避难硐室气体防毒安全性研究*

芦 伟，张 飞，霍福星，王润超，贾进章，王枫潇

(1.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西 晋城 048006；2.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司 通风安全技术服务分公司，山西 晋城 048006；3.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院,辽宁 阜新 123000 )

0 引言

作为国家公认的6大紧急避险系统之一，避难硐室主要由过渡室和生存室组成[1]。灾害发生后，大巷空气中含有浓度较高的CO，有钻孔避难硐室以其特有的“钻孔-地面生命保障线”，灾后可为井下工作人员提供1个相对安全的生存空间，为灾后救援工作争取足够时间，有效提高救援成功率[2-4]。

有效利用避难硐室开展防毒研究是提高避难工作可靠性的重点研究方向[5]。其中，最主要的问题是避难硐室防毒和供氧研究，早期预防CO入侵方法主要是避难硐室的喷淋清洗技术[6]：孙继平[7-8]通过研究现有井下紧急避险系统，提出用自救器进行紧急避险的方案；潘家辰[9]通过相似实验和数值模拟详细研究密闭空间内CO2和CO的快速吸收及净化技术，并针对相似物理模型进行模拟验证；金龙哲等[10]提出地面钻孔、压风或气瓶和化学供氧等避难硐室多级供氧系统；祝雁辉等[11]根据避难硐室特点发明了1种有效快速排气技术装置；文献[12-13]提出1种避难硐室有毒有害气体隔绝技术，对避难硐室等密闭空间的CO2和CO净化过程进行模拟实验研究，在无外界供氧条件下将温度和湿度进行耦合计算，取得一定成果。在事故发生后的灾害蔓延期间，大量避灾人员陆续进驻避难硐室，传统喷淋清洗技术无法提高避灾人员进驻避难硐室的效率，针对避难硐室大门开启伴随CO扩散进入等问题的研究尚不完善。

目前，我国煤矿井下避难硐室的完善建设正处于发展阶段，传统避难硐室的功能及内部结构存在一定缺陷，并且有关避难硐室防毒方面研究较少。基于此，本文结合灾变时期矿井通风及灾害应急救援技术理论，通过模拟井下灾变时期有毒有害气体入侵，了解避难硐室在灾变时的使用状态和防毒效果，为最大限度降低灾后损失提供理论支撑。

1 地面钻孔压风避难硐室及模型结构

井下避难硐室实际使用时存在“先进入者抗拒后进入者”的悖论问题，即一旦灾害发生，后进入者可能携带有害气体进入，在没有地面钻孔的避难硐室，无论在过渡硐室内如何清洗，仍不能保证有害CO气体吸收干净，且清除工作费时费力，影响人员进入效率。通过建立地面钻孔压风系统的避难硐室，可有效解决上述问题，在正向的向外压风作用下，有害气体被逆向排出至受灾大巷中，从而保证后进入人员快速无害通过，如果隔离门前加装柔性高弹力缝式门衬效果会更好。本文采用Gambit软件建立有钻孔避难硐室与大巷的三维几何模型，如图1所示。

图1 有钻孔正压通风避难硐室结构示意Fig.1 Structure of refuge chamber with borehole positive pressure ventilation

由图1可知，沿z轴走向的是大巷，沿x轴走向的是避难硐室，避难硐室与大巷连接的门是密闭防爆隔离门，具有耐爆抗冲击和气密功能。直接与大巷邻接是过渡室，内部是生存室，过渡室是为从大巷进入生存室的人提供过渡空间，生存室是避难人员的长期居留处。地面钻孔位于避难硐室顶部，用套管将来自地面的钻孔保护起来，与地面压风系统相连接。地面钻孔压风是避难硐室通风的主要来源，同时担负排除有毒有害气体入侵的功能。

2 避难硐室进出口有毒气体湍流弥散基本方程

2.1 数学模型

在重力作用下黏性热流体的连续性方程、运动方程和能量方程如式(1)～(4)所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：p为风压，Pa；ρ为气流密度，kg/m3；u为气流速度，m/s；t为时间变量，s；k为湍能，J；Φ为耗散函数；E为能量，J；x为流速的1个分量，m/s;μ为运动黏度，m2/s；D为运算符号。

2.2 RNG k-ε湍流模型方程

RNGk-ε模型来源于严格的统计技术，由暂态N-S方程推出。在ε方程中引入附加生成项，考虑湍流旋涡，考虑低雷诺数流动黏性处理近壁面区域，使RNGk-ε模型比标准k-ε模型在更广泛的流动中有较高的可信度和精度，k和ε为2个基本的未知量。对于稳态、不可压缩气体、无源项，RNGk-ε模型如式(5)～(6)所示：

(5)

(6)

(7)

