礦井 T 形巷道火災煙流控制方法研究

賀 蕾，鄢曙光，蔣 璨

1武漢科技大學資源與環境工程學院 湖北武漢 430081

2冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室 湖北武漢 430081

礦井巷道火災發生至明火階段，出現的風火壓將擾亂巷道中正常的通風系統，使礦區風向、風力發生改變，進而使事故加重，給礦山救援隊進入礦井進行滅火救災造成困難。因此，在火災初期對井下巷道風流及煙氣進行控制，掌握礦井火災時期巷道風流變化規律，對滅火救災工作具有重要的現實意義。

國內外對礦井火災做了規模不等的實測試驗。最早是波蘭巴爾巴拉實驗室對礦井火災進行了火源探測和煙氣流成分的研究[1]。早在 1988 年，中國煤炭科學研究院重慶分院在全尺寸的模擬巷道中進行了巷道火災模擬試驗，結果表明，當風速小于 1 m/s 時會出現逆流現象，大于 1 m/s 時未發生逆流現象[2]。國內外專家在將軟件模擬應用于礦井火災方面也做了相關研究[3-10]。路寶生[11]運用 TF1M 軟件對山家林礦進行礦井火災仿真分析，結論表明：火災時期產生的高溫煙流及火風壓，會引起巷道內空氣密度變化及風流紊亂。林龍沅等人[12]采用火災模擬軟件 FDS 進行了仿真，分析了巷道發生火災時各參數變化對通風的影響，得出巷道內風速增大，將會導致下風流方向速度分布混亂的結論。

上述研究很少對不同類型巷道火災時期進行系統的模擬試驗。實際上，礦井巷道存在許多岔路和支路數量不等的巷道。筆者使用 CFD 軟件建立 T 形礦井巷道模型，并對火災時期的煙流進行控制研究。

1 礦井巷道

1.1 巷道模型及網格劃分

T 形礦井巷道模型如圖 1 所示。W1、W2、W3為3 個不同岔道內豎井通風口，尺寸為 0.9 m×0.9 m，可使用風機控制送風或排氣。火源位于岔道口，體積為 1 m3。為減少模擬程序，巷道截面簡化為正方形。定義 W1、W2連接巷道為橫向巷道 (主巷道)，定義W3所處的短巷道為垂直巷道，圖 1 中橫向巷道 a 長40 m，垂直巷道 b 長 20 m，巷道截面 c為正方形，邊長為 3 m。

圖1 巷道模型Fig.1 Roadway model

1.2 模擬條件設定

礦井火災過程中，浮力效應對煙流流動參數 (速度、溫度和氣體成分) 的空間分布影響顯著。因此，采用浮力修正的 RNG 雙方程湍流模型[13]。

火源燃燒是一個非常復雜的化學過程，筆者重點研究火災煙氣流動及控制。為簡化模擬程序，在巷道火災數值模擬中不考慮具體燃燒過程，將火源簡單視為定點瓦斯泄漏燃燒點，用體積熱源替代，體積為 1 m3。《煤礦安全》規定，瓦斯密度一般為0.716 kg/m3，設定總泄漏量為 1.5 m3/s，選取受浮力影響最大的 CO 作為示蹤氣體。根據甲烷不完全燃燒方程，質量源 CO 設為 1.25 kg/s，熱源設置為 1 MW，不斷向周圍釋放高溫煙氣。巷道左右端口均設為排除外來影響的自由流出 outflow 條件，通風口根據控制方式設為正速度入口或負速度出口。模型采用SIMPLE 算法進行壓力和速度耦合。邊界條件設置如表 1 所列。

表1 邊界條件設置Tab.1 Setting of boundary conditions

1.3 煙流控制

考慮到對稱性，T 形礦井巷道模擬 4 種控制方式，如表 2 所列。控制方式 1 和 3 為雙巷道端口排煙，而控制方式 2 和 4 則為雙巷道端口送風。

表2 煙流控制方式Tab.2 Control mode of smoke flow

2 模擬分析

2.1 CO 體積分數

筆者選取了 CO 作為示蹤氣體，綜合考慮爆炸界限和中毒體積分數，以 0.02% 作為可救援的煙氣體積分數標準，取 1.6 m 處建立監測線，T 形巷道 4 種控制方式監測線上 CO 體積分數曲線如圖 2 所示。模擬設定 60 s 時發現火情并開啟風機進行風流控制，即圖中 60 s 時 CO 體積分數曲線相同。分析不同位置CO 體積分數分布情況，火源處 CO 體積分數最高達0.30%，由于火源點煙氣處于高速釋放狀態，發生煙囪效應，羽流卷吸周圍空氣優先向高處擴散。因此火源附近 CO 體積分數并未迅速爬升，曲線呈凹勢，煙氣到達巷道頂板后發生頂棚射流，向 3 支分岔巷道漫延，CO 體積分數開始上升，后趨于穩定。長巷道體積分數曲線以火源點為中心呈對稱分布，短巷道 CO體積分數隨離火源點距離的增加有稍許降低的趨勢，體積分數大致為 0.05%～0.10%。將 60 s 時 CO 體積分數作為各風流控制效果參照。

