巷道截面突變對(duì)煙氣蔓延的影響數(shù)值模擬

付 巍

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

煤礦火災(zāi)極易引發(fā)煤礦特重大事故的發(fā)生。根據(jù)煤礦事故統(tǒng)計(jì)分析，煤礦火災(zāi)事故起數(shù)雖然占總事故的0.49%，但死亡數(shù)占7.32%[1]。巷道火災(zāi)事故雖起數(shù)比例小，但死亡比例高。李義杰[2]等人利用Fluent 軟件研究了不同風(fēng)速下煙氣蔓延的流動(dòng)規(guī)律；文虎[3]利用單混合分?jǐn)?shù)PDF 非預(yù)混燃燒模型研究了水平巷道煙氣逆流層的變化規(guī)律；齊慶杰[4]研究了火源強(qiáng)度、風(fēng)速對(duì)煙氣流動(dòng)速度的影響；張曉濤[5]基于FDS 火災(zāi)模擬軟件分析了礦井下行通風(fēng)巷道情況下煙氣蔓延規(guī)律；魯亞麗[6]研究分析了不同的傾斜巷道、不同通風(fēng)模式下的臨界風(fēng)速變化規(guī)律；孫麗青[7]分析了礦井巷道外因火災(zāi)煙氣運(yùn)移規(guī)律及主要影響因素；劉劍[8]利用Fluent 研究了傾斜巷道內(nèi)火災(zāi)逆流層變化規(guī)律；李小菊[9]研究了不同巷道截面形狀對(duì)能見度的影響。綜上所述，國(guó)內(nèi)學(xué)者研究了巷道傾角、通風(fēng)條件以及火源強(qiáng)度等方面對(duì)巷道火災(zāi)煙氣蔓延的影響。但針對(duì)巷道截面突變對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響研究的相對(duì)較少，因此基于Pyrosim 火災(zāi)模擬軟件對(duì)巷道截面突變情況下煙氣蔓延特性進(jìn)行了研究。

1 物理模型的建立及網(wǎng)格劃分

1.1 火災(zāi)模擬軟件

FDS 是美國(guó)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）開發(fā)的以大渦模擬（LES）原理為火災(zāi)數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)的火災(zāi)數(shù)值模擬軟件[10]。該軟件基于CFD 模型的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件，在火災(zāi)科學(xué)和安全科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用并得到了眾多實(shí)例驗(yàn)證。該軟件應(yīng)用的行業(yè)不限于建筑行業(yè)也適用于地鐵和礦井等行業(yè)[11]。

1.2 工況設(shè)定

選取某煤礦局部巷道作為模擬對(duì)象，建立數(shù)值模型且模型分為2 種類型，第1 種巷道截面保持不變；第2 種距離著火點(diǎn)50 m 處巷道突變，礦井巷道數(shù)值模型尺寸如圖1。其中正常巷道截面的寬×高為5 m×5 m，巷道突變的寬×高為5 m×3 m；模擬時(shí)間為350 s。通風(fēng)方式分為下行通風(fēng)和上行通風(fēng)2 種；通風(fēng)風(fēng)速為 0、0.5、1、2 m/s；火源強(qiáng)度為 1.5 MW 和2.0 MW；巷道傾角為 0°、5°、10°、15°、30°。入口邊界條件為初始?jí)毫?1.013 25×105Pa，重力加速度為-9.81 m/s2，初始溫度為 20 ℃，x、y、z 方向上的初始速度均為0 m/s。

為了提高模型精確性，應(yīng)用力學(xué)分解調(diào)整X、Y以及z 軸的重力加速度，以實(shí)現(xiàn)水平巷道模擬不同傾角巷道的煙氣模擬，巷道煙氣蔓延重力加速度力學(xué)分解示意圖如圖2。各傾角下x、y 以及z 軸的重力加速度見表1。

1.3 網(wǎng)絡(luò)大小設(shè)定

FDS 火災(zāi)模擬軟件的網(wǎng)絡(luò)尺寸受火災(zāi)特征直徑D*影響[12]。為了使模擬結(jié)果能夠反映實(shí)際情況，根據(jù)式（1）計(jì)算火災(zāi)特征直徑D*，并結(jié)合網(wǎng)格尺寸d=0.1 D* 和 d =0.2 D* 將 1.5 MW 和 2.0 MW 所采用的網(wǎng)格分別劃分為 0.5 m×0.5 m×0.5 m 和 0.8 m×0.8 m×0.8 m。

圖2 巷道煙氣蔓延重力加速度力學(xué)分解示意圖Fig.2 Mechanical decomposition of the gravitational acceleration of smoke spread in a concrete roadway

表1 各傾角下x、y 以及z 軸的重力加速度Table 1 Gravity acceleration of x, y and z axes at each inclination

式中：D* 為火災(zāi)特征直徑，m；Q 為火源總熱釋放速率，kW；ρ0為空氣密度，1.29 kg/m3；Cp為空氣比熱容，1.0 kJ/（kg·K）；T0為空氣溫度，293.15 K；g 為重力加速度，9.81 m/s2。

2 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 巷道突變對(duì)下行通風(fēng)條件下煙氣蔓延的影響

