煤矿火灾烟气流动传播过程仿真研究*

路新惠

(河南工业贸易职业学院机电工程系　郑州 451191)



煤矿火灾烟气流动传播过程仿真研究*

路新惠

(河南工业贸易职业学院机电工程系郑州 451191)

摘要煤矿发生火灾后会生成大量有毒气体并产生火风压，烟气在火灾动力的影响下出现状态紊乱，研究煤矿火灾烟气流动传播过程对控制火情有着重要意义。基于国内外研究现状，对燃烧及风流特点进行分析，建立了煤矿火灾烟气流动数学模型，并利用CFD软件进行仿真。研究表明：无通风工况下的烟气为对称流动；随着风速增加，出口处温度降低，烟气向风流入口处的流速减小。

关键词煤矿火灾传播仿真烟气流动

0引言

煤矿发生火灾时，对火灾烟气流动传播过程进行快速预测，对救援行动和灾情控制具有重要意义[1]。然而，煤矿火灾烟气流动十分复杂，采用实验方法很难全面获得烟气流动参数，且实验成本较高[2]。利用CFD软件对煤矿火灾烟气传播过程进行数值模拟，获得烟气流动数据，为救援和灾情控制提供参考。综合国内外研究情况，首先对燃烧及风流特点进行分析，建立了煤矿火灾烟气流动数学模型，并利用CFD软件进行仿真，得到了煤矿火灾时巷道中烟气流动规律，希望为今后的煤矿火灾救援提供理论指导。

1烟气流动传播过程

1.1燃烧及流动特点

煤矿火灾发生在地下矿井、巷道等处。正常情况下，矿井巷道中的温度湿度适中，有害气体较少；出现火灾后，巷道中的氧气含量减少，燃烧产生的热量导致风流出现变化[3]。风流与燃烧产生的气体混合形成烟气，其中掺杂着大量有毒气体和粉尘，严重威胁工人安全。根据煤矿火灾的燃烧特点，一般将其分为3个阶段：火灾发展阶段、火灾稳定阶段、火灾衰减阶段[4]。

由于煤矿火灾发生在地下狭小空间，其燃烧特点也与地面火灾不同。煤矿火灾出现后，风流不断进入火焰区形成烟流，烟气流又不断流出火焰区，从而完成质量传递和能量交换。由于火灾的出现，导致风流的质量流量、静压、密度、粘度等发生变化，整个燃烧过程为非稳态过程，烟气流可视为不可压流体。

最高烟温是研究烟温分布和流动传播过程的重要参数。由于煤矿火灾十分复杂，不同学者得出的最高烟温的计算方法也不相同[5]。本文采用最高烟温能量守恒模型。烟温微分方程：

(1)

式中，Lr为火焰区长度；cp为烟气定压比热；Ta为原始壁面温度；T为烟气平均温度；U为巷道周长；qr为烟气吸热量；αb为不稳定传热系数；J为井巷坡度；g为重力加速度；T0为正常风流温度；mm为烟气质量流量；m0为正常风流质量流量。

烟温微分方程十分复杂，不能直接求出解析解，只能通过差分法得到近似解，且计算量较大。

1.2煤矿火灾流场特征

煤矿出现火灾后，煤炭燃烧产生的热能转化成烟流的机械能，并形成火风压；烟气不断受热膨胀，导致风流出现节流效应，通风系统紊乱。常见的风流紊乱形式主要有：旁支风流逆转、主烟流逆退、烟流滚退等[6]。

由于气体分子间的距离远小于巷道宏观尺寸，因此忽略分子间作用力、分子内摩擦力和气体可压缩性，将巷道中的空气看作理想气体，即不考虑气体粘性和可压缩性。微观层面上的烟气流动十分复杂，为了使数值计算结果更加准确，将风流和烟流也视为理想恒定流体。

煤矿火灾时的烟温分布可以指导煤矿通风设计，对救火和逃生都有重大影响。若不考虑流动中的机械能损失，下风侧烟温分布方程为：

(2)

式中，gr为地热增温率；T0为原始风流温度；x为到通风口的距离；β为巷道倾斜角度。

1.3烟气流动数学模型

火灾区风流温度增加后，与其他风流产生密度差，并出现对流。烟气流动传播过程满足连续性过程、能量守恒方程、动量守恒方程。烟气流动是在煤矿通风系统和热对流作用下的复杂运动，不可将其近似成一维流动。本文通过建立三维烟气流动数学模型，对烟气流动传播过程进行仿真。

三维模型速度分量用Vj表示，j=1、2、3，分别表示u、v、w。烟气压力为P，浓度为c，总温为T，总焓为h。

连续方程：

(3)

(4)

能量方程：

(5)

组分方程：

(6)

式中，Ds为气体s扩散量；Cs为气体s质量分数；Ws为气体s生成速率。

三维模型可用于任何工况下的火灾烟气流动计算，尤其适用于局部空间流场计算。

2烟气流动的数值模拟

2.1模型及边界条件

本文选择的巷道为平底结构，水平段长度为100 m，出口段长度为12 m，出口段位于水平段正中，巷道断面为4×2.8 m弧形面。假设整个计算过程中火焰温度恒定为150 ℃，风流温度恒为20 ℃，火焰区不断向周围散热，由于巷道壁面厚度远大于巷道宽度，因此假设其为绝热边界。

