風量對獨頭掘進巷道中部頂板火災影響研究

張軍亮，范鵬宏，秦 毅，張學亮

（1.山西工程技術學院，山西陽泉 045000；2.重慶科技學院安全工程學院，重慶 401331；3.中煤華晉集團晉城能源有限公司，山西晉城 048200）

單巷道掘進技術由于回收率高、維護容易，目前在我國煤礦井下應用廣泛。近年來掘進巷道火災時有發生[1]，當掘進巷道中部發生火災后，由于逃生通道唯一、空間受限，火災發生后，掘進巷道迎頭區域作業人員逃生路線受到阻礙，給救援工作帶來困難，作業人員長時間在高溫煙流的作用下生命會受到傷害[2]。

目前對煤礦井下巷道火災研究大多集中在兩端開口獨立通風的巷道條件下，且著火源均位于巷道底板[3-12]，隨著有機高分子材料和木材等被廣泛應用于封堵冒頂區域[13]，頂板火災在礦井時有發生[14]，如2019 年山東梁寶寺煤礦3306 掘進巷道就曾發生頂板火災事故，造成11 人被困，火源燃燒30 多h 風筒未燒斷[15]。由于人員被困而風筒未燒斷，常規下獨頭巷道中部火災著火需停風密閉的措施已不能采用，此時只有通過及時調節局部通風機風量來改善巷道環境，降低煙霧濃度，才能為被困人員生存和救援工作的開展創造有利的條件。由于火源的熱浮力作用，頂板火災和底板火災發生后煙流運動狀態勢必會有所不同，但現有文獻對該條件下火災研究甚少，與現實需求差距較大，存在大量問題亟需研究。為此，以煤礦火災事故為背景，針對獨頭巷道中部位置頂板發生火災后，模擬不同局部通風風量下巷道各火災參數分布的變化規律，為掘進工作面火災事故應急救援預案的制定提供數據支持和技術支撐。

1 流體動力學模型

PyroSim 軟件作為火災的專業模擬軟件，主要用于求解低速、熱驅動流動的Navier_Stokes 方程，選擇大渦模擬模型進行煙氣模擬，控制方程如下：

質量守恒定律：

氣體狀態方程：

式中：p 為氣體壓力，Pa；t 為時間，s；ρ 為氣體密度，kg/m3；u 為速度矢量，m/s；h 為顯焓，kJ；qm為單位體積的熱釋放速率，W/m3；qn為單位面積的熱釋放速率，W/m2；φ 為耗散函數；g 為重力加速度，取9.8 m/s2；f 為外部矢量，N；τij為牛頓流體黏性應力張量，Pa；Y 為氣體的質量分數；D 為組分擴散系數，m2/s；m?為化學反應凈生成率，kg/（m3·s）；υ 為氣體比體積，m3/kg；Rg為氣體常數，J/（kg·K）；T 為氣體溫度，K。

2 模型構建

2.1 模型及參數

模型構建參考里必礦某設計掘進面，以最典型的單巷掘進壓入式通風為例，掘進巷道模型圖如圖1。

圖1 掘進巷道模型圖Fig.1 Model of heading face roadway

掘進巷道模型長100 m、寬4 m、高3 m，局部通風機所在主巷道長20 m、寬4 m、高3 m，巷道中左上角布置有風筒，由于FDS 計算區域單元只能為長方體，故將圓形風筒斷面簡化為0.8 m×0.8 m 方形，風筒出風口距掘進面迎頭5 m，風機設置在距掘進巷道回風口10 m 處。對模型進行網格劃分，根據火源直徑特征公式計算[16]，取網格設定尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m，網格總數195 000，迎頭邊壁設置為煤，其它巷道邊壁設置為混凝土壁面，環境溫度設置為20 ℃。

2.2 火源場景及測點

冒頂區域填充材料常以有機高分子材料和木板為主，研究火源燃燒反應采用FDS 軟件內設置的木材燃燒反應，由于考慮的是中部火災未引起風筒燒毀的情況，火災規模小，參照文獻[15，17]中對火源功率的設置，采用t2火災增長模型，火災增長系數為0.046 89 kW/s2，當增至1 MW 時維持恒定。火源設置在巷道中部頂板處，距迎頭和回風口均為50 m。考慮到工人平均身高和巷道底板底鼓及鋪設軌道等因素，傳感器布置示意圖如圖2。

