火災(zāi)時(shí)期礦山通風(fēng)巷道“特征環(huán)”與“關(guān)鍵環(huán)”的分布特征研究*

丁 翠

(中國勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院 安全工程系，北京 100048)

0 引言

目前，我國礦山井下火災(zāi)仍然時(shí)有發(fā)生。礦井火災(zāi)發(fā)生時(shí)，巷道內(nèi)的風(fēng)流由于受到加熱而發(fā)生狀態(tài)變化，火焰面的存在減小了巷道的有效通流面積，產(chǎn)生明顯的節(jié)流效應(yīng)，使巷道內(nèi)的風(fēng)流狀況發(fā)生改變；同時(shí)，由于礦井火災(zāi)會(huì)產(chǎn)生大量煙氣，進(jìn)一步改變了巷道內(nèi)的風(fēng)流分布，此時(shí)礦井部分巷道內(nèi)的通風(fēng)風(fēng)量會(huì)產(chǎn)生較大變化，研究火災(zāi)對巷道內(nèi)風(fēng)流分布“特征環(huán)”和平均風(fēng)速分布“關(guān)鍵環(huán)”的分布規(guī)律，對于準(zhǔn)確評估火災(zāi)時(shí)期通風(fēng)巷道內(nèi)的通風(fēng)量十分重要。

目前，對于礦井火災(zāi)的研究已經(jīng)取得較多成果，但是主要集中在火災(zāi)模型及煙氣運(yùn)移規(guī)律等方面[1-6]，并且關(guān)于井下火災(zāi)影響的研究更多是集中在對燃燒區(qū)熱阻力的分析上[7-8]，也有一部分研究集中在火災(zāi)發(fā)生的機(jī)理及其防治方面[9-11]，而對于火災(zāi)所引起的巷道內(nèi)風(fēng)流分布的變化及紊流充分發(fā)展處的“特征環(huán)”和“關(guān)鍵環(huán)”分布規(guī)律卻少見文獻(xiàn)報(bào)道。本文采用數(shù)值模擬手段，研究水平巷道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)速以及火災(zāi)強(qiáng)度對巷道內(nèi)風(fēng)流分布“特征環(huán)”和“關(guān)鍵環(huán)”分布規(guī)律的影響，并得出正常通風(fēng)時(shí)期風(fēng)流分布“關(guān)鍵環(huán)”特征方程在巷道火災(zāi)時(shí)期的使用條件。

1 火災(zāi)巷道物理數(shù)學(xué)模型及假設(shè)

1.1 火災(zāi)巷道物理數(shù)學(xué)模型

按照井下實(shí)際巷道尺寸，建立三心拱巷道三維物理模型，如圖1所示。巷道長度為100 m，三心拱截面尺寸為：墻高2 m，寬4.6 m，拱高1.5 m。火災(zāi)假設(shè)發(fā)生在巷道的進(jìn)風(fēng)流處，即火源中心與巷道進(jìn)風(fēng)口的距離為30 m，并且設(shè)定火區(qū)長度為2 m，根據(jù)巷道頂板的限制以及文獻(xiàn)[12]所提供的公式進(jìn)行計(jì)算，認(rèn)為火焰的高度為3.5 m，并布滿整個(gè)三心拱巷道截面。

圖1 巷道模型Fig.1 The model of tunnel

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程以及氣體的輸運(yùn)方程，計(jì)算巷道內(nèi)風(fēng)流的湍流流動(dòng)和擴(kuò)散。水平巷道內(nèi)，火災(zāi)過程連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、組分方程、k方程、ε方程如下：

1.2 邊界條件及假設(shè)

巷道入口采用速度進(jìn)口邊界條件，巷道出口采用壓力出口邊界條件。CFD火災(zāi)模擬計(jì)算過程中，采取了如下假設(shè)：巷道壁面與風(fēng)流氣體沒有熱交換；巷道內(nèi)無工作人員、運(yùn)輸車輛和其他相關(guān)設(shè)備等障礙物，忽略煤塵、瓦斯和炮煙對風(fēng)流運(yùn)移的影響；火災(zāi)模型不考慮火災(zāi)的燃燒過程、火源的熱輻射以及由火災(zāi)所引發(fā)的巷道內(nèi)氣體組分和質(zhì)量的變化，把火源簡化為固定釋放熱量的熱源[13]。

