火源位置對井巷外因火災參數影響的數值模擬研究

張軍亮 ，朱云飛 ，張學亮

（1.山西工程技術學院 礦業工程系，山西 陽泉 045000；2.中煤華晉集團晉城能源有限公司，山西 晉城 048200）

礦井火災是煤礦常見的事故災害之一，由于礦井巷道屬于受限空間，礦井火災尤其是外因火災具有火勢發展快、煙流蔓延迅速的特征，往往會導致人員受困，嚴重者甚至造成人員死亡，因此許多學者對礦井巷道中的火災參數規律進行了深入研究。在巷道火災溫度分布規律上，Kurioka等[1]對巷道內頂板下的最大溫度的變化規律進行了研究，得出了最大溫度與火源功率曾指數關系，LI 等[2]和YAO 等[3]基于羽流理論對其經驗公式進行了進一步修正；李晴等[4]基于理論分析，建立了火災煙流溫度分布的預測模型；劉雨晴等[5]分析了縱向通風下不同巷道傾角火災煙氣的蔓延特性和溫度分布。在巷道火災煙氣分布規律上，薛彥平[6]對比了不同通風方式下工作面巷道煙流逆退距離規律；郝海清等[7]基于Froude 公式，提出了煙氣逆流臨界風速計算公式，并對數值模擬分析了羊場灣煤礦通風網絡的排煙風量效果；賈靜等[8]通過數值模擬分析了火災煙氣的逆退現象。在火源位置方面，張洪杰等[9]分析了火源與掘進面不同距離下的火災參數分布規律；吳佳平等[10]對比不同封閉墻與火源距離分析了火區內瓦斯氣體的爆炸危險性。上述研究文獻均假設火源位于巷道底板的情況，在實際礦井中，巷道在發生冒頂等事故時，礦井往往采取復合材料或木背板填充[11]，因此，一些底部火災可能引燃頂部的背板，同樣頂部背板等可燃物燃燒后也極可能掉落至地面繼續燃燒，造成雙火源現象，這勢必會造成火煙參數分布的變化，從而影響火煙控制措施的制定，然而現有文獻鮮有研究。為此，為了重點研究巷道垂向斷面不同火源位置對火災參數的影響，選取里必煤礦某巷道實際生產通風工況，分別對頂板單一火源、底板單一火源和同時發生在頂、底板的雙火源3 種工況下巷道內煙霧、溫度、CO 參數分布進行了探討分析，為井巷相應火災應急救援措施的制定提供參考。

1 模型構建

1.1 模型及參數設定

研究選用FDS（Fire Dynamic Simulation）火災模擬軟件，其適用于模擬低馬赫數火災煙流和熱量傳輸情況，因此常被用來分析隧道及巷道火災。數值模型依照里必煤礦某段直巷道進行建模，選取的巷道長、寬、高依次為100、4、3 m。火源位于巷道軸向和橫向中央，尺寸為1 m×1 m。巷道內傳感器設置如圖1。

圖1 巷道模型及傳感器布置示意圖Fig.1 Tunnel model and sensor layout position

為了獲取巷道內的參數，在火源上方及巷道軸向上2 m 高處每隔10 m 依次設立溫度傳感器和CO 氣體體積分數傳感器，為了進一步分析巷道頂部的溫度分布，在火源上方的頂板沿巷道軸向每間隔10 m 也布設了溫度傳感器。巷道四周邊壁由于采用了噴漿，選取軟件材料庫中混凝土的密度、熱導率等參數。巷道邊壁及初始環境溫度為20 ℃，環境壓力為1.0×105Pa。

1.2 工況參數設定

為研究正常通風情況下不同起火位置火災參數的分布情況，設定巷道左邊為風流速度入口，速度值為1 m/s，另一邊設為開口邊界，模擬時間為900 s。由于研究主要針對巷道頂板冒落后填充的有機物或錨網、支架后方的背板被引燃后的火災，因此火災功率不大，參考傅培舫等[12]在巷道內進行的全尺寸可燃物火災參數試驗，結合其他文獻綜合考慮[13-14]，將火災總功率設置為1 MW，即火源單獨位于頂板和底板時，火源功率為1 MW，火源同時位于頂底板情況時，頂板火源和底部火源分別為0.5 MW。

