矿井避难硐室净化装置布局数值模拟研究

邓元媛 张祖敬 袁艳平

(1. 四川交通职业技术学院，四川省成都市，611130；2.西南交通大学机械工程学院，四川省成都市，610312；3.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市九龙坡区，400039)



矿井避难硐室净化装置布局数值模拟研究

邓元媛1张祖敬2,3袁艳平2

(1. 四川交通职业技术学院，四川省成都市，611130；2.西南交通大学机械工程学院，四川省成都市，610312；3.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市九龙坡区，400039)

为探索净化装置在避难硐室内的合理配置与布局，本文采用FLUENT数值计算软件，研究了长通道式和转角式矿井避难硐室内净化装置配置与布局对室内空气流场及CO2浓度分布场的影响。研究结果表明，对于50人型避难硐室，仅采用1台净化装置时，室内CO2浓度可控制在0.9%，室内浓度差为0.5%；采用两台净化装置时，室内CO2浓度范围为0.4%～0.7%，室内最大CO2浓度差值为0.3%，长通道式避难硐室净化装置宜分布在硐室两端，转角式避难硐室净化装置宜分布在两翼靠近壁面的中部；使用3台净化装置时，室内CO2浓度控制在0.3%～0.5%的范围，室内最大CO2浓度差值为0.2%。

长通道式避难硐室 转角式避难硐室 净化装置 CO2浓度 空气流场

矿井避难硐室是设置在矿井逃生路线上为事故遇险人员提供96 h以上安全防护的与灾区环境相对隔绝的密闭空间。自2010年8·5智利圣何塞铜矿坍塌事故后，矿井避难硐室的作用和重要性得到前所未有的关注和重视。2017年神木县板定梁塔煤矿4·19透水事故中，6名遇险矿工被困井下避难硐室77 h后成功获救；2017年山西清徐东于煤矿5·22透水事故中，4名遇险矿工躲入避难硐室获救。

空气质量是井下人员安全避灾的基本保障，澳大利亚与美国规定避难硐室内CO2平均浓度不高于1%，连续24 h内最高浓度不超过2.5%，CO浓度不大于0.0025%；我国要求避难硐室内CO2浓度不大于1%，CO浓度不大于0.0024%。由于灾后井下供电中断和设备的防爆要求，空气净化成为避难硐室内难以解决的关键技术。

周方年研究得出避灾期间人体的CO2代谢速率为0.34 L/min；郭莉华等研究了人体代谢产生的CO、H2S、NH3等微量气体成分与代谢速率；张祖敬等研究提出在避难硐室内对人体产生的CO、H2S等微量气体无需净化，重点考虑去除CO2。目前，大多数煤矿避难硐室采用的净化方式是安装空气净化装置和悬挂净化药帘。葛亮等研究了一种集电动、气动、脚踏3种驱动方式为一体的避难硐室用空气净化装置；陈于金等研制了一种集成空气净化与降温功能的降温净化装置；何廷梅采用数值模拟方式研究认为2台净化装置可将CO2浓度控制在0.50%以下。从已有文献可看出，避难硐室内空气净化技术主要集中于净化装置的研制，而在硐室内净化装置合理配置与布局优化方面缺乏系统地研究。

为了合理配置避难硐室内净化装置数量并优化装置布局，本文建立了长通道式和转角式避难硐室几何模型，采用FLUENT软件研究了50人型避难硐室内不同人员分布和净化装置配置与布局情况下室内的空气流场与CO2浓度场分布，得出不同结构避难硐室内，人员与净化装置的合理布局模型。

1 模型建立及工况、参数设置

1.1 模型建立

长通道式50人型避难硐室物理模型呈拱形，长17 m、宽4 m、高3.3 m，体积为223 m3；硐室内人员呈坐姿状态，为降低建模与运算难度，人体模型简化为由多个长方体组成的整体，高1.1 m，人员呼气出口简化为0.015 m×0.03 m的矩形面，相对底边高1 m；净化装置简化为0.4 m×0.4 m×1 m的长方体，在净化装置的正面距离底边高0.8 m处作半径为0.036 m的圆形面为净化装置出风口，底面为净化装置进风口。根据生存室内部结构及室内人员数量，主要考虑两种布局模型。其中，模型1中，沿生存室长边的一侧放置3台净化装置，而人员分坐于另一侧；模型2中，2台净化装置分布在硐室两端，人员呈4排分坐在生存室内。两种不同的布局模型如图1(a)、(b)所示。