同時(shí)，在火災(zāi)期間，由于火源的加熱作用使巷道內(nèi)的溫度升高，導(dǎo)致巷道內(nèi)氣體的密度發(fā)生改變，加之重力的作用，從而使巷道內(nèi)的氣體產(chǎn)生上下自然對流。因此，在火災(zāi)模擬計(jì)算過程中，考慮了火災(zāi)所產(chǎn)生的浮力效應(yīng)以及重力對風(fēng)流流動(dòng)的影響。

1.3 參數(shù)設(shè)置

巷道入口風(fēng)速分別設(shè)置為：1.0，1.5，2.0，3.0，5.0，6.0 m/s；火災(zāi)強(qiáng)度分別設(shè)置為：0，300，600，900，1 200 kW。由此分別模擬分析不同通風(fēng)風(fēng)速和火災(zāi)強(qiáng)度對通風(fēng)巷道內(nèi)“特征環(huán)”及“關(guān)鍵環(huán)”的影響規(guī)律。

2 火災(zāi)強(qiáng)度對“特征環(huán)”分布規(guī)律影響

根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知，“特征環(huán)”是指巷道紊流充分發(fā)展處截面上，表征風(fēng)速分布的等值線環(huán)。任意形狀巷道內(nèi)的橫截面上都有其特有的“特征環(huán)”。“特征環(huán)”對于研究井下巷道截面上的速度分布具有非常重要的意義，圖2給出了火災(zāi)強(qiáng)度分別為0，300，1 200 kW以及通風(fēng)風(fēng)速分別為1.0，1.5，2.0，3.0，6.0 m/s工況下，紊流充分發(fā)展截面處(X=88 m截面處)“特征環(huán)”的分布情況。

圖2 不同通風(fēng)風(fēng)速和不同火災(zāi)功率下X=88 m截面上“特征環(huán)”分布Fig.2 Velocity distribution on cross section under different velocity and different fire intensity in tunnel

由圖2分析可知，在正常通風(fēng)時(shí)期，即火災(zāi)強(qiáng)度為0 kW時(shí)，不同通風(fēng)速度下，三心拱巷道紊流充分發(fā)展截面上“特征環(huán)”的分布均可描述為：截面中心速度最大，隨著距巷道邊幫距離逐漸減小，巷道內(nèi)風(fēng)速隨之減小。不同通風(fēng)風(fēng)速下，巷道內(nèi)風(fēng)速值的分布均是以截面中心為環(huán)心，逐漸向邊壁擴(kuò)散的橢圓環(huán)，由此可以得出：正常通風(fēng)時(shí)期，通風(fēng)風(fēng)速對“特征環(huán)”的環(huán)狀曲線影響較小，通風(fēng)風(fēng)速不是影響“特征環(huán)”分布的關(guān)鍵因素。

巷道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，同一火災(zāi)強(qiáng)度下，隨著通風(fēng)風(fēng)速的增加，巷道紊流充分發(fā)展截面處風(fēng)速分布，先呈現(xiàn)出紊亂，再逐漸呈現(xiàn)出環(huán)狀分布的特征。當(dāng)火災(zāi)強(qiáng)度為300 kW時(shí)，巷道內(nèi)橫截面上風(fēng)速分布具備“特征環(huán)”分布特征的臨界風(fēng)速為1.5 m/s；當(dāng)火災(zāi)強(qiáng)度為1 200 kW時(shí)，巷道內(nèi)橫截面上風(fēng)速分布具備“特征環(huán)”分布特征的臨界風(fēng)速為2 m/s。由此進(jìn)一步分析可得：同一火災(zāi)強(qiáng)度下，巷道內(nèi)橫截面上風(fēng)速“特征環(huán)”分布特征存在臨界風(fēng)速值。當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速低于臨界風(fēng)速值時(shí)，火災(zāi)下通風(fēng)巷道內(nèi)風(fēng)速不再具備“特征環(huán)”分布特征；當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速大于臨界風(fēng)速值時(shí)，火災(zāi)下通風(fēng)巷道內(nèi)風(fēng)速具備“特征環(huán)”分布特征，且隨著通風(fēng)風(fēng)速的增大，其分布特征逐漸接近正常通風(fēng)時(shí)期的分布規(guī)律。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是：火災(zāi)時(shí)期，當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速較低時(shí)，火災(zāi)所產(chǎn)生的火風(fēng)壓和“煙流滾退”對火災(zāi)下風(fēng)流的通風(fēng)狀態(tài)影響相對較強(qiáng)，風(fēng)流分布紊亂；而當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速大于一定值時(shí)，一方面巷道通風(fēng)壓力增大并大于火災(zāi)產(chǎn)生的火風(fēng)壓，另一方面“煙流滾退”距離縮小甚至消失，使火災(zāi)下風(fēng)流的分布狀態(tài)受影響較小，故逐漸呈現(xiàn)與正常通風(fēng)時(shí)期相同的風(fēng)速分布規(guī)律。

