基于FDS的風速對礦井火災蔓延規(guī)律的影響研究*

李 賀，田 麗，曾 鋼，魯 義，路潔心，施式亮

(湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

礦井火災是威脅礦山安全生產(chǎn)的五大災害之一[1]，具有突發(fā)性強、繼發(fā)性災害多、救援難度大等特點[2]。火災發(fā)生后產(chǎn)生的煙流攜帶大量熱量及有毒氣體，容易破壞井下作業(yè)設(shè)施，導致人員中毒或窒息，甚至引發(fā)瓦斯、粉塵爆炸等二次事故，嚴重危害礦井安全生產(chǎn)。礦井火災包括內(nèi)因火災和外因火災，我國90%的重大煤礦火災事故由外因火災引起，其造成的死亡人數(shù)約占總數(shù)的60%[3]。目前，對于礦井外因火災的研究主要包括火災實驗[4-5]及數(shù)值模擬等方面，對于礦井火災而言，現(xiàn)場實驗往往投入大且容易造成不可估量的后果，因此，數(shù)值模擬方法在礦井火災研究中優(yōu)越性顯著。

近年來，研究學者從各方面對礦井巷道火災進行了數(shù)值模擬研究[6-8]。張辛亥等[9]提出當火源在進風巷道時，及時采取反風措施能有效控制煙氣上流；張曉濤等[10]通過對比正常通風、加大通風量和開通排煙支路3種工況下的煙氣濃度和溫度情況，得出開通排煙支路能有效控制高溫煙氣逆流進入進風大巷且對工作面破壞最小的結(jié)論；齊慶杰等[11]針對礦井膠帶運輸巷火災進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，巷道縱向方向溫度分布規(guī)律受風速影響表現(xiàn)不同，頂棚附近溫度隨風速增加而降低，距底板1.5 m高度處溫度隨風速增加而升高；田水承等[12]研究了不同風速對礦井火災蔓延規(guī)律的影響，結(jié)果表明，3 m/s左右的風速最有利于井下人員逃生。上述研究僅是針對單一參數(shù)對礦井火災演變規(guī)律的影響，沒有考慮風速與火源功率共同作用下火災發(fā)展規(guī)律的變化，難以反映現(xiàn)場真實的火災情況。

鑒于此，本文將運用FDS火災動力學軟件，對不同風速及火源功率下巷道內(nèi)溫度、CO濃度、能見度等變化過程進行數(shù)值模擬，深入探討井下風速及火源功率變化對礦井火災蔓延規(guī)律的影響，從而掌握災變時期火災蔓延規(guī)律，為指導井下人員逃生及救援提供參考。

1 FDS軟件基礎(chǔ)

FDS是以火災中煙氣運動為主要模擬對象的場模擬軟件，采用數(shù)值方法求解熱驅(qū)動的低速流動N-S方程，主要通過流體力學中的控制方程求解，包括連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程組及組分方程等[13]。簡化的控制方程如下：

連續(xù)性方程如式(1)：

(1)

動量守恒方程如式(2)：

(2)

能量守恒方程如式(3)：

(3)

組分方程如式(4)：

(4)

2 模型構(gòu)建

2.1 工程概況

安源煤礦礦井現(xiàn)劃分為4個水平，一，二，三，四水平標高分別為+150 m，±0 m，-150 m，-300 m，現(xiàn)主要集中在四水平生產(chǎn)。選用四水平3204采區(qū)378工作面為研究對象，該工作面位于礦井西翼3204盤區(qū)3119膠帶道與3205平石門之間，走向長度為250 m，傾斜長度為80 m，工作面面積為20 000 m2，378出山復采工作面井下位置位于3119膠帶道和3117膠帶道之間，東邊以700 m保安煤柱線為界，西邊以3117補斗為界，上部有372下段采空區(qū)。其中進風巷長50 m、切眼長110 m、回風巷長30 m。井下通風線路為：新鮮風從四水平西大巷→3204液壓泵房→3204上山膠帶道→3117平膠帶道→3119上山膠帶道→3119平膠帶道→3119平石門→378出山溜子道→378出山復采工作面。乏風路線為：從378出山復采工作面→378出山風巷→3117膠帶道→3205絞車道→3205風橋。

2.2 網(wǎng)格劃分

由于FDS計算區(qū)域及內(nèi)部區(qū)域只能為長方體及其組合體，而巷道內(nèi)部截面又多為圓形或拱形，因此，在建模時對巷道內(nèi)部進行簡化，將其截面等效為面積相等的矩形來建立模型[14]。根據(jù)安源煤礦378工作面實際尺寸建立全尺寸模型如圖1所示，巷道截面均為2.5 m×2.5 m，于3119膠帶巷及3117膠帶巷各設(shè)置1個密閉風門，進風巷、切眼及回風巷均不設(shè)置風門，以保證巷道的正常通風。

