基于FDS 的礦井膠帶運輸巷火災數值模擬研究

周倍淇 張孟浩

（山西大同大學煤炭工程學院，山西 大同 037000）

礦井火災是威脅礦山安全生產的五大災害之一，具有突發性強、繼發性災害多、救援難度大等特點。因此，本文針對柳灣煤礦61122 工作面的運輸巷道，采用FDS 火災動力學模擬軟件，深入探討了井下風速的變化對礦井火災蔓延規律的影響，為指導井下工作人員逃生及救援提供了依據。

1 火災模擬軟件FDS 基礎理論

1.1 FDS 控制方程

FDS 是由美國國家標準技術局所研發的火災動力學模擬工具，是基于大渦模擬技術模擬火災能量驅動流體流動的三維計算流體力學軟件，作為數值計算在防災減災及建筑、消防等領域中應用的典型代表。FDS 為研究物質燃燒特性、火災發展蔓延規律和逃生救災等工作提供了便捷、有效的計算工具，FDS 是目前火災研究領域應用最廣泛的軟件之一。

FDS 計算要先建立控制方程，其定義為能夠準確、完整描述某一物理現象或者規律的數學方程，即質量方程、動量方程、能量方程、組分方程及狀態方程，其具體公式[1]如下：

1）質量守恒方程

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；t為時間，s；ui為i方向上的速度，m/s。

2）動量守恒方程

式中：p為靜壓力，Pa；ρgi為i方向所受的體積力，N；g為重力加速度，取值為9.8 m/s2；Fi為熱源引起的源項；τij為應力張量值，N。

3）能量守恒方程

式中：h為焓，J/kg；K為熱導率，W/（m·K）；qr為體積熱釋放率，W/m2；T為溫度，K；Yi為第i種組分的質量分數；Di為擴散系數，m2/s。

4）組分方程

式中：mi''' 為單位體積內第i種組分的質量生成率。

5）狀態方程

式中：R為氣體摩爾常數，J/（mol·K）；Mi為第i種組成成分的摩爾質量，kg/mol。

1.2 火災數值模擬的步驟

火災數值模擬技術是指導現代防災減災的科學實驗成果之一，主要研究火災的燃燒過程、蔓延規律，以及火源附近區域的溫度變化、風速流向變化和煙氣運移規律等。因此，火災數值模擬技術實現了對傳統火災模型理論的跨越，在消防救援領域中廣泛應用。

火災動力學模擬求解步驟[2]如下：先建立控制方程組、確定初始和邊界，確定區域離散、節，然后建立離散，對方程進行求解數值方。在此基礎上判斷是否收斂，若收斂則分析計算，若不收斂則修改，重新進行判斷，如此循環往復處理。

這是一首主張勤勞工作、志不可荒的詩。 值得注意的是，作者并不是一味警戒世人，而是既同意應該快樂的時候就快樂，只是必須有節制。 這就符合人情，深厚得多。 所謂思深便是如此。

2 礦井膠帶火災模型

2.1 工況概述

柳灣煤礦隸屬于汾西礦業集團有限責任公司，礦井東北距離山西省孝義市城區18 km，井田大部位于山西省孝義市境內，西南跨入交口縣西邏、李家坡一帶，南部至靈石縣東邏、金莊一帶。

柳灣煤礦61122 工作面的運巷采用矩形斷面，凈寬4.5 m，凈高3.2 m，凈斷面積14.4 m2，掘進寬4.7 m，掘進高3.4 m。運巷斷面如圖1。

圖1 運巷斷面（mm）

2.2 模型建立

由于煤礦井下環境比較復雜，其模擬場景將簡單化，特作假設條件[3-4]：當燃燒發生時，火災煙氣在巷道擴散的過程中其物理性質和化學性質均穩定，不會產生任何反應；火災產生的煙氣均視為多組分理想氣體，遵循理想氣體狀態方程；巷道中的側壁溫度屬于冷卻帶溫度，火災發生期間始終處于恒溫狀態。

膠帶運輸巷物理模型如圖2。該模型的尺寸為40 m×3 m×3 m。數值模擬中采用大渦湍流模型，用聚氨酯模型模擬燃燒。在巷道的左側設置進風口和引火源，進風口的尺寸為3 m×3 m，引火源的尺寸為1 m×2 m。由材料庫導入質量分數為1.0 的混凝土作為巷道的側壁、地板及頂板，巷道側壁和地板的尺寸均為40 m×3 m，巷道頂板的尺寸為3 m×3 m×40 m。當模擬開始運行的時候，引火源處于燃燒狀態，進風口有氣流產生。