2.1.1 不同巷道傾角對(duì)巷道突變煙氣蔓延的影響

為分析在不同巷道傾角的條件下，巷道突變對(duì)煙氣蔓延至入口時(shí)間的影響，實(shí)驗(yàn)在相同通風(fēng)風(fēng)速v 和火源強(qiáng)度Q 條件下進(jìn)行，其值分別為 0.5 m/s 和2 MW。隨著巷道傾角從0°～30°的逐漸增加，煙氣蔓延至入口時(shí)間，不同巷道特性條件下煙氣蔓延至進(jìn)風(fēng)口時(shí)間見表2。

由表2 可知，在相同的火源強(qiáng)度和風(fēng)速下，隨著傾角增加煙氣蔓延至出口的時(shí)間呈線性下降趨勢(shì)。巷道突變條件下巷道傾角為0°時(shí)，煙氣蔓延至距離火源62.5 m 處到達(dá)火源上游的蔓延最大距離，在Q=2 MW，v=0.5 m/s 工況下煙氣蔓延情況圖如圖3；而在無巷道突變工況下，煙氣在253.77 s 和120.16 s蔓延至巷道入口處，巷道的突變對(duì)礦井火災(zāi)煙氣蔓延具有抑制作用，由此可以得出，巷道突變能夠延長(zhǎng)礦工的可用安全疏散時(shí)間。

表2 不同巷道特性條件下煙氣蔓延至進(jìn)風(fēng)口時(shí)間Table 2 Time of smoke spread to air inlet under different conditions of roadway characteristics

圖3 Q=2 MW，v=0.5 m/s 工況下，煙氣蔓延情況圖Fig.3 The spread of smoke under Q=2 MW, v=0.5 m/s

在巷道傾角0°～30°的范圍內(nèi)，隨著巷道傾角的增加，煙氣蔓延至入口時(shí)間逐漸減少，且煙氣蔓延至入口時(shí)間呈現(xiàn)出一定的規(guī)律變化。與正常條件下巷道相比，巷道突變明顯減緩了煙氣蔓延至入口時(shí)間，并且突變條件下與正常條件下的入口時(shí)間差逐漸縮短，對(duì)于煙氣蔓延的抑制率最大為 109.15%，最小為54.00%。巷道傾角的變化以及通風(fēng)方式均影響對(duì)浮力效應(yīng)煙流阻力的大小。在下行通風(fēng)方式中，隨著巷道傾角的增大煙囪效應(yīng)亦增強(qiáng)，進(jìn)一步阻止煙氣向下坡方向流動(dòng)，但因巷道突變對(duì)煙氣蔓延的擴(kuò)散起到了阻礙作用，使煙氣在突變處聚集，延緩了煙氣蔓延至進(jìn)風(fēng)口時(shí)間。

2.1.2 不同火源強(qiáng)度對(duì)巷道突變煙氣蔓延的影響

將下行通風(fēng)條件下的巷道突變工況測(cè)得的煙氣蔓延時(shí)間與無巷道突變的工況進(jìn)行對(duì)比，通風(fēng)風(fēng)速和巷道傾角分別設(shè)置為0.5 m/s 和30°，并且火源強(qiáng)度為1.5 MW 和2 MW。不同的巷道工況與火源強(qiáng)度對(duì)煙氣蔓延至出口以及入口處時(shí)間的變化如圖4。

圖4 不同火源強(qiáng)度對(duì)巷道突變工況下煙氣蔓延的影響Fig.4 Effect of different fire source intensities in smoke spread under sudden changes in roadway conditions

由圖4 可以看出，相同通風(fēng)風(fēng)速和巷道傾角情況下，當(dāng)火源強(qiáng)度Q=1.5 MW 時(shí)，出口與入口煙氣蔓延時(shí)間的抑制率分別為 7.72%和 54.00%；Q=2 MW時(shí)，出口與入口煙氣蔓延時(shí)間的抑制率分別為2.69%和 74.94%。巷道傾角為 30°時(shí)，隨著火源強(qiáng)度的增加，巷道突變對(duì)煙氣蔓延進(jìn)風(fēng)口時(shí)間的抑制率提升；而對(duì)于煙氣蔓延出風(fēng)口時(shí)間的抑制率降低。當(dāng)Q=1.5 MW 工況下，巷道突變與無巷道突變出口處煙氣蔓延速度分別為 2.3 m/s 和 2.24 m/s；Q=2 MW 時(shí)，巷道突變與無巷道突變出口處煙氣蔓延速度為 2.43 m/s 和 2.41 m/s，由此可見巷道突變對(duì)煙氣蔓延速度的影響不顯著。同時(shí)，火災(zāi)煙氣蔓延至出入口的時(shí)間與火源強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。

2.2 巷道突變特性對(duì)煙氣蔓延的影響

2.2.1 巷道突變長(zhǎng)度對(duì)于煙氣蔓延時(shí)間的影響

在上行通風(fēng)且通風(fēng)風(fēng)速、火源強(qiáng)度以及巷道傾角分別為 0.5 m/s、1.5 MW 和 0°的工況條件下，研究不同巷道突變長(zhǎng)度對(duì)煙氣蔓延至進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口的時(shí)間和溫度的影響（圖5）。

