基于FDS 的矿井胶带运输巷火灾数值模拟研究

周倍淇 张孟浩

（山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037000）

矿井火灾是威胁矿山安全生产的五大灾害之一，具有突发性强、继发性灾害多、救援难度大等特点。因此，本文针对柳湾煤矿61122 工作面的运输巷道，采用FDS 火灾动力学模拟软件，深入探讨了井下风速的变化对矿井火灾蔓延规律的影响，为指导井下工作人员逃生及救援提供了依据。

1 火灾模拟软件FDS 基础理论

1.1 FDS 控制方程

FDS 是由美国国家标准技术局所研发的火灾动力学模拟工具，是基于大涡模拟技术模拟火灾能量驱动流体流动的三维计算流体力学软件，作为数值计算在防灾减灾及建筑、消防等领域中应用的典型代表。FDS 为研究物质燃烧特性、火灾发展蔓延规律和逃生救灾等工作提供了便捷、有效的计算工具，FDS 是目前火灾研究领域应用最广泛的软件之一。

FDS 计算要先建立控制方程，其定义为能够准确、完整描述某一物理现象或者规律的数学方程，即质量方程、动量方程、能量方程、组分方程及状态方程，其具体公式[1]如下：

1）质量守恒方程

式中：ρ为气体密度，kg/m3；t为时间，s；ui为i方向上的速度，m/s。

2）动量守恒方程

式中：p为静压力，Pa；ρgi为i方向所受的体积力，N；g为重力加速度，取值为9.8 m/s2；Fi为热源引起的源项；τij为应力张量值，N。

3）能量守恒方程

式中：h为焓，J/kg；K为热导率，W/（m·K）；qr为体积热释放率，W/m2；T为温度，K；Yi为第i种组分的质量分数；Di为扩散系数，m2/s。

4）组分方程

式中：mi''' 为单位体积内第i种组分的质量生成率。

5）状态方程

式中：R为气体摩尔常数，J/（mol·K）；Mi为第i种组成成分的摩尔质量，kg/mol。

1.2 火灾数值模拟的步骤

火灾数值模拟技术是指导现代防灾减灾的科学实验成果之一，主要研究火灾的燃烧过程、蔓延规律，以及火源附近区域的温度变化、风速流向变化和烟气运移规律等。因此，火灾数值模拟技术实现了对传统火灾模型理论的跨越，在消防救援领域中广泛应用。

火灾动力学模拟求解步骤[2]如下：先建立控制方程组、确定初始和边界，确定区域离散、节，然后建立离散，对方程进行求解数值方。在此基础上判断是否收敛，若收敛则分析计算，若不收敛则修改，重新进行判断，如此循环往复处理。

这是一首主张勤劳工作、志不可荒的诗。 值得注意的是，作者并不是一味警戒世人，而是既同意应该快乐的时候就快乐，只是必须有节制。 这就符合人情，深厚得多。 所谓思深便是如此。

2 矿井胶带火灾模型

2.1 工况概述

柳湾煤矿隶属于汾西矿业集团有限责任公司，矿井东北距离山西省孝义市城区18 km，井田大部位于山西省孝义市境内，西南跨入交口县西逻、李家坡一带，南部至灵石县东逻、金庄一带。

柳湾煤矿61122 工作面的运巷采用矩形断面，净宽4.5 m，净高3.2 m，净断面积14.4 m2，掘进宽4.7 m，掘进高3.4 m。运巷断面如图1。

图1 运巷断面（mm）

2.2 模型建立

由于煤矿井下环境比较复杂，其模拟场景将简单化，特作假设条件[3-4]：当燃烧发生时，火灾烟气在巷道扩散的过程中其物理性质和化学性质均稳定，不会产生任何反应；火灾产生的烟气均视为多组分理想气体，遵循理想气体状态方程；巷道中的侧壁温度属于冷却带温度，火灾发生期间始终处于恒温状态。

胶带运输巷物理模型如图2。该模型的尺寸为40 m×3 m×3 m。数值模拟中采用大涡湍流模型，用聚氨酯模型模拟燃烧。在巷道的左侧设置进风口和引火源，进风口的尺寸为3 m×3 m，引火源的尺寸为1 m×2 m。由材料库导入质量分数为1.0 的混凝土作为巷道的侧壁、地板及顶板，巷道侧壁和地板的尺寸均为40 m×3 m，巷道顶板的尺寸为3 m×3 m×40 m。当模拟开始运行的时候，引火源处于燃烧状态，进风口有气流产生。

