礦井系統下行風流火災實驗與TF1M3D平臺仿真研究*

李宗翔，張慧博 ，路寶生，王天明

( 1．遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2．礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000)

0　引言

礦井外因火災(以下稱礦井火災)是危害煤礦安全生產的重大災害之一，礦井火災造成人員傷亡，多是火災后產生的高溫有毒煙流在礦井中蔓延，造成人員中毒或窒息。因此，對火災時期礦井風流紊亂，火災煙流在礦井巷道網域中擴散規律研究顯得十分緊迫和重要。

國內外學者在礦井火災煙流擴散、火災熱動力[1-3]等方面取得很大進展，其中文獻[4-6]應用FDS，Fluent等通用軟件對礦井局部巷道系統進行仿真研究。但對全礦井巷道系統下行風流火災時期風流紊亂現象缺少系統的仿真分析研究，災變時期風流紊亂仿真分析[7-11]成果很少。本文應用自行開發的礦井災變時期通風仿真系統TF1M3D軟件[12]，以典型礦井火災為例，結合火災風流紊亂相似管道實驗，對礦井下行風流火災風流紊亂問題進行分析。

1　礦井下行風流火災風流紊亂相似管道實驗

火災風流紊亂相似管道實驗結構如圖1(a)所示，實驗裝置如圖1(b)所示。主干風路由Φ44 mm的石英管件組成，并在其中布置電阻絲；旁側支路采用Φ48 mm的金屬管。實驗采用抽出式通風，由多檔位變壓器改變風機通風能力，變壓器可提供3，4.5，6，7.5，9，12 V等級電壓。模擬火源按圖2曲線模式實時調節。分別在不同電壓等級下進行實驗，實驗各測點數據通過軟件實時采集，得到實驗數據如圖3所示。電壓等級超過4.5 V后，主干風路風流不發生逆轉。

圖1　礦井火災風流紊亂實驗裝置Fig.1　Experiment device of airflow disorder

圖2　電阻絲實時電壓調節曲線Fig.2　Real-time voltage regulation curve of resistance wire

通過3 V與4.5 V 2組實驗對比分析，在圖2火源模式的作用下，隨著火源強度前期快速增長，主干風路和總風量迅速下降，旁側支路風量迅速上升，700 s左右時，各測點溫度最高，火風壓最強，各路風量達到極值，滯后火源最大值500 s。隨著通風機能力增強(即電壓等級提高)，實驗管道中風量變化速率逐漸減小，其中主干風路風量極值越來越大，如圖4所示。在3 V電壓等級下主干風路出現風流逆退現象，旁側支路風量超過總風量，并聯管道出現內循環風流；當電壓4.5 V及以上時主干風路風流衰減，但未逆退。第780 s火源熄滅后，管道才逐漸冷卻恢復到火災前狀態。實驗表明，通風機通風能力越強，越有利于克服主干風路風流紊亂，維持風流方向穩定。

圖3　不同風機電壓等級下實驗測試數據Fig.3　Experiment test data for different voltage ratings of fan

圖4　不同電壓等級主干風路風速極值Fig.4　Wind speed extreme value of main airflow branch under different voltage level

實驗研究只能是針對簡單風流網路的基本分析，對全域的礦井巷道系統情況就更加復雜，可以看做是眾多簡單風路的集合，情況復雜，必須用仿真分析的方法來研究[11]。必須借助于仿真平臺手段。

2　礦井下行風流火災的仿真分析

2.1　TF1M3D災變通風仿真軟件簡介

圖5　n=260 r/min時關鍵時刻煙流濃度擴散云圖Fig.5　n=260 r/min， smoke flow at the critical moment

礦井立體巷道網域火災時期通風系統可視化仿真專業分析軟件 TF1M3D[9-12]，能夠形象、動態描述礦井火災發展趨勢，實現災害演變過程的物理仿真。通過TF1M3D平臺，能科學預測煤礦火災的災害和波及范圍、獲得災害經驗，評估礦井通風系統火災抗災能力，制定科學的火災應急預案，為最大限度的減災救災提供決策依據。 TF1M3D是基于MATLAB開發的基于有源風網理論，可實現正常通風與災變過程一體化計算，能夠描述礦井的非穩態通風、礦井火災、煤與瓦斯突出、反風等過程。軟件不需要繪制通風網絡圖，實現礦井巷道網絡空間結構上的真實描述。采用透視的三維圖顯示，并通過縮放、平移、旋轉進行多視角觀察。在礦井火災仿真計算中，引入收斂效果很好的風流停滯與轉向的收斂因子，同時考慮因密度變化引起的熱阻力變化，以及風流紊亂導致的瓦斯積聚和濃度超限；在描述火源強度時，考慮風流氧濃度以及可能出現回燃的問題。

2.2　山家林礦典型案例火災的仿真

山東棗莊集團山家林煤礦在1986年11月24日發生重大礦井火災事故。火災事故發生在井下二水平-380處的上倉皮帶巷，為下行風流火災，高溫煙流形成的火風壓，導致該巷道內出現風流逆退現象，造成危害范圍進一步擴大。事故持續了3 d，造成了大量的人員傷亡和財產損失。