使用ANSYS前处理软件ICEM对整个巷道进行网格划分，对边界层网格进行加密处理，总网格数量为7.4万，巷道有限元模型见图1。

图1巷道有限元模型

计算工况为煤矿发生自燃，燃烧产生的高温气体从出口段窜入水平段。计算时间为5 min，分别计算风速为0、0.25、0.5 m/s 3种工况的烟气流动特性。

2.2纵断面温度场分布

将ICEM网格导入Fluent软件，湍流模型选择k-ε模型，设置好边界条件后，按照入口条件进行初始化，迭代计算6 400步后收敛。图2给出了燃烧时间为2 min时，3种工况的纵断面温度云图。

(a)风速v=0 m/s(b)风速v=0.25 m/s(c)风速v=0.5 m/s

图23种工况的纵断面温度场分布

从计算结果看：v=0m/s时，煤矿发生火灾后，逃生时间仅为20 s，烟气到达巷道后对称分布，随着时间增加，烟气与风流换热速度增加，直到整个巷道充满高温烟气；v=0.25 m/s时，煤矿发生火灾后，逃生时间为100 s，烟气到达巷道后往两侧扩散，但新鲜风流到达后，烟气向下游扩散加快，t=80 s时，上游已无高温烟气，说明通风有利于高温烟气排出；v=0.5 m/s时，由于新鲜风流风压较大，风流与烟气在巷道入口处发生对流换热，在风压作用下，混合气体只能向下游流动。

煤矿发生火灾后，如果通风很差，烟气会同时向两侧流动并充满整个巷道，5 min内整个巷道人员必须全部撤离。随着风速增加，烟气向上游的流动速度逐渐减小到0，大量新鲜风流的进入对高温烟气起到冷却作用。因此保持煤矿巷道良好通风是预防和控制煤矿火灾的有效方法。

2.3横断面温度场分布

新鲜风流导致巷道中的高温烟气不再对称分布，以v=0.25 m/s为例，研究t=100 s时，巷道不同横断面温度场分布。图3给出了x=48 m和x=60 m的横断面温度云图。

(a)x=48 m处断面(b)x=60 m处断面

图3横断面温度场分布

x=48 m断面刚好位于水平段与出口段汇合处，该处可清楚的看到风流与烟气的混合过程。计算表明，风流阻止了烟气向上游流动。x=60 m断面的高温区位于断面中央，最高温度为151 ℃，烟气在该断面形成涡流。随着时间的推移，涡流逐渐消失，形成温度分层，最终在巷道壁面处形成高温区。风流速度越大，涡流消失时间越快。

3结论

(1)煤矿发生火灾后，如果通风很差，烟气会同时向两侧流动并充满整个巷道，5 min内整个巷道人员必须全部撤离。

(2)随着风速增加，烟气向上游的流动速度逐渐减小到0，大量新鲜风流的进入对高温烟气起到冷却作用，保持煤矿巷道良好通风是预防和控制煤矿火灾的有效方法。

(3)新鲜风流与高温烟气的混合处不在巷道交汇处，而在下游某一区域，烟气在该断面形成涡流，但随着时间的推移，涡流逐渐消失。

参考文献

[1]颜国强,黄启铭,杜文州,赵勇. 孔庄煤矿胶带巷火灾预警与控制系统设计[J]. 煤炭工程,2015,47(3):20-22，25.

[2]陈宁,孔维臻. 矿井火灾避灾与救灾最优路径研究[J]. 工业安全与环保,2010,36(11):40-42.

[3]雷柏伟,吴兵,彭燕,等. 煤矿火区混合气体爆炸风险趋势性分析研究[J]. 矿业安全与环保,2014,41(4):110-113.

[4]周爱桃,王凯,臧杰,等. 易自燃采空区瓦斯与火灾共治数值模拟[J]. 中国安全科学学报,2010,20(8):49-53.

[5]程卫民,姚玉静,吴立荣,等.基于Fluent的矿井火灾时期温度及浓度分布数值模拟[J].煤矿安全,2012,43(2):20-24.

[6]王文才,乔旺,李刚. 巷道火灾对巷道通风的影响分析[J]. 煤矿安全,2011,42(10):116-118.

*基金项目：河南省重点攻关项目(112102210408)。

作者简介路新惠，女，汉族，河南新乡人，硕士，讲师，研究方向：矿井仿真与控制。

(收稿日期：2015-05-15)

Smoke Flow Propagation Simulation Research of Coal Mine Fires

LU Xinhui

(DepartmentofElectromechanicalEngineering,HenanIndustryandTradeVocationalCollegeZhengzhou451191)

AbstractAfter a fire, coal mine will generate a large number of poisonous gas and produce fire wind pressure and under the influence of fire, the flue gas occurs disorder state. Coal mine fire smoke flow propagation process research has important significance to fire control. Based on the research status at home and abroad, the characteristic of combustion and romantic are analyzed, the mathematical model of coal mine fire smoke flow is established and software CFD is applied to conduct simulation. Research shows that: under no ventilation conditions, flue gas flow is symmetry and with the increase of the wind speed, the exit temperature will be reduced and wind velocity at the entrance of flue gas also decreased.

Key Wordscoal mine firepropagationsimulationflue gas flow