图1 长通道式50人硐室布局

转角式50人型避难硐室物理模型中，硐室横断面与长通道式相同，内边长8.5 m，外边长10.5 m。除此之外，模型中人体与净化装置几何尺寸与上述相同。根据生存室内部结构及室内人员数量，主要考虑两种布局模型。其中，模型1中，沿生存室两翼长边的一侧分别放置1台净化装置，外转角处放置1台净化装置，而人员分坐于两翼短边的一侧；模型2中，硐室两翼的两端各放置1台净化装置，外转角处放置1台净化装置，人员分坐生存室内两翼。两种不同的布局模型如图2(a)、(b)所示。

图2 转角式50人硐室布局

1.2 模拟工况

长通道布局模型1中，3台净化装置从左到右依次编号为1、2、3；模型2中，2台净化装置依次编号为4、5。转角式布局模型1中，3台净化装置从左到右依次编号为6、7、8；模型2中，3台净化装置依次编号为9、10、11。

为检验净化装置数量与布局对避难硐室内空气流场及CO2净化效果的影响，对长通道式和转角式避难硐室分别进行5种不同工况的模拟分析，净化装置使用情况如表1所示。

表1 净化装置使用工况

1.3 边界类型与初始条件设置

根据避难硐室内空气净化装置净化工作原理，净化装置出风口为硐室的进风口，净化装置的进风口为模型出风口。因此，将模拟工况中运行的净化装置空气进、出口分别设置为outflow与Velocity-inlet，而未运行的净化装置进、出口均设置为wall。人员呼气出口为模型中CO2混合气体的进风口，设置为Velocity-inlet。避灾时，人为静坐或睡眠状态，根据文献，取人均呼出CO2速率为0.34 L/min。呼出气体中O2占16%，CO2占4%，N2占78%，其余气体假定为水蒸气，占2%。可计算出模型中人体呼气出口风速为0.26 m/s。

根据常见矿井避难硐室内空气净化装置的实际使用性能，净化装置出风口风速取值10 m/s。同时，假设净化装置出口吹出的气流为新鲜风流。具体边界类型定义及边界条件设置如表2所示。

2 结果分析

2.1 长通道避难硐室内空气流场分布

为了分析长通道式50人型避难硐室中5种不同工况下室内空气流场分布效果，将风速显示分辨率最大值设置为3 m/s，不同工况下室内气流分布如图3所示。

表2 边界条件设置

图3 不同工况下长通道避难硐室内气流分布

由图3可看出，在距离出风口2 m以内的范围风速衰减到1 m/s以下；净化装置开启数量的增加使室内风流分布更加均匀，但影响效果并不显著，硐室内大部分区域的风流速度在0.4 m/s以下范围。

2.2 长通道避难硐室内CO2浓度分布

将CO2浓度显示分辨率最大值设置为1×10-2，5种不同工况避难硐室内CO2浓度分布如图4所示。

图4 不同工况下长通道避难硐室内CO2浓度分布

由图4(a)、(d)看出，硐室内仅开启1台净化装置时，硐室内CO2浓度分布明显不均匀，硐室两头CO2浓度较高，已接近0.90%，而净化装置所在的中心区域CO2浓度在0.06%～0.07%范围内；由图4(b)、(e)看出，硐室内开启2台净化装置时，硐室内CO2浓度分布相对比较均匀，浓度值在0.36%～0.50%之间；由图4(c)可看出，硐室内开启3台净化装置时，硐室内CO2浓度分布更加均匀，分布在0.27%～0.35%之间。通过比较可以看出，增加避难硐室内的净化装置开启数量能使硐室内CO2浓度分布更加均匀，起到更好的净化效果。

2.3 转角式避难硐室内空气流场分布

为比较2台净化装置不同布局时硐室内空气流场分布，将工况7、9进行比较；为比较3台净化装置不同布局时硐室内空气流场分布，将工况8、10进行比较，不同工况下室内空气流场分布如图5所示。

图5 不同工况下转角式避难硐室内空气流场分布

由图5(a)、(c)看出，2台净化装置时模型1与模型2中的空气流场略有差距，室内风速主要分布在0.75 m/s以下；由图5(b)、(d)看出，3台净化装置时室内风速主要分布在0.5～1 m/s，模型1中风速较模型2中的分布均匀。

2.4 转角式避难硐室内CO2浓度分布

CO2浓度显示分辨率最大值设置为1×10-2，5种不同工况下避难硐室内CO2浓度分布如图6所示。

图6 不同工况下转角式避难硐室内CO2浓度分布

由图6(a)看出，仅有1台净化装置工作情况下，室内大部分区域CO2浓度在1%以下，但局部CO2浓度在1%以上，因此1台净化装置不能满足50人的避难硐室CO2气体净化需要；由图6(b)、(d)看出，2台净化装置时，硐室内CO2浓度主要分布在0.4%～0.7%， CO2浓度差值小于0.2%，满足室内CO2空气净化需要，而工况7较工况9净化效果更好；由图6(c)、(e)看出，3台净化装置时，硐室内CO2浓度主要分布在0.3%～0.5%，CO2浓度差值小于0.1%，工况8较工况10净化效果更好。

