海拔高度對礦井無軌運輸車輛火災影響模擬研究*

耿 萌，劉 劍，王 東

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院,遼寧 葫蘆島 125105；2.遼寧工程技術大學 礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 葫蘆島 125105)

0 引言

在現階段的煤炭開采中，埋藏淺部煤炭資源可開采的儲量逐漸減少，因此向高海拔地區開采礦產資源的發展態勢越發明顯[1-2]。而高海拔地區空氣稀薄，低溫缺氧，氣壓低，導致高海拔地區火災發展規律不同于低海拔地區[3-4]，因此，進一步明確高海拔地區的礦井火災發展規律對開展火災防治工作具有重要的現實意義。

近年來，國內外學者對礦井火災時期巷道內煙氣流動規律進行大量模擬研究：文獻[5]通過數值模擬與SIMPLE算法相結合的方式，研究火災巷道內煙氣溫度場的分布情況；文獻[6-7]利用數值模擬的方法，分別研究傾斜巷道、水平巷道內煙氣逆流層的變化規律；文獻[8]應用TF1M3D仿真軟件及實驗的方法對真實礦井火災進行研究，確定下行風巷道內風流紊亂的規律；文獻[9]模擬研究巷道火災時期，煙氣速度場、溫度場以及瓦斯分布隨入口風速的變化規律；文獻[10]利用風門的開合對巷道內的風流進行控制，模擬火災時期采取控制措施前后巷道內CO濃度、煙氣密度、溫度及煙氣速度的變化情況，并設計相應的遠程自動控制系統；文獻[11]通過控制變量的方式分別研究入口風速、火區溫度及巷道傾角對煙氣逆退與臨界風速的影響情況。

目前，已有文獻主要集中于對低海拔礦井火災發展規律的研究，而對高海拔地區的礦井火災研究較少。本文應用數值模擬方法，建立實際尺寸的巷道火災模型，在一定程度上還原無軌運輸車輛火災的動態燃燒過程，通過研究不同海拔高度下無軌運輸設備的燃燒特性、巷道內煙氣運移情況、溫度分布與CO濃度的變化規律，為高海拔地區的礦井火災的研究工作提供參考依據。

1 高海拔礦井火災模型的建立

1.1 數學模型

實際的無軌運輸車輛火災是1個動態復雜的燃燒過程，主要包括煙氣組分變化及高溫煙流在流動過程中的傳熱、傳質現象[12]。針對本文所研究的問題，現提出如下假設：

1)火災發生前，巷道內的風流為定常流動，巷道壁面溫度恒定，且與風流溫度相等；

2)燃燒產生的煙氣為多組分的理想氣體；

3)火災時期，煙氣的流動過程為可壓縮風流的不可壓縮流動；

4)高溫煙流在向火源上/下風側流動時，不再發生化學反應。

在對可燃物燃燒過程進行計算求解時，需遵守流體力學的基本守恒定律。

質量守恒方程如式(1)所示：

(1)

動量守恒方程如式(2)所示：

(2)

能量守恒方程如式(3)所示：

(3)

組分守恒方程如式(4)所示：

(4)

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；t為時間，s；u為速度，m/s；為哈密頓算子；f為施加在流體上的外力矢量，kg/(s2·m)；P為壓力，Pa；τ為黏性力張量，kg/(s2·m)；g為重力加速度，m/s2；w為渦度；h為比焓，kJ；qr為熱輻射通量，kW/m2；T為溫度，K；k為導熱系數，W/(m2·K)；i為第i種組分；Yi為質量分數；Di為擴散系數，為質量生成速率，kg/(s·m3)；hi為第i種組分的比焓，kJ。

1.2 無軌運輸車輛火災模型的建立

所選取的下行通風巷道模型長190 m，寬4.5 m，高4.6 m，巷道傾角設為14°。巷道壁面材質設置為混凝土，斷面設置為直墻半圓拱，其中墻高2.3 m。采用抽出式通風方法，巷道右側為出風口，入口初始風速為v=1 m/s。巷道模型如圖1所示。

圖1 巷道模型Fig.1 Roadway model

1.3 火源設置

無軌運輸設備燃燒的主要物質為油料，因此，不對車輛金屬結構進行建模，將其簡化為油料模型，放置在距入口105 m處的巷道底板中軸線處，尺寸為0.6 m×0.6 m×0.4 m，在其上方設置1個高溫熱源將其點燃，應用液體燃料的熱解模型來實現火焰傳播。現定義油料的各項熱性質描述含炭燃料的傳熱與熱解，其熱物性參數見表1。