圖2 4 種控制方式下 CO 的體積分數曲線Fig.2 Curve of CO volume fraction in four control modes

觀察開啟機械排煙 30 s 后 (即 90 s 時) 巷道 CO 體積分數曲線，如圖 2 中圓形標記線條所示。控制方式 1 條件下，橫邊巷道 CO 體積分數下降明顯，處于0.02%～0.04%；監測 CO 體積分數以火源點為中心，大致呈對稱分布，并且越靠近中心體積分數越低，垂直巷道則無明顯變化。這是由于兩側機械風壓平衡，整體流場穩定，火風壓與其共同作用加速了中間段的煙氣擴散。控制方式 2 條件下，由于兩側給風致煙氣回流，短時間內風機的機械風壓不足以逆轉自然風壓，煙氣在中段累積出現逆退效應，導致橫向巷道CO 體積分數不降反升，而垂直巷道有明顯下降。控制方式 3 條件下，巷道 3 線 CO 體積分數均有下降，除送風一側下降緩慢，其余兩側都達到了安全實施救援的 CO 體積分數標準 0.02% 以下。控制方式 4 較3 區別在于垂直巷道的通風條件。當由排煙轉為給風時，垂直巷道 CO 體積分數上升，越靠近通風口 CO體積分數越高，橫向巷道并無明顯區別。

開啟機械排煙 60 s 后 (即 120 s 時) 巷道的 CO 體積分數曲線分別如圖 2 中三角形標記線段所示。通風60 s 后，控制方式 1 的橫向巷道 CO 體積分數已完全達到救援條件，縱向巷道雖較先前有所降低，但仍位于 0.05% 附近。控制方式 2 的兩給風側 CO 體積分數同樣有下降但未達到標準，而垂直巷道 CO 體積分數降至 0.02% 以下。這是由于隨著持續通風和火災發展，機械風壓與火風壓持續作用已趨近于平衡狀態，而部分累積的 CO 隨風流排出，巷道整體 CO 體積分數呈下降趨勢。而控制方式 3 與 4 的情況相似，同樣是橫向巷道排煙側 CO 體積分數大幅降低，控制方式3 垂直巷道 CO 體積分數變化不大，但控制方式 4 則有所下降，還未至安全標準。說明插入段一側的通風條件對主橫向巷道影響不大，此段巷道就 CO 體積分數控制效果來說，排煙比給風效果好。

2.2 排煙量

監控各控制方式排煙口排煙情況，風機開啟后 70～120 s 排煙口排煙量隨時間的變化曲線如圖3 所示。由圖 3 可知，控制方式 1 與 2 排煙量在進行風流控制后 (80 s 之前) 持續升高，80 s 后由于巷道中CO 經 2 個排煙口大量排出，使巷道內 CO 量有所減少，從而排煙口排煙量也有所降低，100 s 后穩定在13 000～14 000 m3/h。控制方式 2 與 4 排煙量總體上低于控制方式 1 與 3。因為排煙集中在 1 個排煙口，排煙量在 90 s 處開始降低，最后穩定在 9 000～10 000 m3/h。總的來說，控制方式 1 與 3 排煙效果更好，結合 CO 體積分數與溫度示意圖可以推測控制方式 3 短巷道可作為最快求援通道，控制方式 1 與 3 的其他巷道可作為備用救援通道。

圖3 排煙量隨時間的變化曲線Fig.3 Variation curve of smoke exhaust rate with time

3 CFD 巷道試驗分析

日本消防科學研究所曾對 L 形巷道進行一系列建模和火災試驗[14]，研究了 L 形巷道火災時煙氣流動情況；以 CO 為示蹤氣體，實測了不同風流控制條件下CO 體積分數的變化情況。

3.1 試驗模型及條件

L 形巷道模型如圖 4 所示。巷道截面為正方形；通風口 V1、V2同為邊長為 90 mm 的正方形；* 為 CO監測點，位于巷道頂部。試驗方法步驟如下。

(1) 使用燃燒器，固定巷道初始 CO 體積分數。

(2) 開啟風機，使 V1處于供風狀態，V2處于排風狀態。

(3) 監測各點 CO 體積分數變化情況。建立同樣L 形巷道，使用 CFD 流體力學軟件模擬 CO 體積分數變化，火源按照體積熱源設置，風機排氣供氣速度與試驗條件一致，設置為 1.8 m/s。

圖4 L 型巷道模型Fig.4 L-shaped roadway model

3.2 模擬與試驗結果對比

CO 體積分數隨時間的變化曲線如圖 5 所示。由圖 5 可知，模擬值與試驗值擬合較好，CO 體積分數隨時間呈逐步下降趨勢。可見 CFD 可用于礦井巷道火災時期的煙氣控制研究。

圖5 CO 體積分數隨時間的變化曲線Fig.5 Variation curve of CO volume fraction with time

4 結語

(1) 礦井火災發生后，由于煙囪效應，煙氣迅速向巷道頂板沖擊，到達頂部后沿巷道岔路附壁貼流，在巷道 3 個端口均發生煙氣逆推使溫度升高，及時通風有助于改善逃生條件。

(2) 就煙氣體積分數控制效果來說，主干巷道的通風條件變化影響明顯。由于存在拐角處的地形因素影響，插入段一側的通風條件對橫向巷道整體影響較小，此段巷道排煙比給風效果稍好。

(3) 相同風速下，綜合排煙量、溫度控制以及 CO體積分數分布來看，控制方式 1 與 3 排煙效果較其他更好，說明 1 給 2 排式通風對 3 叉巷道的煙流控制效果顯著。

(4) 筆者采用穩態體積熱源模擬火源，但在具體細節的還原設置上還有待進一步的研究與探討，如忽略了實際火災中的非穩態火源階段等。更加精細的模型有助于掌握火災的規律，可為統一制訂應急措施提供參照。