用TF1M3D軟件搭建山家林煤礦立體仿真模型并進行仿真。模擬采用與管道實驗相似的火源燃燒模型，設定火源燃燒時間為10 000 s，最高溫度為1 092 ℃。3個風井的通風機轉數分別為260 ，340 ，450 ，590 r/min。運行TF1M3D軟件，模擬出山家林煤礦在發生上述火災事故時，井下煙流濃度和溫度的實時動態變化傳播過程，如圖5所示，其中圖6為山加林礦局部通風系統。

火災發生初期，火災煙流在通風機的動力作用下沿原風流方向流動，第540 s大量火災煙流侵入220上山和-380副巷，在220上山及-380副巷連接處形成局部火風壓，對由220上山、-260副巷、223上山和-380副巷形成的回路產生逆時針的動力作用，如圖6(b)所示，對220上山和-260副巷風流流動起促進作用，對223上山和-380副巷風流流動起阻礙作用。隨著火災煙流持續侵入、煙流溫度逐漸增高，局部火風壓逐漸增大，第1 020 s，-380副巷風流反向火災煙流逐漸退出，第1 380 s火災煙流經過-260副巷逆流進入223上山，第2 340 s火災煙流進一步逆流進入-380副巷，部分煙流達到二號回風井，第10 267 s火災煙流到達另外2個回風井，經3個回風井排至大氣。

圖6　山家林礦局部通風系統Fig.6　The partial ventilation plan of Shan Jialin Mine

2.3　山家林礦井火災仿真結果分析

為考察通風機對火災的影響，模擬了不同轉速下上倉皮帶巷和223上山不同時刻風量值，如圖7所示。

圖7　火災時期不同轉數下關鍵巷道上的風量變化Fig.7　Changes of air volume in the key roadway during fire period under different rotational speed

1) 從圖7(a)可以看出，前期由于火區熱阻力迅速增大到極值，上倉皮帶巷風量快速衰減，繼而平緩，隨火風壓增大風量逐漸減少達到最小值，其中：當n=260 r/min時，風量為8.98 m3/s；當n=340 r/min時，風量為10.26 m3/s；當n=450 r/min時，風量為10.4 m3/s；當n=590 r/min時，風量為10.6 m3/s。通風機能力越強，上倉皮帶巷風量衰減到的極小值越大，即主干風路風流逆退越困難；隨著火源強度降低，風流狀態逐漸恢復至火災發生前，其中：當n=260 r/min時，時間為10 140 s；當n=340 r/min時，時間為9 960 s；當n=450 r/min時，時間為9 900 s；當n=590 r/min時，時間為9 830 s。隨著通風機能力提高，上倉皮帶巷風量恢復至火災發生前狀態耗時變短。

火災模擬中，采用點火源，火源強度小于實際火災事故中的巷道線火源的強度；未出現主干風路風流逆轉現象，但模擬到了上倉皮帶巷(即火災主干風路)風流的衰減變化趨勢。從圖7的變化趨勢得出，在礦井火災時期，提高礦井通風機能力可有效克服主干風路風流紊亂現象發生。所得到的模擬結果與下行風流火災管道相似實驗所得結果基本一致，直觀揭示了礦井火災時期，通風機能力對主干風路風流穩定性的影響。

2) 從圖7(b)可以看出，礦井火災時期，223上山風量隨火源燃燒強度變化呈現出先迅速衰減，直至零點，再繼續反向至最大值，最終隨火源衰減、熄滅恢復火災前風流狀態。與常規現象不同，山家林礦下行風流火災，即使在上倉皮帶巷(即火源處)風流未發生逆退，仍會引起井下223上山巷道產生風流逆轉現象。且223上山巷道風流穩定性并不是隨通風機能力增強而提高，反而隨通風機能力增強，223上山巷道風量衰減至零的時間變短，風量達到反向最大值增大，風流紊亂現象更加明顯。

223上山風流紊亂狀態隨通風機能力提高而增強，是由于風機轉速增大，巷道內風速增高，火災煙氣在風機作用為主導的動力作用下，同樣時間內，在220上山巷道內傳播距離更遠，產生更強的局部火風壓，促使223巷道風流紊亂現象加劇。

3　結論

1) 下行風流火災時期，火源強度與火區熱阻力同步增大，節流效應使主干風路風量迅速減小。在礦井大尺度的影響下，火風壓最大與火源強度存在時間差或滯后效應，火風壓最大是火災煙流溫度與擴散距離綜合作用的結果；使主干風路風量達到極值，時間滯后于火源強度達到最大值的時間。

2) 在下行風流火災的礦井中，通風機能力越強，主干風路風流克服火風壓作用、保持原狀態的能力越強；火災結束后，風流恢復原風流狀態所用的時間越短。但在某些巷道上，通風機能力增強后，發生風流紊亂幅度更加明顯。

3) 在復雜礦井通風網絡系統中，即使火災主干風路風流未發生逆退，井下某些巷道內仍可能產生風流紊亂的現象，甚至在局部巷道內形成循環風流。

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