圖2 傳感器布置示意圖Fig.2 Location of sensors

在高2 m 處，沿縱向每間隔10 m 設置1 列熱電偶、CO 傳感器、能見度探測器，此外，為研究火災后火源附近火災參數分布情況，在火源下方沿垂直方向每隔0.2 m 設置1 列溫度傳感器、能見度探測器。

2.3 模擬工況

在礦井火災發生后，通過增大局部通風量，可有效控制火煙分布，改善被困人員所處掘進頭地點的生存環境。在風量設置上，參考所研究礦井實際供風量450 m3/min，《煤礦安全規程》規定掘進煤巷中風速應控制在0.25～4 m/s（對應該模型風量為180～2 880 m3/min），但考慮到現有局部通風機最大風量為1 900 m3/min[18]，故設定實際供風量的0.5 倍遞增進行設置工況，即450、675、900、1 125、1 350、1 575、1 800 m3/min 7 種風量工況。考慮人員緊急災害時疏散需要較長時間，設模擬時間為900 s。

3 模擬結果

3.1 風量對煙流分布的影響

各風量條件下900 s 時煙流擴散分布云圖如圖3。

圖3 各風量條件下900 s 時煙流擴散分布云圖Fig.3 Smoke distribution under different air volume conditions

從圖3 中可知，頂板火源產生的煙流并未出現底板等低處火災的上升火煙羽流現象，而是直接沿著頂板向上風流迎頭方向和下風向掘進巷道出口方向運動，且在巷道垂向上有清晰的煙流層和空氣層界面，頂板火災在逃生路徑或救援路徑上無需考慮底板火災能否跨越火源障礙的問題，這為頂板火災救援創造了一定的有利條件。

分析煙流運動情況，向上風向運動的煙流在逆退一段距離后受來自風筒風流壓力和巷道壁面阻力等作用力的影響，煙流停止了向上風向逆退，轉而下沉與新鮮風流邊混合邊向火源和出口方向運動，在火災發展穩定后，巷道煙流以火源為中心呈不對稱分布，下風向巷道煙流充滿而上風向只在靠近火源一定距離有煙流分布，這樣在迎頭附近一定范圍內就存在1 個新鮮風流區域，為受困人員提供了一個良好避災空間，當風量增至1 575 m3/min，煙流產生后直接向下風向流動，無逆退現象。

對比不同風量條件下的煙流云圖，從煙流厚度考慮，風量越大，煙流厚度越小，煙流越集中頂板附近，靠近底板處的煙流濃度越低，這為人員逃生提供了較好的條件。統計450～1 800 m3/min 風量下對應的最大逆退距離分別為35.1、22.0、15.5、9.6、6.1、0 m，通過對前5 組數據擬合得出的逆退距離與風量的關系如圖4。

圖4 逆退距離與風量變化關系Fig.4 Relationship between reverse retreat distance and air volume change

由此可得出臨界風量為1 565.5 m3/min，與實驗結果較為吻合，可為相同工況條件下的礦井火焰分布預測提供預測作用。下風向方向，煙流從火源開始到出口時間分別為34、30、26、22、20、17.5、16 s，可知風量越小，逆退距離越大，排煙時間越長。

3.2 風量對溫度分布的影響

不同風量條件下2 m 高處在900 s 時縱向各點平均溫度分布情況如圖5。

圖5 各風量條件下2 m 高處縱向溫度分布圖Fig.5 Longitudinal temperature distribution at 2 m height under different air volume conditions

由圖5 可知，各通風情況下，火源附近溫度最高，隨著距火源距離的增加，各點溫度迅速降低，但火源兩側降低呈現出不對稱性，其中迎頭側存在1個高溫區和1 個環境溫度區，而出口側各點溫度則處在一定高溫范圍內，差別不大。分析上述現象原因：在火源上風向，由于來自迎頭風筒口的風筒風量溫度低，且在風量的作用下，阻止了高溫煙流的逆退，這樣在煙流前鋒處至迎頭這一區域內由于未受高溫煙流影響，溫度仍與環境溫度近似；逆退的高溫煙流重新流向火源，增加了火源上風向的溫度，造成火源至上風向最遠逆退距離內煙流的溫度較高；在火源下風向，燃燒產生的高溫煙流流經整個巷道時，不斷與風筒吹出的空氣和巷道邊壁產生熱交換，距火源距離越遠，熱交換越充分而溫度越低。此外，風量增大可擴大環境溫度區的范圍，為被困人員生存創造有利條件。

