風門對礦井火災煙氣流動特性影響的數值模擬研究*

鹿廣利，田夢雅，周 浩

(山東科技大學 安全與環境工程學院，山東 青島 266590)

0 引言

礦井火災是礦井生產過程中的重大災害之一。由于地下開采環境差，環境封閉，各個巷道工作面十分復雜，一旦發生火災，火災過程中產生的煙氣和熱量很難及時排出，且會迅速蔓延至整個巷道，從而使火災產生的高溫及毒性給礦井下工作人員的生命安全帶來嚴重的危害[1-6]。

國內外很多學者從臨界風速、巷道坡度、截面形狀和火源功率等不同角度通過實驗、計算機模擬等不同方式對火災進行大量的研究[7-12]。Chow等[13]通過小尺寸隧道火災實驗得出火災煙氣流動特性；李小菊等[14]針對常見典型截面巷道通過FDS模擬軟件建立模型研究，得出火災時期溫度等參數的變化規律；賈靜等[1]利用模擬軟件通過改變邊界條件得出火區煙氣在不同因素影響下的煙流逆退現象及臨界風速；蔡鵬[15]根據井下防火安全要求對某一礦井的自動防火風門開關進行控制監測系統安裝調試。在礦井中一般會通過風門進行反風以及阻斷風流等來控制井下的通風系統[16]，但當井下發生火災時如何通過風門控制火災煙氣流動的影響研究較少。因此本文在前人研究基礎上利用火災動力學模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)探究風門開啟程度對火災煙氣流動的影響。研究當風門開啟1/4，1/2，3/4，全部開啟4種不同開啟方式下0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s 6種不同風速在巷道1.6 m高度時溫度分布和井下能見度分布情況，從而得到火災煙氣蔓延對井下工作人員安全的影響。

1 數值模型

1.1 物理模型

模擬場景為某礦井生產系統中常見的水平巷道，巷道長為100 m，寬為4 m，高為3 m。巷道壁面設置為井下常見的花崗石，其熱物理性質的參數見表1。巷道的左側為進風口，右側為自然通風口。火源位置大小為1 m×1 m，處于巷道中心位置0.5 m高度處，距進風口50 m位置處。以巷道正中心處為原點建立坐標系，礦井巷道模型如圖1所示。本文以井下柴油車為火源，火源功率設為5 MW，火源反應為正庚烷燃燒。環境溫度設定為20 ℃，巷道模型中風門的設置位于距離進風口右側25 m處，風門開啟程度側視圖如圖2所示。模型中設置有監測火災煙氣蔓延的溫度探測器，溫度探測器設置在巷道1.6 m高度處，以火源中心正上方為中心的左右兩側隔2 m設置1個溫度探測器，每側各10個，由于風門設置在距離火源中心左側位置，故在左側多設置12個溫度探測器。同時為更直觀地觀測火災隨時間的蔓延情況，在模型中z=1.6 m處設置煙氣能見度切片。不同工況下巷道模擬達到穩定時間不同，根據計算結果顯示，在200 s前后趨于穩定，因此將模擬時間設置為300 s。

表1 巷道壁面巖石物理參數Table 1 Physical parameters of rock on roadway wall

圖1 礦井巷道模型Fig.1 Mine roadway model

圖2 風門開啟程度側視圖Fig.2 Side view for opening degree of damper

1.2 網格設置

網格尺寸是由D*/δx無量綱表達式的范圍給出，D*如式(1)所示：

(1)

式中：D*為火災特征直徑，m；Q為火源功率，W；ρα為空氣密度，kg/m3；CP為空氣的定壓比熱容，J/(kg·K)；Tα為空氣初始溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

δx為模型的網格尺寸；D*/δx為火焰特征尺寸，被計算網格劃分的數量。D*/δx值在4～16之間時模擬結果具有收斂性。

故在計算機數值模擬中，網格尺寸大小直接關系到模擬結果的正確性和合理性。當網格較大時，模擬結果比較粗糙，可能無法體現出部分重要數據和參數變化特征；隨著網格減小，模擬數據將會變得越來越接近實驗值；但當網格尺寸設置較小時，對計算機要求更高、模擬時間更長。經過綜合分析，在巷道采用結構化網格為：0.25 m×0.25 m×0.25 m，網格數量為76 800個。

1.3 工況設置

用數值模擬計算巷道內距離進風口位置25 m處的4種風門開啟程度、6種不同風速下的巷道內火災場景如下：①風門全開時、火源功率5 MW條件下，風速分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s時的火災發生情況；②風門開啟1/4時、火源功率5 MW條件下，風速分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s時的火災發生情況；③風門開啟1/2時、火源功率5 MW條件下，風速分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s時的火災發生情況；④風門開啟3/4時、火源功率5 MW條件下，風速分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s時的火災發生情況。

2 模擬結果與討論

2.1 溫度分析

各個監測點的最高溫度隨著風速、風門開啟程度變化情況如圖3所示。

由圖3可知，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s工況下各個監測點的最高溫度均隨著熱電偶距火源距離增大而減小，由于原點處的最高溫度處于火源正上方，火源燃燒一瞬間監測點溫度過高。

風門的開啟程度對溫度的變化也有較大的影響。

圖3 進風側熱電偶的最高溫度隨火源距離的變化Fig.3 Change of maximum temperature of thermocouples on inlet side with distance of fire source

