基于礦井三維通風(fēng)的火災(zāi)模擬研究

＊田曉波

（中煤大同能源有限責(zé)任公司塔山煤礦 山西 037000）

礦井火災(zāi)是傳統(tǒng)的煤礦五大災(zāi)害之一，煤礦一旦發(fā)生火災(zāi)，危險極大。據(jù)不完全統(tǒng)計，2017—2022年我國煤礦企業(yè)共發(fā)生8起井下火災(zāi)事故，死亡人員高達86人，而在礦井火災(zāi)中遇難的人員，90%以上是因CO中毒而死亡。所以準(zhǔn)確把握好火災(zāi)時期CO氣體的擴散趨勢與擴散時間，及時通知井下附近工作人員正確撤離，能夠保證礦井安全生產(chǎn)[1]。

因此模擬井下火災(zāi)，確定一定時間內(nèi)CO氣體的蔓延方向，從而判定井下不同位置發(fā)生火災(zāi)時的安全空間顯得尤為重要。Ventsim三維通風(fēng)仿真模擬軟件是礦井通風(fēng)及火災(zāi)研究領(lǐng)域使用最廣泛的軟件之一，包含通風(fēng)風(fēng)網(wǎng)解算及通風(fēng)動態(tài)模擬等多種功能，對礦井通風(fēng)調(diào)節(jié)起到重要作用。本文采用Ventsim軟件對井下火災(zāi)進行模擬，對污染CO氣體擴散方向與各巷道濃度進行相關(guān)研究與分析，為救援方案提供理論依據(jù)[2-4]。

1.中煤塔山三維通風(fēng)系統(tǒng)模擬

(1)中煤塔山礦井30503工作面概況

中煤塔山礦井30503工作面走向長1869.48m，傾向長198.3m，布置在3～5#煤層，供風(fēng)量為2230m3/min，盤區(qū)布置有三條大巷，分別為1045回風(fēng)大巷，沿煤層頂板布置，專用于回風(fēng)；1045皮帶大巷，主要用于煤炭運輸；1045輔助運輸大巷，用于進風(fēng)、運輸人員、材料、設(shè)備等，三條大巷的方位角為99°25'09''。在大巷北翼，布置30503工作面。該工作面通風(fēng)是全負壓通風(fēng)系統(tǒng)，采用一進兩回“U”型的通風(fēng)方式，即布置膠帶順槽、回風(fēng)順槽，均沿3～5號煤層底板布置。

(2)建立中煤塔山礦井三維礦井通風(fēng)系統(tǒng)

如圖1所示，通過Ventsim軟件繪制了中煤塔山礦井三維立體通風(fēng)系統(tǒng)圖，然后將礦井相關(guān)參數(shù)按1:1還原中煤塔山礦的通風(fēng)系統(tǒng)。由于礦井火災(zāi)產(chǎn)生的主要有害氣體是CO，因此通過合理運用Ventsim軟件的污染源模擬功能，以中煤塔山礦三維通風(fēng)系統(tǒng)圖為基礎(chǔ)進行井下火災(zāi)中有害氣體模擬，從而獲得相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析[5-6]。

圖1 中煤塔山礦井三維立體通風(fēng)系統(tǒng)圖

2.礦井火災(zāi)模擬條件

由于井下火災(zāi)發(fā)生地點以及火災(zāi)的發(fā)展過程具有隨機性，為了簡化，本文根據(jù)中煤塔山礦井的實際情況，給出了以下幾點模擬條件[7-8]：

(1)燃燒地點的選擇

①選取采煤工作面為火災(zāi)用風(fēng)研究地點，采煤工作面煤質(zhì)主要為高熱值煤，易發(fā)生自燃，因此選擇采煤工作面為用風(fēng)研究地點。

②選取回風(fēng)巷道為火災(zāi)回風(fēng)研究地點，礦井回風(fēng)有運煤皮帶，易發(fā)生火災(zāi)，因此選擇回風(fēng)巷為回風(fēng)研究地點。

本文選擇30503綜放工作面及其回風(fēng)巷進行研究。火災(zāi)地點選擇的位置如圖2所示。

圖2 火災(zāi)地點示意圖

(2)火災(zāi)場景假設(shè)