同一通風(fēng)風(fēng)速下，隨著功率的增加，“特征環(huán)”的分布曲線越容易出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象。當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速低于1 m/s時(shí)，火災(zāi)下通風(fēng)巷道內(nèi)橫截面上風(fēng)速分布具備“特征環(huán)”分布特征的臨界火災(zāi)強(qiáng)度低于300 kW；當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速大于2 m/s時(shí)，火災(zāi)下通風(fēng)巷道內(nèi)橫截面上風(fēng)速分布具備“特征環(huán)”分布特征的臨界火災(zāi)強(qiáng)度大于1 200 kW。由此進(jìn)一步分析可得：礦井火災(zāi)時(shí)期，同一通風(fēng)風(fēng)速下，通風(fēng)巷道內(nèi)風(fēng)速“特征環(huán)”分布特征存在臨界火災(zāi)強(qiáng)度值。當(dāng)火災(zāi)強(qiáng)度大于臨界火災(zāi)強(qiáng)度值時(shí)，通風(fēng)巷道內(nèi)風(fēng)速不再具備“特征環(huán)”分布特征；當(dāng)火災(zāi)強(qiáng)度小于臨界火災(zāi)強(qiáng)度值時(shí)，火災(zāi)下通風(fēng)巷道內(nèi)風(fēng)速具備“特征環(huán)”分布特征，且隨著通風(fēng)風(fēng)速的增大，其分布特征逐漸接近正常通風(fēng)時(shí)期的分布規(guī)律。

圖3 不同通風(fēng)風(fēng)速及火災(zāi)強(qiáng)度下X=88 m截面上“關(guān)鍵環(huán)”分布Fig.3 “Key ring” maps on cross section at different fire intensity and different velocity

由上述分析可知，礦井火災(zāi)時(shí)期，通風(fēng)風(fēng)速與火災(zāi)強(qiáng)度均是影響通風(fēng)巷道內(nèi)橫截面上風(fēng)速 “特征環(huán)”分布的關(guān)鍵因素。

3 火災(zāi)強(qiáng)度對巷道截面“關(guān)鍵環(huán)”分布規(guī)律影響

基于上文分析，火災(zāi)情況下，巷道內(nèi)紊流充分發(fā)展處截面上的“特征環(huán)”分布，由于火災(zāi)強(qiáng)度的變化和通風(fēng)風(fēng)速的不同，均受到了不同程度的影響，其“關(guān)鍵環(huán)”的分布也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。“關(guān)鍵環(huán)”的定義為：在“特征環(huán)”上，與截面上平均風(fēng)速值相等的環(huán)稱為“關(guān)鍵環(huán)”[14]。“關(guān)鍵環(huán)”對于實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的準(zhǔn)確測量具有非常重要的意義。圖3給出了通風(fēng)風(fēng)速分別為1.0，1.5，2.0，3.0，5.0，6.0 m/s以及火災(zāi)強(qiáng)度分別為0，300，600，900，1 200 kW工況下，X=88 m截面處“關(guān)鍵環(huán)”的分布情況。