通過分析風速為0.5，1.0 m/s下工況監測點的溫度圖可知，當風速等于或低于1.0 m/s且風門全部開啟時，巷道內最低溫度約為100 ℃，遠高于井下初始環境溫度。因此，巷道內煙氣、高溫有毒有害氣體已充滿整個巷道。風門關閉時會阻擋巷道部分風流，導致風門前部分巷道內的溫度升高，同時也阻礙煙氣、高溫有毒有害氣體繼續向后蔓延，風門開啟1/2，3/4時風門后位置的巷道溫度稍有下降，但火源到風門之間的溫度過高，處于200 ℃以上。根據文獻[17]，人體在環境溫度70 ℃時可忍耐1 h；環境溫度達到110 ℃時，可忍耐15 min；當環境溫度達到140 ℃時，只能忍耐5 min。由于火源到風門前的巷道溫度都偏高，人員需在有限的時間內快速向風門位置處移動，因此綜合來看，風門開啟1/4時，最有利于人員疏散逃生。此外，當井下巷道風速為1.5 m/s時，風門開啟1/2時礦井巷道中的溫度較低，最有利于人員的逃生。當風速較大時，即風速為2.0，2.5，3.0 m/s且風門全開啟時，巷道內距離火源5 m外的溫度與初始溫度相同，說明煙氣無逆流現象，不會對此處井下工作人員造成影響，最有利于人員的逃生。

風門全開啟時不同風速下在巷道高度為1.6 m時的各個監測點溫度隨進風側熱電偶距火源中心水平距離變化情況如圖4所示。若礦井巷道發生火災時可及時調節風速的大小，進一步分析風門全開啟時不同風速下的巷道內溫度。由圖4可知，當風速為0.5，1.0 m/s時巷道內每個位置監測點的溫度均高于初始溫度，說明火災發生后由于風速過小巷道內產生煙氣逆流現象；當風速為1.5 m/s，在距離火源位置22 m處監測點溫度突然下降，此時風速影響煙氣蔓延達到一定位置不再繼續向前蔓延；當風速為2.0，2.5，3.0 m/s時，監測點的最高溫度在距離火源位置2 m處便達到室溫，且2.5 m/s和3.0 m/s的火源正上方溫度最低，達到臨界風速。通過比較可知，當風門全開啟時，風速2.5 m/s工況下最有利于井下人員逃生，相比于3.0 m/s風速更加經濟。

圖4 風門全開啟時不同風速下的各個監測點溫度Fig.4 Temperature at each monitoring point under different wind speeds when damper was fully open

2.2 能見度分析

由于巷道風速較大時可開啟全部風門，因此選取礦井下風速較低時的數值模擬數據，為探究風速為0.5，1.0，1.5 m/s時風門不同開啟程度下煙霧蔓延時的人員逃生情況，在人員逃生時眼鼻大致所在高度1.6 m處設置能見度切片。由于煙霧在200 s前后趨于穩定，故選取200 s時不同風門開啟時的數據，Tecplot軟件處理后能見度切片如圖5～7所示。

圖5 0.5 m/s風速下風門不同開啟程度時的能見度Fig.5 Visibility under different opening degrees of damper at 0.5 m/s wind speed

圖6 1.0 m/s風速下風門不同開啟程度時的能見度Fig.6 Visibility under different opening degrees of damper at 1.0 m/s wind speed

圖7 1.5 m/s風速下風門不同開啟程度時的能見度Fig.7 Visibility under different opening degrees of damper at 1.5 m/s wind speed

由圖5可知，當風速為0.5 m/s時，風門全開啟巷道內逃生段能見度處于2 m左右，并且能見度長時間處于4 m以下。當風門開啟3/4時，能見度有所提高但仍不足6 m；風門開啟到1/2時，火源附近25 m處能見度偏低，不足6 m，風門后方能見度提升10 m，風門的關閉障礙阻擋煙氣的同時也阻擋部分風流導致煙氣紊亂，但能見度顯著提升；當風門開啟1/4時，距離火源附近25 m處能見度高于風門開啟1/2時，能見度達到6 m以上，風門后方的位置，風門關閉阻擋煙氣的流動，能見度28 m，對人員逃生無任何影響，因此火災發生且風速較小時，風門左右開啟1/4最適合井下人員逃生。

由圖6可知，當風速為1.0 m/s時與圖5的風速為0.5 m/s類似，風門開啟1/4時最有利于人員的逃生。

由圖7可知，1.5 m/s風速下，風門開啟1/4，1/2時能見度最高，但風門開啟1/4時風門前方5 m處能見度突然降低且煙霧彌漫范圍較開啟1/2時大。因此，在巷道內風速1.5 m/s時風門開啟1/2最有利于人員逃生。

3 結論

1)當風速較小時，風門開啟1/4～1/2最適合人員的逃生。當風速低于1.5 m/s時，風門開啟1/4時巷道煙霧溫度、能見度最適合人員逃生；風速1.5 m/s時，風門開啟1/2時最有利于人員逃生；當風速高于1.5 m/s時，在人員逃生時風門應全部開啟，風門的關閉阻礙通風對煙氣流動的抑制作用，造成煙氣逆流。當人員逃生至一定位置后關閉風門可阻礙煙氣、高溫有毒有害氣體繼續蔓延。

2)當風速較大時，風門全開啟最有利與人員逃生。隨著風速增大，煙氣逆退距離縮短，超過臨界風速后煙氣逆退現象消失。2.5 m/s風速下各監測點最高溫度隨著火源距離的增大先快速降低后趨于室溫最終穩定。