式中：η=Sk/ε，即无量纲应变或者平均流时间尺度与湍流时间尺度之比；由理论推导得出η0=4.38，β=0.015；C1ε，C2ε，C3ε为经验常数，C1ε=1.42，C2ε=1.68，C3ε=1.68；Cμ=0.084 5；αk=αε=1.393。

SIMPLE算法主要计算步骤如图2所示。

图2 SIMPLE算法主要计算步骤Fig.2 Main calculation steps of SIMPLE algorithm

2.3 避难硐室风流模型有毒气体CO组分输运计算

对流扩散方程中CO气体组分的体积分数为φ(CO)，若不考虑气体组分化学反应和源项，则组分守恒方程如式(8)所示：

(8)

2.4 数值仿真工具计算设置

数值模拟物理模型如图1所示。按几何对称只取完整模型的1/2，将模型划分为0.1 m的结构网格。地面钻孔(以下简称为钻孔)采用水平截面为正方形的钻孔，尺寸为大巷长10 m，宽4 m，直墙高2 m，拱高2 m；避难硐室宽4 m，直墙高2 m，拱高2 m；过渡室长3 m，生存室长18 m；地面钻孔(水平截面为正方形)边长0.2 m；防护密闭门高1.6 m，宽0.96 m；避难硐室地面高于大巷地面0.2 m，模型中门的下边框高于大巷地面0.3 m，钻孔口高于避难硐室顶部0.3 m。

设置地面钻孔为进口，气流方向沿y轴负方向，大巷气流方向沿x轴正方向，大巷2个截面分别为进inlet和outflow，过渡室和生存室之间的连接密闭门设置为interior，避难硐室最外侧防护门到大巷间的墙面均设置为interface。避难硐室的密闭门所在面由避难硐室截面和矩形门截面通过subtract real face功能和retain矩形门面形成的，其余面均为wall，墙面设置为绝热。使用RNGk-ε模型[14]，设置整个三维模型为流体区域。

避难硐室的防护密闭门和密闭门始终处于完全开启状态，大巷气体中O2质量分数为0.21，有毒气体CO质量分数为7.89×10-4，其余为N2，大巷气流速度为3.5 m/s；钻孔气体中O2质量分数为0.21，其余为N2。

3 大巷与避难硐室气体交换的模拟分析

受硐室内部人员存在的影响，硐室内部温度热量随之增高，受灾影响大巷中的温度可能较高，大巷和硐室内的气体密度状态随之发生变化。参照相关文献，按2种极端状态的计算方案进行研究，即方案Ⅰ设定大巷50 ℃、室内20 ℃；方案 Ⅱ 设定大巷15 ℃、室内30 ℃[15-16]。

3.1 方案Ⅰ：大巷50 ℃且避难硐室20 ℃时模拟结果

将大巷风流温度设为50 ℃，过渡室和生存室内部气温设为20 ℃，由于大巷气温比避难硐室内部气温高，且空气密度略大于CO密度，所以高温CO会从防护密闭门的顶部侵入避难硐室，避难硐室中低温不含CO的空气则从防护密闭门的底部吹入大巷[16-17]。本文重点以过渡室为考察对象，按最危险的情况即人员进入时隔离门短时间内的开启状态。设定每人使用气幕时间为10 s，喷淋系统每人使用时间为20 s[17]。

方案Ⅰ工况下避难硐室内CO浓度随钻孔压风量变化如图3所示。方案Ⅰ中钻孔压风量为96 m3/min(对应人均供风量0.8 m3/min)时生存室的CO最大浓度低于24 ppm，过渡室平均CO浓度为10 ppm，最大CO浓度高达936 ppm，甚至当钻孔风速达60 m/s时，过渡室最大CO浓度降低至395 ppm，但还是远远大于24 ppm的技术规定[17]。

图3 方案Ⅰ工况下避难硐室内CO浓度随钻孔压风量变化Fig.3 Change of CO concentration in refuge chamber with borehole pressure airflow in scheme Ⅰ

通过对模拟结果中气体浓度检测发现，由于避难硐室的防护隔离门始终处于开启状态，过渡室最大CO浓度范围约在0.5 m处，即使在较高CO浓度范围条件下，大部分过渡室空间中CO浓度仍接近于0，即高浓度CO以小范围尺度向内扩散，而通过过渡室向内部生存室段的CO浓度近乎为0。因此将过渡室最大CO浓度低于规范的要求作为避难硐室安全标准行不通，而将过渡室的平均CO浓度低于规范要求作为其安全标准则较为合理。

当钻孔压风量为48 m3/min时，过渡室平均CO浓度为25.16 ppm，通过数据插值得到，临界压风量为51.7 m3/min时，过渡室和生存室平均CO浓度均低于24 ppm。