在圖5 中對比不同風量條件下的溫度變化，可知隨著風量的增加，各點溫度不斷下降，其中火源處溫度下降最顯著，在風量為1 800 m3/min 時溫度甚至低于40 ℃。在火源上風向，隨著風量的增加，受風流對逆退煙流控制作用增強，高溫區域范圍逐漸減小。在風量為450～900 m3/min 時，可觀察到上風向溫度呈現先增加后降低再增加的變化，這是由于煙流前鋒在受到風流阻退后向下卷吸空氣，致使在前鋒所在位置2 m 高度處的溫度升高，但隨著高溫煙流向火源移動，與新鮮冷空氣不斷混合使得溫度又略有下降，而到火源附近受火源加熱溫度又再次升高；而在風量為1 125 和1 350 m3/min 時，由于逆退距離較小，向下卷吸煙流的熱作用影響遠小于火源的影響，溫度呈現出單一增加的變化趨勢；當風量繼續增大至1 575 m3/min 后，上風向溫度基本維持常溫不變。在火源下風向，在風量為450 m3/min 時，下風向溫度呈降低趨勢，這是由于較小的風量條件下，煙流逆退距離大，在巷道中流動速度慢，逆退煙流重新流向下游出口過程中能夠與新鮮空氣充分混合和熱交換，下風向的掘進巷道中煙流與邊壁的散熱起主導作用，故而溫度呈單一下降趨勢。其它各風量條件下溫度沿風向基本呈小幅增加趨勢，直至出口附近略有降低，說明此范圍內，煙流沿途與新鮮風流的熱交換占主要作用，使得空氣溫度不斷升高，而在出口處受巷道入口新鮮風流和煙流與巷道邊壁的散熱影響，溫度才有所降低。借鑒美國NFPA 標準，人員承受極限溫度為60 ℃[19]，可知人員逃生時需最小通風量為1 350 m3/min。

不同風量條件下垂向各點平均溫度分布情況如圖6。

圖6 各風量條件下火源下方垂向溫度分布圖Fig.6 Vertical temperature distribution below fire source under different air volume conditions

由圖6 可知，各風量條件下，溫度分布從底板到頂板可分為“不變區-急變區”，急變區溫度呈近指數變化。在底板附近，氣體溫度主要受回流高溫煙流熱交換影響，但這一作用影響較小，故而溫度增加緩慢，而在距火源較近的高處為高溫煙流集中區且火源的熱作用起主導作用，因此溫度急劇上升。對比不同風量條件，當高度小于1.7 m 時，風量越大，煙流逆退距離越小，熱交換越不充分，溫度越低；當高度大于1.7 m 時，若通風量低于臨界風量，各點溫度迅速升高，溫度大小取決于煙流和新鮮空氣間的擴散、逆退煙流卷吸空氣的多少及回流至火源下方的時間、煙流與巷道邊壁熱交換以及火源加熱等因素綜合作用的結果，而當風量增大至1 575 m3/min 時，煙流已無逆退，高溫煙流直接流向了下風向，火源點附近氣溫主要決定于火源加熱作用，因此只有在火源附近溫度才開始突增，但對比1 575、1 800 m3/min 2 種風量下溫度曲線可知，增大風量仍有助于增加低溫區域高度范圍。

3.3 風量對CO 體積分數分布的影響

不同風量條件下900 s 時2 m 高處CO 平均體積分數沿縱向分布情況如圖7。

圖7 各風量下2 m 高處CO 平均體積分數縱向分布圖Fig.7 Longitudinal distribution of CO concentration at 2 m height under various air volume conditions

由圖7 可知，各風量下CO 體積分數在煙流前鋒處最高，煙流在向出口運動過程中由于不斷擴散，體積分數迅速降低。CO 體積分數峰值隨風量增加呈現先增加后降低的趨勢，在1 125 m3/min 風量下最大，為63.4×10-6。這是因為同功率下火源CO 生產量不變，風量小時，煙流逆退越遠，擴散范圍越大，體積分數低，而風量大時，CO 又被新鮮風流所稀釋，體積分數降低，因此存在中間某風量時，體積分數峰值最大。