①假設(shè)礦井巷道無漏風(fēng)，礦井中的各類裝置都正常工作。

②假設(shè)燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)熈髟谙锏纼?nèi)流動不再發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

(3)燃燒參數(shù)設(shè)置

①燃燒條件設(shè)置

本文選取的研究地點為礦井采煤工作面，距離很短，所處環(huán)境極為相似，因此在對采煤工作面進行模擬時，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)定為相同的值。因為火災(zāi)產(chǎn)生大量煙氣、CO等污染氣體，因此轉(zhuǎn)化為污染物模擬，做穩(wěn)態(tài)與線性衰減模擬。穩(wěn)態(tài)模擬設(shè)置是在污染源濃度模擬設(shè)置后，各巷道按照擴散比例在一段時間內(nèi)污染物濃度達到峰值的過程，而線性衰減模擬則是污染物濃度從開始增長至達到峰值再到衰減為零的過程。

井下火災(zāi)燃燒的最長時間為2500s，為了使實驗數(shù)據(jù)更合理，模擬時間適當(dāng)延長，取3600s。

他常常一坐就是許久，混沌的眼珠望著庭中空蕩蕩的一方似在想著什么，是想這原來的花呢，還是栽花的人？我總是在心里問著，為什么把花搬走了呢，看著那空蕩蕩的一塊總覺得心里硌得慌。人來人往，沒有誰停下看他一眼，人來人往，他也不曾看誰一眼，原來，沉默不是冷漠。

②污染源濃度設(shè)置

煤炭燃燒后產(chǎn)生的大量有害污染氣體中CO是濃度最高且危害性最大的一種，因此設(shè)置實驗?zāi)M污染源處CO濃度為500g/m3、1000g/m3、1500g/m3。由于模擬結(jié)果僅CO氣體濃度有差異，因此本文僅以CO濃度1000g/m3做深入研究。

3.模擬結(jié)果

經(jīng)過Ventsim軟件的污染物模擬，得到了污染氣流的擴散數(shù)據(jù)，對火災(zāi)發(fā)生地點至總回風(fēng)CO濃度數(shù)據(jù)進行分析。

(1)穩(wěn)態(tài)模擬下CO濃度分析

穩(wěn)態(tài)下模擬如圖3所示，當(dāng)30503采煤工作面發(fā)生火災(zāi)時，污染氣體擴散沿進風(fēng)方向至總回風(fēng)濃度逐漸降低，產(chǎn)生的大量污染氣體CO首先通過30503回風(fēng)順槽回風(fēng)上山進入1045水平回風(fēng)大巷。在1075水平回風(fēng)大巷與1045水平回風(fēng)大巷聯(lián)絡(luò)巷處CO氣體分流，同時進入南北回風(fēng)巷。由于工作面處火災(zāi)產(chǎn)生的污染氣體壓強大于進風(fēng)氣體壓強，導(dǎo)致污染源處（火災(zāi)發(fā)生點）氣體出現(xiàn)短時逆流。

圖3 穩(wěn)態(tài)模擬CO氣體擴散示意圖

污染源CO濃度設(shè)置1000g/m3時，因為氣體隨風(fēng)流流動，因此只需考慮火災(zāi)污染源回風(fēng)各巷道CO濃度，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 火災(zāi)污染源回風(fēng)巷道CO數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由表1可知，火災(zāi)發(fā)生后回風(fēng)順槽CO濃度最高，1000g/m3，危險性最大。

(2)線性衰減模擬下CO濃度分析

線性衰減模擬下，當(dāng)30503采煤工作面發(fā)生火災(zāi)時，污染氣體擴散沿進風(fēng)方向至總回風(fēng)濃度逐漸降低，產(chǎn)生的大量污染氣體CO首先通過30503回風(fēng)順槽回風(fēng)上山進入1045水平回風(fēng)大巷。在1075水平回風(fēng)大巷與1045水平回風(fēng)大巷聯(lián)絡(luò)巷處CO氣體分流，同時進入南北回風(fēng)巷。由于工作面處火災(zāi)產(chǎn)生的污染氣體壓強大于進風(fēng)氣體壓強，導(dǎo)致污染源處（火災(zāi)發(fā)生點）氣體出現(xiàn)短時逆流。