1.3 網格尺寸劃分

在有限元分析軟件中，網格尺寸越密集，模擬結果越精確。依據FDS 軟件用戶手冊中火源特征直徑及網格劃分標準，計算得出模型網格尺寸應位于0.061～0.241 m 范圍內。為了進一步檢查網格獨立性，對所采用的4 種網格方案模擬了巷道頂板處火源處的溫度分布，不同網格尺寸下巷道縱向溫度分布如圖2。

圖2 不同網格尺寸下巷道縱向溫度分布Fig.2 Longitudinal temperature distribution in the tunnel under different grid sizes

由圖2 可得：當網格尺寸采用0.1 m 和0.2 m混合方案時，和全部采用0.1 m 網格及0.08 m 的網格方案模擬結果趨于一致。為節省計算時間，采用混合網格方案，即在火源上下游附近20 m 內采用0.1 m 網格，其它區域采用0.2 m 網格，且該方案已在HU 等[15]的研究中得到驗證。網格尺寸劃分示意圖如圖3。

圖3 網格尺寸劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of grid size division

2 結果分析

2.1 煙流分布

不同火源位置狀態下煙流達到穩定狀態后的分布情況如圖4。

由圖4 可知：火源位于底板和頂底板時，下方火源會產生火焰區、浮力區和羽流區，位于下部的煙流在上升撞擊頂板后沿上下游運動；而火源位于頂板時，煙流產生后直接沿頂棚向上下游運動，3 種模擬工況在該風速下煙流均有逆退現象，且煙流在運行至一定距離后受巷道機械通風和摩擦阻力影響而停止逆退，轉而向下風向運動直至出口處。

雖然3 種狀態下火源功率總和一致，但3 種狀態下的煙流分布情況和煙流逆退距離卻表現不同。

在煙流分布上，尤其是火源下游位置，火源位于頂板時，煙流整體分布于巷道頂部，和底部的新鮮空氣分界面清晰，而火源位于底板和同時位于頂底板時，在下游處煙流流動出現一定程度的紊流現象，煙流沉降明顯，整個巷道幾乎被煙流充斥。

不同工況下火源附近煙流速度矢量分布如圖5。

圖5 不同工況下火源附近煙流速度矢量分布圖Fig.5 Velocity vector distribution of smoke flow near the fire source with different conditions

由圖5 可知：當火源位于頂板時，火源附近煙流基本保持沿水平面層流運動，頂板附近煙流受巷道壁面黏性阻力影響，速度小于下部風流；當火源位于底板和同時位于頂底板時，在火焰下角出現旋渦等紊流現象，這可能進一步加劇了下游方向煙流的卷吸和沉降；此外，下部火源產生的煙流受浮力和縱向風流綜合作用，向下游頂板方向偏移，但火源同時位于頂底板時，由于頂板火源產生的煙流與底板火源產生的煙流在火源上方靠近頂板處相互作用，底板火源的火焰偏移角度要略大于單一火源位于底板的工況。