图2 物理模型

从进风口的位置开始算起，热电偶设置在火源正上方的1.5 m 处，主要记录火源附近产生的烟气温度变化情况。

2.3 网格划分及工况设置

FDS 对胶带运输巷火灾模拟计算之前应进行网格敏感性分析，目的是寻找符合巷道模型的合理网格。网格尺寸是FDS 设置的重要参数，也是决定计算的准确性以及计算时间的关键因素。如果网格过大，会导致结果出现较大的计算误差；如果网格过小，会导致时间步长缩短，模拟计算时间增大。因此，网格尺寸的经验值为特征火焰直径的1/4～1/16 最为合适，特征火焰直径D*计算公式[5]如下：

式中：Q˙为火源热释放速率，kW；ρ0为环境密度，kg/m3；Cp为定压比热，kJ/（kg·K）。

据《煤矿安全规程》规定的风速范围，选取胶带运输巷内风速分别为1.0 m/s（工况1）、1.5 m/s（工况2）、2.0 m/s（工况3）；模拟中火源热释放速率为1200 kW/m2，模拟时间持续为50 s，各工况运行时间接近5 h。

3 模拟结果分析

3.1 烟气运移规律

燃烧50 s 时3 种工况下的烟气分布如图4。工况1 的烟气刚开始向下风侧扩散，主要受浮力效应的影响使得烟气全部集中在胶带运输巷的上部。由于火源不断地燃烧，工况1 的烟气出现下沉现象并向上风侧转移，巷道中的风流紊乱以烟气逆退的形式出现。上风侧的烟气逆退距离为5 m，此后的时间内巷道烟气持续动态稳定。为了测得风速对胶带运输巷火灾烟气的影响，将风速提高到1.5 m/s（工况2）、2 m/s（工况3）进行模拟计算。工况2 的巷道内烟气出现逆退现象，距离10 m。工况3 暂未出现烟流逆退现象，烟气全部位于下风侧。

图4 燃烧50 s 时3 种工况下的烟气分布图

通过对比模拟结果，火灾烟气在运输巷内扩散和流动表现出移动速度不稳定的特征。在燃烧初期，火源产生的烟气由于受到浮力效应的影响而处于上升阶段，沿着巷道顶板呈现出束状流动向两端扩散。随着火源不断地燃烧，火灾烟气出现分层贴附态势并逐渐向下部流动，与未受污染的空间出现明显的分界线。但是由于时间的推移这种界限不再清晰，风流紊乱使火源的下风侧已完全充满烟气，结果造成巷道中形成大范围的高浓度烟气危害区。因此，要充分认识烟气分层流动以及扩散缓慢的特点，有利于井下人员最大限度地利用剩余宝贵时间避险，对火灾逃生及救护抢险工作具有重要意义。

3.2 温度分布变化

在三种工况作用下，火源中心线平面可以表现出运输巷内最高温度的变化特征。因此，在巷道中心设置X=1.5 m 的温度切面，用来记录巷道下风侧火源温度的变化情况。为了便于观察巷道温度，设定smokeview 温度条的最大显示温度为100 ℃。

燃烧40 s 时3 种工况下的温度分布如图5。工况1 在燃烧40 s 时，位于火源附近的热电偶测得温度为59.73 ℃，而工况2 的温度为21.96 ℃，工况3的温度为21.13 ℃。因此，风速越大，火势越小，火源附近的温度越低。由于风速对附着在胶带上的遗煤引燃时间影响不大，但是风速过大会散去大量的热量，从而阻挡了遗煤的燃烧。同时还可以观察到，烟气由火源沿着巷道纵向蔓延的过程与温度较低的侧壁面进行热对流交换，与周围的环境发生能量交换，距离火源区域越远，则温度越低。

图5 燃烧40 s 时3 种工况下的温度分布图

4 结论

1）胶带运输巷发生火灾时，增大风速，可以减缓火源的上游区域受到火灾烟气的影响，降低火势沿着巷道横向发展的趋势。

2）火灾产生的高温烟气在巷道内发生热分层现象，随着风速的增加，火源附近的热量被驱散，从而温度不断下降。