圖1 巷道結(jié)構(gòu)Fig.1 Roadway structure

在FDS中，網(wǎng)格尺寸是需要設(shè)置的最關(guān)鍵的參數(shù)，其大小決定了計算結(jié)果的精確度和穩(wěn)定程度。網(wǎng)格尺寸的選擇還需考慮計算機性能及計算時間等因素[3]。FDS用戶手冊推薦了1種按式(5)進行計算的網(wǎng)格劃分方法[15]：

(5)

式中：D*為火災特征直徑，m；Q為火源熱釋放速率，kW；ρ∞為空氣密度，kg/m3；cp為空氣比熱，kJ/(kg·K)；T∞為空氣溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

本模擬取ρ∞=1.2 kg/m3，cp=1 kJ/(kg·K)，T∞=273 K，g=9.80 m/s2，火源熱釋放速率分別取3，6 MW，產(chǎn)煙率與CO生成率均為0.1。根據(jù)式(5)計算得火災特征直徑為1.536 264，2.027 112 m。研究表明，當網(wǎng)格尺寸為0.1D*或0.2D*時，模擬結(jié)果能夠較好地反映溫度的變化趨勢?？紤]到計算機性能和計算時間等因素，最終確定網(wǎng)格尺寸為0.2D*，即網(wǎng)格尺寸為0.4 m×0.4 m×0.4 m。

2.3 火源及工況設(shè)置

火災為工作面切眼處運輸膠帶和機電設(shè)備著火，根據(jù)式(5)計算得火源特征直徑為1.536 264 m，因此，設(shè)定火源大小為1.5 m×1.5 m，地點位于切眼路段偏中上，距進風巷29.3 m，距回風巷75.7 m，見圖1。礦井火災發(fā)展過程屬于t2火模型，如式(6)。

Q=at2

(6)

式中：a為增長系數(shù)，kW/s2；Q為火源功率，kW；t為時間，s。

根據(jù)t2火模型等級劃分，礦井外因火災屬于快速火，a取值0.046 89 kW/s2?；鹪垂β史謩e為3，6 MW。本模擬共設(shè)置6個測點，以火源為中心，每隔10 m設(shè)置1個測點，其中測點1～3在火源上風向，測點4～6在火源下風向。溫度、CO濃度、能見度切片設(shè)置在人眼特征高度(1.6 m)處。巷道風流方向設(shè)置為工作面切眼縱向通風，模型不設(shè)置噴淋裝置，模擬時間為900 s。

《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定，在運輸機巷、采區(qū)進、回風巷中，最高允許風速為6 m/s，最低允許風速為0.25 m/s[16]。為研究不同風速對巷道內(nèi)部火災蔓延規(guī)律的影響，結(jié)合《煤礦安全規(guī)程》中對礦井巷道內(nèi)通風安全的要求，設(shè)置8種工況，其中工況1～4火源功率均為3 MW，工況5～8火源功率均為6 MW，風速分別為0.25，1.25，2.25，3.25 m/s。除火源功率與風速，其他參數(shù)相同。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 巷道溫度演化規(guī)律

火災發(fā)生時，煙流中攜帶大量熱量，容易對井下人員皮膚及呼吸道造成熱損傷，破壞人體的體溫調(diào)節(jié)及新陳代謝，嚴重時會危害生命安全，同時煙霧顆粒的遮光性造成巷道內(nèi)能見度下降，嚴重影響人的視線，影響人員逃生及救援。因此，有必要對巷道內(nèi)溫度變化情況進行研究。以火源為中心，每隔10 m設(shè)置1個熱電偶，共計6個熱電偶以觀察溫度變化情況。各工況下各測點溫度變化如圖2～3所示。

圖2 火源功率為3 MW時溫度隨風速變化情況Fig.2 Change of temperature with wind speed under fire source power of 3 MW

圖3 火源功率為6 MW時溫度隨風速變化情況Fig.3 Change of temperature with wind speed under fire source power of 6 MW

