源分別位于距入口10 m、巷道交叉點、距出口10 m處煙氣溫度變化趨勢圖。火源位于入口處時，煙氣最高溫度出現在2測點處，1測點的溫度最低，3，4，5，6點溫度變化趨勢差異較小，這是由于巷道風速較大，很快的將燃燒產生的煙氣吹散至巷道下游，致使2點的溫度較高；而隨著進一步深入巷道，風速逐漸降低，巷道內煙氣分布較為均勻，煙氣溫度差異較小。火源位于交叉點處時，下風側的測點隨著燃燒的進行，煙氣溫度快速上升，在22 s時達到峰值71.8℃，而后出現擾動較大的溫度變化，直至323 s，溫度變化趨勢趨于平穩，在38℃附近浮動，最終隨著燃燒強度的降低趨于環境溫度。火源位于回風口時，只有距離火源最近的6測點溫度曲線有變化，1，2，3，4，5測點溫度在整個模擬過程都保持在環境溫度。可見，不同火源位置下，煙氣流動差異性較大。

3 不同風速下煙氣運動規律

圖3 不同風速下煙氣溫度分布對比

圖3為不同風速下巷道各測點煙氣溫度隨時間的變化曲線。由圖中可知，當通風風速為1 m/s時，各個測點溫度變化趨勢一致，均是隨著燃燒的進行急劇升溫，而后在燃燒平穩狀態下保持相對穩定的高溫，直至燃燒結束，溫度緩慢降至環境溫度。溫度最高的點為3測點，即火源正上方，且最高溫度為930.6℃，而且隨著時間的推進，溫度雖然有所波動，但是均維持在800℃，并最終在600 s時隨著燃燒結束而驟降至環境溫度。其余5個測點的溫度曲線則比較低，溫度曲線最高的4測點，其溫度最高值僅為149.2℃，分別對各個測點溫度曲線進行尋峰，得到其最高溫度，見表1。

表1 1m/s時巷道各測點煙氣溫度峰值

從表1可以看出，當通風風速為1 m/s時，各測點溫度值大小排序為3＞4＞1＞2＞5＞6，即隨著距離的增加，煙氣溫度出現下降的趨勢，且溫度峰值出現的時間變長，比較特殊的是1點的溫度較2點高，這可能是由于1測點更加接近進風口，煙氣擴散至此處后出現積聚，導致溫度上升，出現了較高溫度。

4 結論

（1）火源位于入風口處時，巷道煙氣蔓延速度快，分布相對均勻。下風側各測點煙氣溫度、濃度和能見度等參數值差異不大；火源位于巷道交叉點處時，上風側巷道受火災影響很小，下風側處煙氣蔓延很快，各項參數指標差別較小；火源位于回風口處時，因為交叉點的風阻作用，只有接近火源的位置受到影響，上風側其他位置各項指標正常。

（2）隨著通風速度的提升，上風側溫度逐漸降低，直至在4 m/s時基本不發生變化；下風向的測點則隨著風速的增加，煙氣溫度逐漸提升，直至在4 m/s時回風側的溫度達到巷道內最高。

[1]Cheng L P,Ueng Th,Liu C W.Simulation of ventilation and fire in the underground facilities[J].Fire Safety Journal,2001,36(6):597-619.

[2]李杰林.礦井自燃火災煙氣流動及熱環境的數值模擬分析與評價[D].長沙:中南大學,2007.

[3]范寧.基于CFAST的狹長受限空間火災模擬方法研究[D].淮南：安徽理工大學，2009.

[4]褚燕燕，蔣仲安.礦井巷道火災煙氣運動模擬研究[J].礦業安全與環保，2007，34(5):13-14,26.

A Study on Smoke Spread Law in Tunnel Fire

YUAN Jin-miao,ZHANG Fang-fang
(School of Coal Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037003)

Mine fire smoke spread,threatening the lives and safety of underground workers.In this paper,FDS software is used to simulate the features of smoke spread in different conditions of wind speeds and fire location.Applications parameters of smoke temper?ature and smoke concentration,we obtained smoke spread law under different conditions.The results show that:under different fire lo?cation,smoke flow varies greatly;the greater the ventilation velocity,the lower the windward side of the fire source gas concentration,the more downwind side of the flue gas aggregation.

tunnel fire;smoke flow;temperature;simulation

TD75+2

A

1674-0874(2016)05-0061-03

2016-05-08

苑金秒(1979-)，女，河北衡水人，助教，研究方向：土木工程。

〔責任編輯 王東〕