當風量低于臨界風量時，峰值位置在火源上風向煙流前鋒后一定距離處，隨著風量的增加，CO 體積分數峰值位置向下風向移動。當風量大于1 575 m3/min 時，產生的CO 直接隨風流流向出口，峰值位置位于下風向，當風量繼續增大，峰值位置向出風口附近移動。在火煙向出口運動過程中，由于高處的煙流逐漸下沉、擴散，使得各風量條件下2 m 高度處CO 體積分數增加，但這種增加較為緩慢，下風向各點CO 體積分數差別不大，在出口處則受主巷道風流影響，CO 體積分數有所降低，此外隨著風筒風量的增加，CO 稀釋作用加強，CO 平均體積分數逐漸降低。參考《煤礦安全規程》規定CO 體積分數不超過24×10-6，可知最小通風量需為1 350 m3/min。

3.4 風量對能見度分布的影響

不同風量條件下900 s 時2 m 高處能見度的分布情況如圖8。各風量條件下火源下方能見度隨高度分布情況如圖9。

圖8 各風量條件下2 m 高處縱向能見度分布圖Fig.8 Longitudinal distribution of visibility at 2 m height under various air volume conditions

圖9 各風量條件下垂向能見度分布圖Fig.9 Vertical distribution of visibility under different air volume conditions

由圖8 可知，當風量低于臨界風速時，在逆退煙流影響區域，隨著風量的降低，最低能見度逐漸減小，能見度呈現出由“V”型向“L”型分布變化的趨勢，這是因為風量越低，對煙流的稀釋和控制作用減弱，煙流向下方擴散越充分。分析最低能見度位置并未出現在火源下方，在火源上風向能見度最低，其變化規律與CO 體積分數峰值位置變化規律相似；在下風向，當風量較小（如450 m3/min）時，各點能見度值基本不變，說明風量較小時，在此區域煙霧已基本擴散均勻。對比各風量下能見度的變化，隨著風量的增加，煙流的稀釋作用加強，巷道各點能見度開始升高。當風量大于1 575 m3/min 時，2 m 高處的能見度在火災發生前后基本不變。參照《中國消防手冊》，人員疏散能見度需大于10 m，則風機供風量至少需大于1 125 m3/min。

由圖9 可知，由于高溫煙流的上浮作用，能見度隨高度增加呈降低趨勢。大風量（大于1 125 m3/min）通風情況下，在底板附近一定高度范圍內，能見度與火災前比未發生改變，當增至一定高度后，能見度才開始降低，在高度大于2.4 m 區域，由于高處煙流擴散分布較均勻，能見度基本不變，因此可將大風量下的能見度從低到高分為“未影響區-漸減區-煙流穩定區”，隨著風量增加漸減區的范圍會逐漸向低處擴展，而未影響區消失。由此可知，風量越大，巷道能見度越高，可為人員沿巷道逃生創造越有利的條件。

4 結 論

1）在頂板發生火災后，無上升羽流現象，煙流直接沿頂板向巷道兩端射流，當風量較小時，獨頭掘進巷道煙流有逆退現象，煙流以火源為中心呈不對稱分布。隨局部通風風量增加，煙流逆退距離和煙流厚度逐漸減小，煙流在巷道分布達到穩定時間越短。

2）頂板火災穩定后，當存在煙流逆退時，沿縱向方向，靠迎頭方向存在1 個環境溫度區和1 個高溫煙流區，能見度沿縱向呈現出由“V”型向“L”型分布變化的趨勢。2 m 高處CO 體積分數和能見度峰值在煙流前鋒后一定區域，溫度峰值在火源下方，而靠出口方向，各參數整體較為穩定。

3）隨著風量的增加，巷道內2 m 高處溫度峰值逐漸減小、能見度峰值逐漸增加，而CO 體積分數峰值卻曾先增加后降低的變化，但三者峰值位置均向出口方向移動，且風量越大，下風向巷道內各點參數越小。

4）在火源下方，隨高度的增加，溫度分布由低到高可分為“不變區-急變區”，急變區呈現出近指數分布形式，大風量下的能見度從低到高可分為“未影響區-漸減區-煙流穩定區”，隨著風量增加漸減區的范圍會逐漸向低處擴展導致未影響區消失。

5）從人員逃生角度，在火源功率為1 MW 時，通風量越大越有利于逃生，模擬情況中，局部通風風量為1 350 m3/min 時即可滿足逃生條件。