在煙流逆退距離方面，當火源位于底板時煙流逆退的距離最短，而火源位于頂板時次之，火源同時位于頂板和底板時煙流逆退距離最大。

根據煙流逆退分析理論，煙流逆退是熱浮力和慣性力作用的結果，即煙流前鋒處靜壓差和巷道通風的動壓相等時，煙流停止逆退[16]，如式（1）：

式中： Δp為靜壓差，Pa；hv為動壓，Pa。

其中靜壓差可表示為：

式中： Δρ為煙流密度與空氣密度差，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h為煙氣厚度，m。

巷道縱向通風的動壓可表示為：

式中： ρ為縱向風流空氣密度，kg/m3；v為巷道速度，m/s。

將式（2）和式（3）代入式（1）可得：

由理想狀態方程可得：

式中：T為縱向新鮮風流溫度，K； ΔT為煙流與新鮮風流溫度之差，K。

前人研究[17]表明，縱向煙流溫度隨火源距離呈指數分布，如式（6）：

式中：ΔTmax為巷道頂部煙流與新鮮風流最大溫差，K；k1、k2為其他因子影響系數；H為巷道寬度，m；x為與火源距離，m。

將式（6）和式（5）代入式（4），進一步分析可得逆退距離L為：

由式（7）可知，煙流逆退受頂板煙流最大溫差、風速、煙流厚度、巷道寬度等參數影響。在本文模擬工況下，風速、巷道寬度等參數均一致，因此逆退距離僅受煙流厚度h和巷道頂部煙流最大溫差ΔTmax影響，煙流逆退距離函數關系圖如圖6。但由圖4 可知3 種模擬工況下上游煙流的厚度差別不大，火煙逆流的動力更多決定于頂部煙流的最大溫差，可在對巷道頂部煙流最大溫度的分析可以進一步得到驗證。

2.2 溫度分布

不同火源位置狀態下煙流穩定時巷道頂板附近的溫度分布如圖7。

圖7 不同火源位置下巷道頂板處縱向溫度分布Fig.7 Longitudinal temperature distribution at the roof with different fire source locations

由圖7 可得：3 種狀態下溫度分布均表現出火源附近高，上下游溫度隨與火源距離增加而降低的規律；但火源位于底板時，最大溫度出現在火源下游的底板處，這是因為火源產生的煙流受縱向風流影響，火煙上升過程中向下游偏移，當上升至頂板處時已位于火源上方頂板的下游。

對比3 種情況下的火源附近頂板處的最大溫度，可得火源同時位于頂底板時略大于火源位于頂板，火源位于底板時最小，且明顯低于其它2種工況。分析其原因：當火源位于底板時，由于距離頂板較遠，且煙流上升過程中與巷道縱向風流對流交換影響，導致熱量損失，而火源位于頂板時，火源距頂板近，燃燒產生的熱量絕大多數用來加熱頂部空氣，受浮力作用卷吸下方的冷空氣較少，因此頂板煙流最大溫度明顯沒有火源位于頂板時高；而當頂底板均存在火源時，結合圖5分析可知，底板火源產生的高溫煙流撞擊頂板時已在頂板火源的下風向處，下部火源產生的煙流上升中卷吸空氣產生的煙流加上撞擊頂板后向上游的射流進一步阻礙了頂板火源產生的煙流向下風向流動，使得更多的熱量集中在頂板火源處，溫度更高。

在火源上游方向，隨著與火源距離的增加，頂底火災工況下的溫度衰減趨勢要大于火災位于頂板的工況，但隨著離火源距離進一步增大，反而發生反轉，表現出火源位于頂底板時的溫度要大于火源位于頂板時，而火源位于底板的情況雖然隨距離增大下降趨勢較緩，但始終溫度最低。在火源下游方向，離火源較近處，溫度隨距離增加同上游一樣急劇衰減，在距離火源遠端，3 種工況下的頂板處煙流溫度分布則與上游完全相反，火災位于底板時溫度最大，但3 種工況下的溫差并不明顯，表明火源位于底板時，產生的高溫煙流更多地流向下游方向，從而使下游方向頂板處的煙流溫度更高。

分析煤礦巷道火災時溫度對人員逃生的影響，常考慮人員頭頂高度處火煙的溫度，鑒于巷道的底板鋪設有軌道、巷道發生底鼓和勞保鞋的高度，繪制的不同火源位置狀態下900 s 時巷道2 m 高處的溫度分布如圖8。

圖8 不同火源位置下巷道2 m 高處縱向溫度分布Fig.8 Longitudinal temperature distribution at 2 m height with different fire source locations