表1 油料的熱物性參數Table 1 Thermophysical parameters of oil

1.4 網格劃分及邊界條件的設置

網格尺寸的劃分決定了數值模擬的準確性，不同網格尺寸下燃燒物附近煙氣溫度分布情況如圖2所示。由圖2可知，隨著網格尺寸的減小，火源附近煙氣的溫度值逐漸升高，但變化幅度逐漸減小。當網格尺寸為0.2 m時，其火區內煙氣溫度與網格尺寸為0.15 m時相差較小。綜合考慮模擬時間與精度，確定網格尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m，網格總數為793 800。

圖2 不同網格尺寸下煙氣溫度變化情況Fig.2 Change of smoke temperature under different grid sizes

在發生火災前，單純進行巷道內通風模擬，當巷道內各點風壓達到穩定時期再進行點火[13]，滿足前文假設中的定常流動。經試驗驗證，預通風時間為500 s，總模擬時間為2 500 s。各工況下的初始邊界設置見表2。

表2 邊界條件設置參數Table 2 Parameters of boundary conditions setting

1.5 測點及切片設置

巷道火災時期，高溫煙流在浮升力的作用下主要積聚在巷道頂板處。因此，在火源附近的頂板處布置煙氣參數測點，以燃料為中心點，在其兩側每隔1 m布置1個測點用來監測各項煙氣參數。同時，為觀測火災時期CO濃度在巷道垂向上的分布規律，分別設置相應的切片，用以觀測其分布情況。測點分布如圖3所示。

圖3 測點布置Fig.3 Layout of measuring points

2 模擬結果及分析

2.1 巷道內火災煙氣運移情況

不同發展階段下巷道火災煙氣蔓延情況如圖4所示。由圖4可知，由于受機械風壓的橫向推力作用，燃燒生成的煙氣羽流向下風側偏移。在火災發展60 s時，各海拔高度下的高溫煙氣主要沿頂板向火源下風側開始運移；隨著火勢的發展，燃燒產生大量的高溫煙流在火源上方的頂板處不斷積聚，使得其頂板處壓力逐漸增加，此時風流開始出現沿頂板向上風側流動的趨勢。

圖4 不同時期巷道內火災煙氣運移情況Fig.4 Fire smoke migration in roadways in different periods

當t=120 s時，低海拔地區的巷道內最先發生煙流逆退。隨著燃燒的進行，各海拔高度下巷道內煙流逆退的距離不斷增加，且低海拔地區巷道內煙氣逆退的速度更快。

當t=360 s時，海拔高度0 m時巷道內煙氣的逆退距離最長約68 m；海拔高度5 000 m時，煙氣逆推距離最短約46 m，降幅達到32.4%。顯然，煙氣逆退的距離隨海拔的升高呈現出遞減的趨勢。

出現上述現象的主要原因是高海拔地區大氣稀薄，整體氧氣含量較低。當巷道內風量與可燃物尺寸確定時，高海拔地區井巷內可燃物的燃燒速率相對較慢，單位時間內放出的熱量少。此外，由于高寒地區空氣密度小，造成空氣卷吸量減小,產煙量不足，火羽流受浮升力作用減弱，因此蔓延速度降低。

2.2 可燃物的熱釋放速率隨海拔高度的變化規律

熱釋放速率作為分析火災規模的重要參數，其數值的大小直接影響著各項模擬結果。通過監測火源處的燃燒情況，得出不同海拔高度下無軌運輸設備實際燃燒時熱釋放速率的變化規律及熱釋放速率達到峰值的時間，對比結果如圖5～6所示。

圖5 可燃物的熱釋放速率變化曲線Fig.5 Change curves of heat release rate of combustibles

圖5結合圖6可知，海拔越高，火源達到最大熱釋放速率所需的時間越長，可燃物燃燒的越久。海拔高度0 m時，火源達到最大熱釋放速率約需890 s，可燃物燃盡大概需要1 510 s；海拔5 000 m時，火源達到最大熱釋放速率約需1 060 s，可燃物燃盡的時間約為1 850 s。模擬結果驗證海拔越高，可燃物的燃燒速率越慢，火源的熱釋放速率越小。

圖6 可燃物的最大熱釋放速率及其達到的時間Fig.6 Maximum heat release rate of combustibles and time to reach

2.3 煙氣最高溫度隨海拔高度變化情況

各海拔高度下，火災煙氣的溫度峰值在巷道縱向上的分布情況如圖7所示。由圖7可知，可燃物燃燒時巷道頂板處煙氣的溫度峰值隨海拔的升高而降低。其中，海拔高度為0，1 700，3 000，4 000，5 000 m時，在火源下風側2 m處燃燒產生的最高溫度分別為1 078，1 049，1 019，971，945 ℃。