圖2 物理模型

從進風口的位置開始算起，熱電偶設置在火源正上方的1.5 m 處，主要記錄火源附近產生的煙氣溫度變化情況。

2.3 網格劃分及工況設置

FDS 對膠帶運輸巷火災模擬計算之前應進行網格敏感性分析，目的是尋找符合巷道模型的合理網格。網格尺寸是FDS 設置的重要參數，也是決定計算的準確性以及計算時間的關鍵因素。如果網格過大，會導致結果出現較大的計算誤差；如果網格過小，會導致時間步長縮短，模擬計算時間增大。因此，網格尺寸的經驗值為特征火焰直徑的1/4～1/16 最為合適，特征火焰直徑D*計算公式[5]如下：

式中：Q˙為火源熱釋放速率，kW；ρ0為環境密度，kg/m3；Cp為定壓比熱，kJ/（kg·K）。

據《煤礦安全規程》規定的風速范圍，選取膠帶運輸巷內風速分別為1.0 m/s（工況1）、1.5 m/s（工況2）、2.0 m/s（工況3）；模擬中火源熱釋放速率為1200 kW/m2，模擬時間持續為50 s，各工況運行時間接近5 h。

3 模擬結果分析

3.1 煙氣運移規律

燃燒50 s 時3 種工況下的煙氣分布如圖4。工況1 的煙氣剛開始向下風側擴散，主要受浮力效應的影響使得煙氣全部集中在膠帶運輸巷的上部。由于火源不斷地燃燒，工況1 的煙氣出現下沉現象并向上風側轉移，巷道中的風流紊亂以煙氣逆退的形式出現。上風側的煙氣逆退距離為5 m，此后的時間內巷道煙氣持續動態穩定。為了測得風速對膠帶運輸巷火災煙氣的影響，將風速提高到1.5 m/s（工況2）、2 m/s（工況3）進行模擬計算。工況2 的巷道內煙氣出現逆退現象，距離10 m。工況3 暫未出現煙流逆退現象，煙氣全部位于下風側。

圖4 燃燒50 s 時3 種工況下的煙氣分布圖

通過對比模擬結果，火災煙氣在運輸巷內擴散和流動表現出移動速度不穩定的特征。在燃燒初期，火源產生的煙氣由于受到浮力效應的影響而處于上升階段，沿著巷道頂板呈現出束狀流動向兩端擴散。隨著火源不斷地燃燒，火災煙氣出現分層貼附態勢并逐漸向下部流動，與未受污染的空間出現明顯的分界線。但是由于時間的推移這種界限不再清晰，風流紊亂使火源的下風側已完全充滿煙氣，結果造成巷道中形成大范圍的高濃度煙氣危害區。因此，要充分認識煙氣分層流動以及擴散緩慢的特點，有利于井下人員最大限度地利用剩余寶貴時間避險，對火災逃生及救護搶險工作具有重要意義。

3.2 溫度分布變化

在三種工況作用下，火源中心線平面可以表現出運輸巷內最高溫度的變化特征。因此，在巷道中心設置X=1.5 m 的溫度切面，用來記錄巷道下風側火源溫度的變化情況。為了便于觀察巷道溫度，設定smokeview 溫度條的最大顯示溫度為100 ℃。

燃燒40 s 時3 種工況下的溫度分布如圖5。工況1 在燃燒40 s 時，位于火源附近的熱電偶測得溫度為59.73 ℃，而工況2 的溫度為21.96 ℃，工況3的溫度為21.13 ℃。因此，風速越大，火勢越小，火源附近的溫度越低。由于風速對附著在膠帶上的遺煤引燃時間影響不大，但是風速過大會散去大量的熱量，從而阻擋了遺煤的燃燒。同時還可以觀察到，煙氣由火源沿著巷道縱向蔓延的過程與溫度較低的側壁面進行熱對流交換，與周圍的環境發生能量交換，距離火源區域越遠，則溫度越低。

圖5 燃燒40 s 時3 種工況下的溫度分布圖

4 結論

1）膠帶運輸巷發生火災時，增大風速，可以減緩火源的上游區域受到火災煙氣的影響，降低火勢沿著巷道橫向發展的趨勢。

2）火災產生的高溫煙氣在巷道內發生熱分層現象，隨著風速的增加，火源附近的熱量被驅散，從而溫度不斷下降。