圖5 巷道突變長(zhǎng)度對(duì)煙氣蔓延時(shí)間規(guī)律Fig.5 The rule of the sudden length of tunnel to the time of smoke spread

從圖5 可知，在巷道突變長(zhǎng)度為10～30 m 的工況下，煙氣蔓延至出風(fēng)口的時(shí)間與突變長(zhǎng)度的變化呈負(fù)相關(guān)；而在0～10 m 的工況下煙氣蔓延至出風(fēng)口的時(shí)間沒有明顯變化，時(shí)間差為0.36 s。同時(shí)，在巷道突變長(zhǎng)度為10 m 時(shí)，火災(zāi)煙氣蔓延至進(jìn)風(fēng)口時(shí)間最長(zhǎng)且煙氣蔓延抑制率為 15.62%，時(shí)間為 59.22 s；在10～30 m 的工況下隨著突變長(zhǎng)度的增加煙氣蔓延至進(jìn)風(fēng)口的時(shí)間縮短。

2.2.2 巷道突變長(zhǎng)度對(duì)溫度的影響

Q=1.5 MW，v=0.5 m/s，傾角為 0°工況下煙氣蔓延能見度變化如圖6。在巷道突變長(zhǎng)度為0～30 m 的工況下，煙氣蔓延至出風(fēng)口的溫度隨著突變長(zhǎng)度增加而降低，無巷道突變的出風(fēng)口溫度最高，為68.51℃；而巷道突變長(zhǎng)度變化對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延至進(jìn)風(fēng)口溫度的無影響，最大溫度差僅為0.33 ℃。在火災(zāi)煙氣在巷道蔓延過程中，煙氣未經(jīng)過巷道突變段前，煙氣蔓延呈現(xiàn)“S”形，主要原因是煙氣在浮力的作用下沿著頂板擴(kuò)散，致使巷道頂部的煙氣蔓延先于下部；巷道突變致使煙氣峰面被壓縮和拉伸，使通過巷道突變段后的煙氣前端峰面呈現(xiàn)橢圓形。

圖 6 Q=1.5 MW，V=0.5 m/s，傾角為 0°工況下，煙氣蔓延能見度變化圖Fig.6 Q=1.5 MW, V=0.5 m/s, visibility change of smoke spread under the inclination of 0°

2.2.3 巷道截面突變位置對(duì)煙氣蔓延的影響

為研究巷道截面突變位置對(duì)煙氣蔓延的影響，采用巷道突變長(zhǎng)度對(duì)于煙氣蔓延影響的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，之間距離設(shè)置為 10、20、30、40、50、60、70、80 m。此外，無巷道突變工況作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，模擬工況 9 個(gè)，巷道截面突變位置對(duì)煙氣蔓延時(shí)間的影響如圖7。

圖7 巷道截面突變位置對(duì)煙氣蔓延時(shí)間的影響Fig.7 The influence of the abrupt position of the tunnel section on the smoke spreading time

由圖7 可見，當(dāng)巷道突變段距火源點(diǎn)50 m 時(shí)，巷道突變能夠有效抑制煙氣蔓延至出、進(jìn)風(fēng)口的時(shí)間，且時(shí)間最長(zhǎng)分別為 59.22 s 和 64.83 s。當(dāng)距離為10～50 m 時(shí)，巷道突變段離火源位置越遠(yuǎn)，巷道突變對(duì)煙氣蔓延的阻礙作用越明顯；而當(dāng)距離大于50 m時(shí)，巷道突變起到的阻礙作用降低。由于巷道突變的存在阻礙了煙氣的擴(kuò)散速度，產(chǎn)生抑制作用，并使其在突變處聚集延緩了煙氣蔓延，使傳播時(shí)間延長(zhǎng)。

3 結(jié) 論

1）在不同巷道傾角條件下，巷道突變對(duì)煙氣蔓延的實(shí)驗(yàn)中，隨著傾角增加巷道突變對(duì)煙氣蔓延的抑制作用降低，抑制率最低為54.00%。火源強(qiáng)度越高，巷道截面突變對(duì)煙氣蔓延至進(jìn)風(fēng)口時(shí)間的抑制率提高。

2）巷道截面突變長(zhǎng)度在10～30 m 之間，隨著長(zhǎng)度的增加煙氣蔓延至進(jìn)、出風(fēng)口的時(shí)間縮短；巷道截面突變段離火源點(diǎn)位置越遠(yuǎn)，巷道截面突變對(duì)煙氣蔓延的阻礙作用越明顯。

3）在對(duì)巷道突變特性對(duì)煙氣蔓延的實(shí)驗(yàn)中，巷道截面突變長(zhǎng)度為10 m 且距離火源50 m 時(shí)，巷道突變對(duì)煙氣蔓延的影響最大；與無巷道突變的工況相比，煙氣抑制率為15.62%。因此合理的布置巷道截面突變段可延長(zhǎng)可用安全疏散時(shí)間，為礦工安全疏散爭(zhēng)取更多時(shí)間。