由圖2～3可知，不同風速和火源功率對巷道內(nèi)各個測點溫度分布有顯著影響。在2種火源功率下，巷道溫度分布曲線趨勢大致相同?；馂陌l(fā)生后產(chǎn)生的高溫煙流沿著巷道縱向充分擴散，各測點溫度在火源未達到最大熱釋放速率前呈二次函數(shù)升高的趨勢，在火源達到最大熱釋放速率后緩慢升高至穩(wěn)定溫度。在此期間，距離火源越近，溫度升高的趨勢越明顯，穩(wěn)定溫度越高。緩慢升高至穩(wěn)定溫度后，由于煙流逆退，溫度呈二次函數(shù)迅速下降，之后再快速升高至最高溫度，然后再緩慢下降至穩(wěn)定溫度。這是由于巷道內(nèi)部燃料燃燒殆盡，受風壓和周圍環(huán)境的影響，巷道內(nèi)部逐漸冷卻，直到穩(wěn)定。

相同風速下，Q=6 MW時巷道溫度分布總體高于Q=3 MW時的巷道溫度，即在風速不變的情況下，火源功率越大，巷道溫度越高。在火源上風向，由于機械風壓的作用，溫度變化并不大。當火源功率為3 MW時，測點2煙流逆退時間隨著風速增加而增大，在風速為2.25 m/s時達到最大，隨后降低。說明當風速足夠大時，由于機械風壓大于火風壓作用，不發(fā)生煙流逆退現(xiàn)象；當火源功率為6 MW時，測點1～3溫度變化相較于3 MW時升高趨勢明顯，說明在相同風速下，火源功率越大，巷道內(nèi)火源上風向溫度升高越快，即火勢隨火源功率的增大而增長。同時還可以看出，在火源功率不變的情況下，火源上風向距離火源較近的測點2，3溫度波動劇烈，峰值變化尤其明顯，說明其溫度變化受風速影響最大。這是由于測點2，3處于上行巷道拐角處，上升火羽流在拐角處發(fā)生風流逆轉(zhuǎn)，導致高溫煙流在測點2，3附近大量集聚。當v=0.25 m/s時，2種火源功率下風向，即測點4～6的溫度變化相較于其他風速下變化較大，這是由于上升火羽流受風流影響擴散受阻，火勢及煙氣隨風流向下風向移動，高溫煙流在下風向大量集聚擴散，導致下風向溫度升高趨勢明顯。

3.2 CO濃度演化規(guī)律

CO是礦井火災產(chǎn)生的高溫煙流中的主要有毒有害氣體，大量的CO會導致井下人員窒息或中毒，嚴重危害生命安全。因此，探究井下火災發(fā)生后CO濃度演化規(guī)律，有利于深刻認識礦井火災蔓延規(guī)律。通過在同一高度設(shè)置CO濃度探測器，得出火災發(fā)生后巷道內(nèi)CO濃度的實時數(shù)據(jù)，各工況下各測點CO濃度變化如圖4～5所示。

由圖4～5可知，在2種火源功率下，巷道內(nèi)CO濃度分布曲線趨勢大致相同?；馂陌l(fā)生后測點CO濃度在火源未達到最大熱釋放速率前呈二次函數(shù)升高，在火源達到最大熱釋放速率后CO濃度緩慢升高至穩(wěn)定濃度。當火源達到最大熱釋放速率后，沿巷道方向CO濃度隨著距火源中心距離的增大而減小。受風流的影響，火源下風向距離火源分別為10，20，30 m的測點4，5，6最先檢測到CO，上風向距離火源10 m的測點1隨后檢測到CO。說明在風流的影響下，火災蔓延趨勢發(fā)生變化，火源下風向火災發(fā)展速度比上風向快。相同風速下，隨著火源功率的增大火災發(fā)展變快，CO濃度增加速率也隨之變快。相同火源功率下，4種風速的工況下CO濃度變化趨勢基本一致，其趨勢都是先迅速增加后波動至穩(wěn)定狀態(tài)。隨著火災的發(fā)展，上風向測點1處CO濃度值迅速增加，但隨著風速的增大，火源下風向距火源最近的測點4處CO濃度增加速率快于上風向測點1處，且風速越大，測點4處CO濃度增加速率越快，說明風速的增加促進了火災的發(fā)展。

圖4 火源功率為3 MW時CO濃度隨風速變化情況Fig.4 Change of CO concentration with wind speed under fire source power of 3 MW

圖5 火源功率為6 MW時CO濃度隨風速變化情況Fig.5 Change of CO concentration with wind speed under fire source power of 6 MW

所有工況下，測點4最先達到《金屬與非金屬礦山安全規(guī)程》的規(guī)定值(30 mg/m3)。火源功率為3 MW，v=2.25 m/s時火源上風向的測點2達到整個模擬過程中的最大CO濃度值0.007 9 kg/m3；火源功率為6 MW，v=1.25 m/s時測點2同樣達到模擬過程中的最大CO濃度值0.008 3 kg/m3。所有監(jiān)測點穩(wěn)定后的CO濃度值均高于規(guī)定值30 mg/m3，整個切眼巷道內(nèi)存在中毒的危險。