圖7 各海拔高度下煙氣溫度峰值變化規律Fig.7 Change of peak smoke temperature values under various altitudes

在火源兩側的對稱位置處，下風側各位置處煙氣的最高溫度要略高于上風側等距測點的最高溫度，且火源上風側煙氣的最高溫度隨著與火源距離的增加，溫度降幅逐漸減小。由于存在機械風壓的橫向推力作用，各海拔高度下煙氣的溫度峰值點會向火源下風側發生偏移，偏移距離約2～3 m。

為定量分析海拔高度與煙氣溫度峰值的關系，繪制散點圖并進行數據擬合，擬合結果如圖8所示。由圖8可知，火災時期巷道內煙氣的最高溫度隨海拔高度的升高呈現出線性降低的趨勢。且海拔每升高1 000 m，煙氣的溫度峰值約下降3%。

圖8 海拔高度與火災煙氣溫度峰值的擬合關系Fig.8 Fitting relationship between altitude and peak fire smoke temperature

2.4 CO濃度隨海拔高度變化情況

模擬得出礦井火災時期各海拔高度下巷道頂板處CO濃度變化規律，如圖9所示。由圖9可知，礦井火災時期，巷道頂板處CO濃度隨海拔的升高而降低。其中，海拔高度為0，1 700，3 000，4 000，5 000 m時，火源下風側2 m處燃燒產生的CO濃度最高，其濃度值分別為1 182×10-6，1 179×10-6，1 155×10-6，1 147×10-6，1 137×10-6mol/mol。由文獻[14-15]可知，當CO濃度超過500×10-6mol/mol時，會造成人員中毒甚至死亡。由此可見，低海拔地區的礦井在發生火災時，CO的生成量更多，對于人員的逃生和救援難度更大。造成高海拔地區CO生成量較低的主要原因是高海拔地區燃燒速率低，煙氣總生成量降低，煙氣組分中的一氧化碳含量也隨之降低。

圖9 各海拔高度下CO濃度變化規律Fig.9 Change of CO concentration under various altitudes

通過繪制散點圖并進行數據擬合后得出礦井火災時期，CO濃度隨海拔高度的變化情況，如圖10所示。由圖10可知，火災時期巷道內CO濃度均隨海拔高度的升高而呈線性降低趨勢。且海拔每升高1 000 m，CO濃度約降低0.98%。

圖10 海拔高度與CO濃度的擬合關系Fig.10 Fitting relationship between altitude and CO concentration

巷道垂向斷面上CO濃度的分布云圖如圖11所示。由圖11可知，巷道內的CO濃度在其垂向上均呈現出分層分布，且由于浮升力的作用，高溫風流主要聚集在巷道拱頂處。隨著海拔高度的增加，巷道頂板處CO的污染區域逐漸減小。對于同一海拔高度，下行風巷道內火源的下風側CO的污染區域要明顯大于上風側。其中，上風側10 m處CO主要集中在拱頂部位，火源處的CO主要分布在拱頂及其兩側，下風側10 m處的CO幾乎布滿整條巷道。因此，下行風火災巷道內CO對火源下風側人員的影響要大于上風側，且隨著海拔的升高，CO濃度在巷道垂向斷面上的分布范圍逐漸減小。

圖11 巷道垂向斷面上CO濃度分布云圖Fig.11 Cloud map of CO concentration distribution on vertical sections of roadway

3 結論

1)巷道內火災煙氣的逆退距離隨海拔高度的升高而減小，海拔高度為5 000 m時煙流逆退距離較海拔0 m降低32.4%。因此，在礦井火災時期，低海拔地區巷道內火源上風側高溫煙氣對人員的威脅要遠高于高海拔地區。

2)隨著海拔高度的升高，可燃物的燃燒特性變化明顯。高海地區低壓低氧的環境可降低燃料的熱解速率，且可燃物燃燒產生的熱釋放速率要小于低海拔地區，可燃物的燃燒時間更長。

3)巷道內煙氣的溫度峰值與CO濃度均隨海拔的升高而降低，且均與海拔高度大致呈線性函數關系，海拔每升高1 000 m，煙流最高溫度降低3%，CO濃度降低0.98%。由CO濃度分布云圖可知，CO濃度在垂向上分布呈現出分層現象，具有“上高下低”的分布規律，且隨著海拔高度的增大，CO的污染區域逐漸減小。