①線性衰減動態(tài)模擬下30503綜采工作面回風(fēng)順槽CO氣體濃度變化如圖4所示。

從圖4可以看出，當(dāng)30503綜采工作面發(fā)生火災(zāi)時，回風(fēng)順槽CO氣體濃度增長與時間成一定的線性關(guān)系，且氣體擴散較快。回風(fēng)順槽CO氣體濃度變化情況如下：在0～150s達到峰值（設(shè)定值1000g/m3），即984g/m3；隨后線性衰減，直到3720s時衰減為0。

圖4 30503綜采工作面回風(fēng)順槽CO氣體濃度變化圖

②線性衰減動態(tài)模擬下30503綜采工作面回風(fēng)順槽聯(lián)巷CO氣體濃度變化如圖5所示。

圖5 30503綜采工作面回風(fēng)順槽聯(lián)巷CO氣體濃度變化圖

從圖5可以看出，當(dāng)30503綜采工作面發(fā)生火災(zāi)時，回風(fēng)順槽聯(lián)巷CO氣體濃度增長與時間成一定的線性關(guān)系，且氣體擴散較快。回風(fēng)順槽聯(lián)巷CO氣體濃度變化情況如下：在0～200s達到峰值（設(shè)定值1000g/m3），即862g/m3；隨后線性衰減，直到3742s時衰減為0。

③線性衰減動態(tài)模擬下總回風(fēng)巷CO氣體濃度擴散變化如圖6所示。

圖6 總回風(fēng)巷CO氣體濃度變化圖

從圖6可以看出，當(dāng)30503綜采工作面發(fā)生火災(zāi)時，總回風(fēng)巷CO氣體濃度增長與時間成一定的線性關(guān)系，且氣體擴散較快。CO氣體濃度變化情況如下：在 0～300s時，CO氣體尚未到擴散到此處，因此濃度為0，在300～500s時急劇上升達到峰值（設(shè)定值1000g/m3），即411g/m3；隨后線性衰減，直到4032s時衰減為0。

4.結(jié)論

（1）隨著30503采煤工作面火災(zāi)進入熄滅階段，污染氣體擴散沿進風(fēng)方向至總回風(fēng)濃度逐漸降低，產(chǎn)生的大量污染氣體CO首先通過30503回風(fēng)順槽回風(fēng)上山進入1045水平回風(fēng)大巷。在1075水平回風(fēng)大巷與1045水平回風(fēng)大巷聯(lián)絡(luò)巷處CO氣體分流，同時進入南北回風(fēng)巷，最終匯入總回風(fēng)巷。

（2）用風(fēng)地點的CO濃度與火災(zāi)危險性遠遠大于回風(fēng)地點和進風(fēng)地點。

（3）從CO氣體擴散模擬結(jié)果來看，一旦在采煤工作面發(fā)生風(fēng)流火災(zāi)，在火源上風(fēng)側(cè)，由于火風(fēng)壓和機械風(fēng)壓相反，工作面處火災(zāi)產(chǎn)生的污染氣體壓強大于進風(fēng)氣體壓強，導(dǎo)致污染源處（火災(zāi)發(fā)生點）氣體出現(xiàn)短時逆流，逆流的煙氣到達工作面的進口處，繼而進入采區(qū)進風(fēng)巷。

（4）火災(zāi)應(yīng)急措施：采煤工作面及其回風(fēng)巷發(fā)生火災(zāi)后，首先立刻向調(diào)度室進行匯報，同時若火勢較小，周圍工作人員應(yīng)立即利用滅火器材進行滅火。若當(dāng)發(fā)現(xiàn)火情已經(jīng)較大或者已經(jīng)無法控制時，需要由班組長或者有經(jīng)驗的工作人員立即組織撤離。撤離及滅火過程須預(yù)防一氧化碳中毒。當(dāng)人員撤離必須過火災(zāi)煙流時，應(yīng)戴自救器在救護人員帶領(lǐng)下迅速穿過。若無自救器，應(yīng)用濕毛巾堵住嘴鼻彎腰匍匐迅速穿過，并力求一氧化碳溶于水，減少對人體的傷害。