全矿反风风速对硐室火灾烟气影响的数值模拟

李雯静，邱立强，任大军

(1.武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081)

矿井硐室火灾发生后，及时采取合适的全矿反风风速能有效地防止火灾烟气蔓延。矿井常采用反风演习核算风量[1-4]，但频繁的反风演习会影响正常的生产秩序，造成工作延误、矿山经济损失和较高成本。目前国内外已有许多学者基于CFD应用于矿井火灾数值模拟研究[5-16]。

利用FDS软件构建井底车场硐室火灾场景模型，对4种不同全矿反风风速(1.0、1.5、2.0、2.5 m/s)下的矿井火灾进行动态模拟，研究巷道内烟气浓度和能见度变化规律，分析不同反风风速的可行性，确定合适的反风风速。

1 矿井火灾场景模型

1.1 巷道模型构建

利用FDS软件构建的矿井巷道三维模型如图1所示。

图1 矿井巷道三维模型

由于FDS软件中的基本形状只能是长方体，因此需要对模型进行如下简化：

1)火灾发生于井底车场硐室，硐室尺寸为4 m×4 m×3 m。

2)水平巷道采用矩形断面，其断面尺寸为3 m×4 m，长为200 m。

1.2 火源设置与探测设置

边长为1 m的正方形火源位于硐室中部，其气相反应类型为正庚烷。根据相关学者对硐室火灾数值模拟研究[17]，热释放速率选择为20 MW。采用t2火灾模型描述矿井火灾发展过程，并在100 s时火源热释放速率达到最大。

人员疏散逃生口鼻处的高度接近于1.6 m[18]，因此在硐室左侧选取4个探测点(L1、L2、L3、L4)，均位于x方向的巷道对称轴上，在y方向间隔 20 m，在z方向距巷道底板1.6 m。右侧4个探测点(R1、R2、R3、R4)布置与左侧探测点布置相同。在这 8个探测点设置烟气浓度探测器，同时在y=8 m平面设置烟气能见度切片。

1.3 网格尺寸划分

网格尺寸参数的设置直接影响模拟结果的精确程度[19]。网格敏感性分析表明：网格尺寸d与特征火焰直径D有关，网格尺寸的经验值为特征火焰直径的较为合适，当网格尺寸d=0.1D和0.2D时，模拟效果最佳[20]。特征火焰直径D计算公式如下：

(1)

式中：Q为火源的热释放速率，取20 000 kW；ρb为空气密度，取1.2 kg/m3；cp为空气比热容，取1 kJ/(kg·K)；Tb为环境空气温度，取293 K；g为重力加速度，取9.81 m/s2。

当d选0.01 m或0.02 m时，模拟时间过长。本模型考虑在合适的模拟时间内，采用多种网格(0.75、0.50、0.25、0.10 m)进行模拟。经对比发现，当网格尺寸为0.25 m和0.10 m的烟气浓度(体积分数，下同)曲线较接近，如图2所示。因此选择0.25 m×0.25 m×0.25 m作为该模型的网格尺寸。

图2 不同网格尺寸下L1探测点的模拟结果

1.4 矿井通风模拟

根据巷道通风措施，将矿井通风模拟分为3个过程：

1)正常通风。在0～150 s，巷道内通风风速为2.0 m/s。

2)无通风。在150～450 s，巷道内没有通风风流。

3)反风通风。在450～600 s，矿井采取4种不同反风风速措施，其通风方向从左到右，如图3 所示。

图3 矿井反风示意图

2 数值模拟结果与分析

2.1 巷道左侧烟气分析

位于硐室左侧4个探测点(L1、L2、L3、L4)的烟气浓度随时间(450～600 s)的变化曲线如图4所示。图4中在450 s时4个探测点烟气浓度都约为0.02%，说明模拟结果较稳定。

(a)L1探测点

1)当反风风速为1.0 m/s时，烟气浓度在探测点L1、L2和L3处不断增加；而在L4处先从0.02%减小到0.01%，后又增加到0.02%。由于在1.0 m/s时反风风速较小，产生的反风风压小于火风压，造成巷道内风流紊乱，并在L4处烟气出现明显回流现象。此时风流方向未发生改变。

2)当风速为1.5、2.0、2.5 m/s时，烟气浓度先上升后下降，且降速随反风风速的增大而增大，此时风流方向发生改变。

3)为确保反风措施经济性和可行性，初步确定反风风速为1.0～2.0 m/s较合适。当在1.0～1.5 m/s反风风速下，硐室左侧的烟气浓度可能会增高，并不能确定烟气流向是否改变；而当反风风速为1.5～2.0 m/s 时，烟气浓度在L3和L4处最终趋近为0。因此反风风速确定为1.5～2.0 m/s。

2.2 巷道右侧烟气分析

位于硐室右侧4个探测点(R1、R2、R3、R4)的烟气浓度随时间(450～600 s)的变化曲线如图5 所示。

(a)R1探测点

1)当反风风速为1 m/s时，在探测点R2、R3和R4位置烟气浓度在0.02%上、下波动。此时反风对硐室右侧的风流影响较小，巷道内的烟气浓度保持不变。

2)随着巷道内的反风风速增大，烟气从硐室左侧流向右侧，右侧烟气浓度快速增大。由图5(d)可知，在反风风速1.5、2.0、2.5 m/s条件下，R4探测点烟气浓度均先在0.02%上、下波动，再快速增高，之后缓慢下降，且反风风速越大，烟气浓度越先下降。说明在反风风速1.5、2.0、2.5 m/s条件下，硐室左侧烟气排出，硐室右侧的烟气量先增加后减少。

2.3 巷道能见度

在矿山巷道内能见度是影响矿井人员的救援和逃生的主要因素。在600 s时不同反风风速条件下，y=8 m 平面能见度对比如图6所示。

图6 巷道y=8 m平面能见度

由图6可知，在450 s时的反风初始时段整个巷道内能见度约为0 m。在600 s时，当反风风速为 1 m/s 时，巷道内能见度变化较小，与450 s时相差不大；随着反风风速增大，巷道内能见度不断增高；当反风风速为2.5 m/s时，硐室左侧巷道内能见度为30 m。由此可确定巷道内临界风速为2.5 m/s。若人员采取救灾救援措施，矿井反风风速需确保大于临界风速(2.5 m/s)。

3 结论

通过FDS软件模拟了4组不同全矿反风风速下矿井火灾场景，得到各反风风速下烟气浓度和能见度变化规律，分析得出如下结论：

1)矿井反风风速不应小于1.0 m/s，否则巷道风流会紊乱，烟气存在明显回流现象；随着反风风速增大，巷道进风侧风流方向开始反转。为确保巷道的反风措施有效和经济，本模型反风风速选为1.5～2.0 m/s较为合适。

2)当矿井反风风速小于1.0 m/s时，硐室右侧巷道内烟气的浓度保持不变，不受反风的影响；而当反风风速为1.5、2.0、2.5m/s时，硐室右侧烟气浓度不断增高。

3)巷道内的能见度随着反风风速的增大而增高。若事故需救灾救援，反风风速应大于临界风速 2.5 m/s。