由圖8 可得：與頂部溫度分布規律一樣，2 m高處的溫度也呈現出火源附近高，隨火源距離增加溫度逐漸降低的規律。但3 種工況下，無論火源附近的最大溫度值還是火源上下游的空氣溫度，火源位于頂板時溫度值均要顯著低于其他兩者情況，且在火源兩側的變化不大，其中火源位于底板時，各處煙流溫度值最大。這是因為頂板火災煙流分布較為穩定且主要集中于上部，而底板火源產生的煙流上升過程中卷吸了更多的空氣，煙氣質量大，且新鮮風流及上部逆退的煙流再次流經火源后被進一步加熱，使得下游底部空氣的溫度較高，與上部煙流溫差進一步縮小，降低了煙流浮力，進一步使得煙流下沉，造成煙流厚度增加，從而影響了低處的空氣溫度。參考對火災逃生臨界溫度60 ℃的規定[18]，可知火源位于頂板時整個巷道滿足逃生條件，而火源位于底板時和火源位于頂底板時，在火源下游一定范圍內，溫度則不滿足逃生條件，因此礦井救援需考慮火源發生的位置。

2.3 CO 體積分數分布

不同火源位置狀態下2 m 高處CO 體積分數沿巷道軸向的分布情況如圖9。

圖9 不同火源位置下巷道2 m 高處縱向CO 體積分數分布Fig.9 Longitudinal CO concentration distribution at 2 m height with different fire source locations

由圖9 可得：對于頂板火災和頂底板火災，2種工況下CO 峰值均出現在逆退煙流的前鋒附近且兩者峰值差別不大，這是由于頂板火災產生的煙霧在熱動力作用下直接沿頂板向上游蔓延，在煙流前鋒處才向下卷吸新鮮空氣；從煙流最大逆退處到火源位置，頂板火災和頂底板火災上游CO 體積分數明顯高于火源位于底板時，隨著空氣對煙氣的不斷稀釋，CO 體積分數迅速降低；而在火源下游，由于2 m 高處煙流和空氣已充分混合，隨著距離增加，各位置CO 體積分數略有下降，但差值不大；對比于底板火災，CO 體積分數峰值位置則出現在火源附近的下游，且峰值明顯低于前2種工況，這是由于底板火源產生的火煙受浮力作用向上運動過程中就會卷吸新鮮空氣從而被稀釋，且在縱向風流作用下直接向下游運動，因此峰值體積分數較低。由于底板火源產生的火羽流撞擊頂板后方沿頂板向上下游方向蔓延，因此CO 體積分數隨著與火源距離的增加逐漸降低。由于不同火源位置會造成CO 體積分數分布差異，因此，礦井應急救援工作同樣要考慮火源位置。

3 結 語

1）火源位于底板和位于頂底板時，煙流沉降較為明顯，而火源位于頂板時，煙流更集中于巷道頂板，與底部新鮮空氣界面更加清晰。在煙流逆退距離上，火源位于底板時最短，火源位于頂板時次之，而火源位于頂板和底板時最大，且煙流逆退距離主要取決于巷道頂部最大煙流溫差。

2）在溫度分布上，頂板煙流溫度隨與火源距離的增加而衰減，火源同時位于頂底板時衰減最快，對于上游頂板煙流溫度，頂底板火災最大，底板火災最小，而下游則完全相反，但各工況差別不大。此外3 種工況下底板火災在2 m 高處的煙流溫度最高，而頂板火災煙流溫度最低，且低于火災逃生臨界溫度。

3）對于2 m 高處CO 體積分數，頂板火災和底板火災的體積分數峰值出現在火源前鋒而底板火災則出現在火源附近，且前兩者工況下火源上游CO 體積分數要明顯大于后者。

4）礦井應急救援工作的實施應考慮火源位置因素。后續應繼續開展全尺寸火災等試驗研究，以期能更好地指導不同火源位置對火災參數影響的理論研究和工程應用。