由圖3分析可知：火災(zāi)時(shí)期，當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速低于1 m/s時(shí)，由于橫截面上風(fēng)速分布不再具備“特征環(huán)”分布特征，故平均風(fēng)速分布紊亂，未呈現(xiàn)出環(huán)狀分布；當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速大于1.5 m/s時(shí)，火災(zāi)時(shí)期通風(fēng)巷道內(nèi)橫截面上平均風(fēng)速分布具備“關(guān)鍵環(huán)”分布特征，且巷道底板與兩幫平均風(fēng)速“關(guān)鍵環(huán)”與正常通風(fēng)時(shí)期“關(guān)鍵環(huán)”分布特征一致，而巷道頂板平均風(fēng)速“關(guān)鍵環(huán)”與正常通風(fēng)時(shí)期“關(guān)鍵環(huán)”分布特征區(qū)別較大；當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速大于5 m/s時(shí)，火災(zāi)時(shí)期通風(fēng)巷道內(nèi)平均風(fēng)速“關(guān)鍵環(huán)”分布與正常通風(fēng)時(shí)期的趨近一致。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因主要是：當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速較小時(shí)，由于火災(zāi)的浮力效應(yīng)，高溫?zé)煔庵饕奂谙锏理敳苛鲃?dòng)，因此巷道頂板平均風(fēng)速“關(guān)鍵環(huán)”分布特征較不明顯；當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速較大時(shí)，通風(fēng)壓力較大，并可克服火災(zāi)所產(chǎn)生的浮力效應(yīng)，巷道內(nèi)平均風(fēng)速“關(guān)鍵環(huán)”與正常通風(fēng)時(shí)期的趨近一致。

基于上述分析可知，為適應(yīng)正常通風(fēng)和火災(zāi)時(shí)期巷道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)速的準(zhǔn)確測量，對于井下通風(fēng)風(fēng)速較大的巷道，在不影響運(yùn)輸和人員通行的前提下，可將傳感器布置在巷道頂板和兩幫附近；對于井下通風(fēng)風(fēng)速較小的巷道，可將傳感器布置在巷道兩幫附近。同時(shí)進(jìn)一步分析可知，當(dāng)巷道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)速大于或等于5 m/s時(shí)，通風(fēng)巷道內(nèi)平均風(fēng)速“關(guān)鍵環(huán)”分布規(guī)律可認(rèn)為依然符合正常通風(fēng)時(shí)期的分布特性，即滿足“關(guān)鍵環(huán)”分布的特征方程[15]。

4 結(jié)論

1)同一火災(zāi)強(qiáng)度下，通風(fēng)巷道內(nèi)風(fēng)速“特征環(huán)”分布特征存在臨界風(fēng)速值。當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速低于臨界風(fēng)速值時(shí)，火災(zāi)時(shí)期通風(fēng)巷道內(nèi)風(fēng)速不再具備“特征環(huán)”分布特征。同一通風(fēng)風(fēng)速下，火災(zāi)時(shí)期通風(fēng)巷道內(nèi)風(fēng)速“特征環(huán)”分布特征存在臨界火災(zāi)強(qiáng)度值。

2)正常通風(fēng)時(shí)期，通風(fēng)風(fēng)速并非是影響巷道通風(fēng)風(fēng)速“特征環(huán)”分布的關(guān)鍵因素；礦井火災(zāi)時(shí)期，通風(fēng)風(fēng)速與火災(zāi)強(qiáng)度均是影響通風(fēng)巷道內(nèi)風(fēng)速“特征環(huán)”分布的關(guān)鍵因素。

3)對于井下通風(fēng)風(fēng)速較大的巷道，在不影響運(yùn)輸和人員通行的前提下，可將傳感器布置在巷道頂板和兩幫附近；對于井下通風(fēng)風(fēng)速較小的巷道，可將傳感器布置在巷道兩幫附近。

4)當(dāng)巷道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)速大于或等于5 m/s時(shí)，火災(zāi)時(shí)期風(fēng)流平均風(fēng)速點(diǎn)的位置，可由正常通風(fēng)時(shí)期的“關(guān)鍵環(huán)”特征方程進(jìn)行計(jì)算。

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