3.2 方案Ⅱ：大巷15 ℃避难硐室30 ℃时的模拟结果

由于大巷气温低于避难硐室内部气温，所以在防护隔离门的上部无有毒气体窜入，窜入地点在避难硐室的下部。方案Ⅱ工况下避难硐室内CO浓度随钻孔压风量变化如图4所示。

由图4可知，初始随压风量增加，CO浓度下降较快，当压风量约为150 m3/min(对应人均供风量1.25 m3/min)时，过渡室最高值曲线出现CO浓度最小值161 ppm，CO高浓度点在避难硐室的防护隔离门附近约0.4 m范围内，最大范围约0.5 m。通过数据插值计算得到安全临界的压风量为78.72 m3/min(对应人均供风量0.66 m3/min)，即当钻孔压风量为78.72 m3/min时，生存室CO浓度最大值小于24 ppm，符合规定要求。

图4 方案Ⅱ工况下避难硐室内CO浓度随钻孔压风量变化Fig.4 Change of CO concentration in refuge chamber with borehole pressure airflow in scheme Ⅱ

3.3 使用柔性隔离门衬时的模拟结果

本文采用1种柔性的避难硐室门衬，制造成本低，能够有效降低避难人员进入时门打开的空隙面积，阻止CO扩散进入的同时能够对避难人员身体和服装上携带的CO进行清理。当避难硐室的防护隔离门安装该门衬时，避难人员进入避难硐室门时的空隙面积显著减小，小于1.7 m×0.1 m。空隙尺寸门在开启时的模拟结果如图5～6所示。通过插值计算得到压风量安全临界值为15.7 m3/min，即在较低的压风量条件下可以有效抑制CO气体进入硐室。

图5 方案Ⅰ有柔性隔离门时室内最高CO浓度随钻孔压风量的变化Fig.5 Change of maximum indoor CO concentration with borehole pressure airflow in scheme Ⅰ with flexible isolation door

由于柔性隔离门有效减小了CO的有效扩散面积，避难硐室内的气体仅在小范围内溢出至避难硐室。因此加装柔性门衬后，压风量足够时只有在紧贴柔性门衬处才会有高浓度的CO，从而大大提高躲避硐室内环境的安全性。如图5(d)所示，生存室的CO浓度大幅下降，平均CO浓度的最大值仅为0.52 ppm。

由图6可知，方案Ⅱ加装柔性隔离门时插值得到安全临界的压风量为10.8 m3/min，过渡室内CO平均浓度低至24 ppm。

图6 方案Ⅱ有柔性隔离门时室内最高CO浓度随钻孔压风量的变化Fig.6 Change of maximum indoor CO concentration with borehole pressure airflow in scheme Ⅱ with flexible isolation door

3.4 数值模拟结果的对比

通过比较方案Ⅰ、方案Ⅱ条件下有无加装柔性隔离门的数值模拟效果发现，避难硐室防护隔离门完全开启时的数值模拟得出：未加装安全门时，2种方案下避难硐室需要的供风量分别为51.70，78.72 m3/min，而加装柔性门衬后需要的临界供风量分别为15.7，10.8 m3/min。目前常见气慕喷淋系统供气方式有矿井压风和自备空气压缩瓶供气2路，硐室内必须保持100 MPa或者更低的正压，压力不能太高[17]。此外，还需要采取措施释放压力，限制条件较多，传统喷淋清洗技术无法有效提高避灾人员进驻避难硐室效率，而柔性隔离门制造成本低，在较低压风量条件下可有效抑制CO气体进入硐室。若避难硐室按30人设计，轻微劳动状态下每人供风标准为1.33 m3/min，灾时需风量为40 m3/min，加装柔性门衬可有效阻止避难人员进入时CO逆行扩散进入避难硐室[18]。

4 结论

1)加装柔性门衬能有效阻止避难人员进入时CO扩散进入避难硐室，加装柔性门衬后需要的临界压风量分别为15.7，10.8 m3/min，低于灾时额定供风量为40 m3/min，甚至确保过渡室的CO不超限。

2)未加装柔性门衬时，当方案Ⅰ条件下钻孔压风量为96 m3/min时，生存室CO最大浓度低于24 ppm，过渡室平均CO浓度为10 ppm，CO最大浓度达936 ppm，钻孔风速为60 m3/s，过渡室CO最大浓度为395 ppm；方案Ⅰ的临界风量为51.7 m3/min。方案Ⅱ条件下压风量150 m3/min，过渡室CO最小浓度为161 ppm，临界压风量为78.72 m3/min，由此可知，大巷、硐室温度对于临界压风量影响较大。

3)过渡室CO最大浓度范围约在0.5 m处，大部分过渡室CO浓度接近0，高浓度CO以小范围尺寸扩散，因此将过渡室内CO最大浓度作为避难硐室安全标准不可行，将过渡硐室平均CO浓度作为安全标准较为合理。