煤矿避难硐室喷淋系统模拟分析研究

摘 要：喷淋系统是煤矿避难硐室安全防护的重要组成部分。利用计算机模拟软件，分析不同配置方式的喷淋系统对过渡室内有害气体净化效果的影响情况。根据模拟结果，设置3个喷淋装置的喷淋系统，对过渡室内有毒有害气体去除效果最好。

关健词：煤矿；避难硐室；喷淋系统；模拟分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.047

0 前言

煤矿避难硐室是煤矿安全生产的重要保障设施[1-2]。喷淋系统是煤矿避难硐室安全防护的重要组成部分，其通过喷出的高速气流对避险人员从外部携带的有毒有害气体进行冲洗、稀释，使带入生存室的有毒有害气体大幅减少，在避险人员进入避险设施的初期即可尽量降低有毒有害气体浓度，保证生存舱内的空气质量[3-4]。目前，对喷淋系统如何配置并没有详细具体的规定，在避难硐室建设时，大多根据相关经验来进行设计和配置，喷淋效果上有很大差异。笔者利用计算机模拟软件，对避难硐室喷淋效果形成的流场以及喷淋气体对过渡室内有毒有害气体的稀释效果进行分析研究，为避难硐室喷淋系统的设计提供理论依据。

1 模拟实验设计

1.1 模型建立与网格划分

建模是基于典型煤矿避难硐室过渡室的实际尺寸，采用三维建模软件UG建立满足流体仿真需要的1：1尺寸过渡室模型，并在过渡舱空间中按盘管型喷淋装置的实际喷气平面位置与排气管位置建立了喷头与出风口模型。由于过渡室区域空间较大，而喷盘局部又有较细微的喷嘴结构，因此对网格数量和大小进行了独特的划分，在喷嘴位置适当加密，而远离喷嘴的开放空间适当放大网格尺寸，以减小求解代价。使用FluentMeshing质量检查工具对网格划分质量进行检查，得到最差网格质量为0.71，平均网格质量为0.2389。对于四面体网格，fluent计算要求网格质量在0.9以下，推荐为0.8以下，因此网格质量完全可满足求解要求。网格数量控制在645万，在可接受的求解范围之内。过渡室及喷淋出口网格划分如图1～2所示。

1.2 边界条件与计算条件设置

流体介质为常态空气，密度取1.225kg/m3；入口取流量边界条件，换算为质量流量0.0565 kg/s；出口取为大气条件，设为压力出口，压力为1atm，入口管线气体流量为60m3/h，压力为0.5MPa；出口为大气状况。

1.3 模拟工况条件

过渡室内安装喷淋装置的位置如图3所示。

根据过渡室室内喷淋装置布置情况，设计以下工况条件进行模拟：

工况1：1#、2#、3#喷淋装置均开启；

工况2：1#、2#喷淋装置开启，3#喷淋装置关闭；

工况3：1#、3#喷淋装置开启，2#喷淋装置关闭；

工况4：2#、3#喷淋装置开启，1#喷淋装置关闭；

工况5：1#喷淋装置开启，2#、3#喷淋装置关闭；

工况6：2#喷淋装置开启，1#、3#喷淋装置关闭；

工况7：3#喷淋装置开启，1#、2#喷淋装置关闭。

2 模拟结果

按照设计工况条件，逐个进行计算机数值模拟计算，数值模拟计算后形成的整体流场如图4～10所示。

3 试验结果分析

（1）当有且仅有1个喷淋装置开启时，喷淋装置仅能对其下方及周边区域的空气进行扰动，对过渡室整体的空气扰动范围较小；对3个喷淋装置独立开启时过渡室内空气的扰动情况进行比较，可以发现当喷淋装置位于中间时虽然扰动范围仍然较小，但能带动整个过渡室的空气进行扰动，喷淋装置位于两边时仅能对自身一侧的空气进行扰动，对较远一端的空气扰动作用非常微弱，因此如果只安置1个喷淋装置时，应尽量放在过渡室的中心区域。

（2）当有2个喷淋装置同时开启时，喷淋装置对过渡室整体空气的扰动范围增大；对2个喷淋装置开启时过渡室内空气的扰动情况进行比较，可以发现当喷淋装置较为靠近时（即1#、2#同时开启或2#、3#同时开启）过渡室内的气体扰动更为强烈，当喷淋装置位于过渡室兩侧时（即1#、3#同时开启）过渡室内气体扰动范围更广但过渡室中间出现了死角，因此，如果可以安置2个喷淋装置时，应同时考虑喷淋装置的距离和覆盖范围。

（3）当3个喷淋装置同时开启时，喷淋装置对过渡室整体空气的扰动范围最大，从整体流场图中也能看到过渡室的地面几乎没有死角，同时由于喷淋气体的互相作用，气体混合的更为均匀，喷淋效果也更好。

参考文献：

[1]杨大明.关于井下紧急避险系统设计的探讨[J].煤矿安全，2012，

43（01）：118-122.

[2]李芳玮，金龙哲，韩海荣等.煤矿井下避难硐室的选址及其关键技术[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2012，31（05）：687-689.

[3]孙继平.煤矿井下避难硐室与救生舱关键技术研究[J].煤炭学报，2011，36（05）：713-716.

[4]祝雁辉.煤矿避难硐室通风及温度调控关键技术研究[D].中国矿业大学，2014.

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划“煤矿井下逃生及紧急避险技术及装备”（2012BAK04B09）

作者简介：吴兆宏（1980-），男，江苏盐城人，硕士，主要从事矿用设备安全性能研究与安全标志管理工作。