3.3 能見度演化規(guī)律

火災發(fā)生之后，燃燒生成的煙粒子對可見光有遮蔽作用，濃煙擴散會阻礙光傳播，降低礦井內(nèi)的可見度，影響井下工作人員的逃生[17]。火災時期，風速對煙氣蔓延時礦井能見度有較大影響。數(shù)值模擬結(jié)束后，對各工況下數(shù)值模擬出來的數(shù)據(jù)進行處理，在此選擇2種功率下火源達到最大熱釋放速率時的時間來觀察能見度變化情況，根據(jù)式(6)計算得2種火源功率下達到最大熱釋放速率的時間分別為253，358 s，即選擇253，358 s時觀察其能見度變化情況。其中各工況下火源達到最大熱釋放速率時各測點的能見度變化如圖6～7所示。

圖6 火源功率為3 MW，253 s時能見度隨風速變化情況Fig.6 Change of visibility with wind speed at 253 s under fire source power of 3 MW

圖7 火源功率為6 MW，358 s時能見度隨風速變化情況Fig.7 Change of visibility with wind speed at 358 s under fire source power of 6 MW

保證安全疏散的最大能見度距離稱為極限視程，當熟悉周邊環(huán)境，極限視程為5 m；當不熟悉周邊環(huán)境時，極限視程為30 m[1]?？紤]到工作人員對井下環(huán)境比較熟悉，在此選擇極限視程為5 m。當巷道內(nèi)能見度下降到5 m以下，根據(jù)通行難易程度系數(shù)及當量長度計算公式得出巷道可通行性安全系數(shù)為無窮大[18]，則計算得出的巷道當量長度也為無窮大，此時該巷道為絕不可通行巷道。

由圖6～7可知，火災發(fā)生后，巷道內(nèi)工作面切眼路段能見度迅速降為零，且距火源中心距離越近，能見度越先降為零?；鹪垂β蕿? MW，253 s時，工作面切眼路段在4種風速下能見度均下降到5 m以下，所以該路段為絕不可通行巷道。而3119膠帶巷路段只有部分路段能見度下降到5 m以下，且隨著風速的增大，3119膠帶巷能見度下降到5 m以下的路段長度越短。說明隨著風速增加，3119膠帶巷火災區(qū)域減小，即相同火源功率下，風速越大，火源上風向火災發(fā)展速度越慢，上風向巷道內(nèi)能見度降低的趨勢越慢。這是由于進風巷為火源上風向，該路段風流方向與火羽流方向相反，風流有效減緩了火勢的蔓延，且風速越大，火源上風向火災發(fā)展速度越慢，上風向火災區(qū)域越小，抑燃效果越明顯。而回風巷及3205上山路段則隨著風速的增加火災區(qū)域不斷擴大，這是由于回風巷及3205上山路段均為下風向，風流方向與火羽流方向相同，風速的增加加速了火災的燃燒，且風速越大助燃效果越明顯。當火源功率為6 MW時，整個回風巷路段均為不可通行巷道，相同風速下，進風巷及3205上山路段的火災區(qū)域均大于3 MW時的火災區(qū)域，說明相同風速下，火源功率越大，火源達到最大熱釋放速率時巷道內(nèi)能見度越低，能見度下降為不可通行巷道的火災區(qū)域越大，火勢燃燒越快，火災蔓延速度越快。

4 結(jié)論

1)基于安源煤礦378出山工作面建立的FDS礦井巷道火災燃燒模型，能夠直觀地反映巷道內(nèi)部火災的燃燒及發(fā)展過程，能夠定量地描述火災發(fā)生后巷道內(nèi)部的溫度、CO濃度及能見度等相關(guān)參數(shù)。

2)風速及火源功率對礦井巷道火災的溫度場、有毒有害氣體擴散及能見度變化影響顯著。風速一定時，火源功率越大，巷道內(nèi)溫度越高，相同位置CO濃度值增速越快，火源達到最大熱釋放速率時巷道內(nèi)能見度越低，且能見度降到零的火災區(qū)域越大；火源功率一定時，隨著風速增加，巷道內(nèi)溫度增加，CO 濃度值升高，能見度降低。

3)風速及火源功率對于礦井巷道內(nèi)火災蔓延有較大影響，火源速率的增大會加速火災蔓延，火災蔓延速率與風速成正比，但風速的增加只加速了下風向火災的發(fā)展，反而減緩了上風向火勢的蔓延。因此，在火災發(fā)生后可以適當采取反風措施，為井下人員逃生及救援增加時間。