3 结论

(1)在不考虑净化装置的条件下，在50人型避难硐室中使用1台风量为2.4 m3/min、出口风速为10 m/s的净化装置时，能将室内CO2浓度控制在0.9%以下，但CO2浓度与风速分布不均匀，室内最大CO2浓度差达0.5%。长通道式避难硐室使用1台净化装置时，净化装置布置在硐室的一端室内CO2浓度分布更加均匀；转角式避难硐室使用1台净化装置时，净化装置宜布置在室内转角处。

(2)使用2台净化装置时，室内CO2浓度控制在0.4%～0.7%的范围，室内最大CO2浓度差为0.3%。长通道式避难硐室使用2台净化装置时，净化装置宜布置在硐室两端；转角式避难硐室使用2台净化装置时，净化装置宜布置在两翼沿墙壁的中部。

(3)使用3台净化装置时，室内CO2浓度控制在0.3%～0.5%的范围，室内最大CO2浓度差为0.2%。在转角式避难硐室内，3台净化装置宜布置在硐室两翼端部和转角处。

[1] K.A. Margolis, C.Y.K. Westerman, K.M. Kowalski-Trakofler. Underground mine Refuge Chamber Expectations Training: Program development and evaluation[J]. Safety Science,2011(3)

[2] 杨大明.煤矿井下紧急避险系统建设中的重要问题研究[J].中国煤炭,2011(11)

[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(5)

[4] 周方年.升温期煤矿避难硐室内环境温度变化规律研究[J].矿业安全与环保,2014(3)[5] 郭莉华,徐国鑫,何新星.密闭环境中人体代谢微量污染物的释放行为研究[J].载人航天,2013(1)

[6] 张祖敬,王克全.矿井避难硐室环境有害气体浓度控制技术[J].煤炭科学技术,2015(3)

[7] Bauer E.R., Kohler J.L.. Update on refuge alternatives: research, recommendations and underground deployment[J]. Mining Engineering, 2009(12)

[8] 葛亮.多功能组合式紧急避险系统用气体净化装置的研制[J].煤炭技术,2014(5)

[9] 伯志革.紧急避险系统气体净化装置的研制及性能分析[J].煤炭科学技术,2014(7)

[10] 陈于金.空气净化制冷一体机的研制[J].煤矿机械,2014(3)

[11] 陈于金,许凯.避难硐室气体净化理论分析与试验研究[J].矿业安全与环保,2014(3)

[12] 何廷梅.煤矿避难硐室空气净化装置布局研究[J].矿业安全与环保,2014(6)

(责任编辑 张艳华)

Numerical simulation research on the layout of purification devices in mine refuge chamber

Deng Yuanyuan1, Zhang Zujing2,3，Yuan Yanping2

(1. Sichuan Vocationaland Technical College of Communications, Chengdu, Sichuan 611030, China;2. Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610312, China;3. China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Jiulongpo, Chongqing 400700, China)

In order to explore a reasonable configuration and layout of purification devices in mine refuge chamber, the influence of air purification devices layout in long tunnel and corner-shaped chambers on air flow field and CO2concentration distribution was studied by using FLUENT software. The results showed that, for 50-person refuge chambers, with only 1 set of purification devices, the CO2concentrations could be controlled under 0.9% and the concentration difference was 0.5%; with two sets of purification devices, the CO2concentration ranged from 0.4% to 0.7%, CO2concentration difference was 0.3%. For the long tunnel refuge chamber, the purification devices should be distributed in both ends of the chamber; for corner-shaped refuge chamber, the cleaning device should be distributed in the middle of the wings which close to the wall surface. Using 3 purification devices, the indoor CO2concentration was controlled in the range of 0.3%～0.5%, the maximum CO2concentration difference was 0.2%.

long-tunnel refuge chamber, corner-shaped refuge chamber, purification device, CO2concentration, air flow field

邓元媛，张祖敬等.矿井避难硐室净化装置布局数值模拟研究[J].中国煤炭，2017,43(7)：126-130，138. Deng Yuanyuan, Zhang Zujing，Yuan Yanping. Numerical simulation research on the layout of purification devices in mine refuge chamber [J]. China Coal, 2017，43(7):126-130，138.

TD774

A

邓元媛(1981-)，女，四川达州人，本科学历，副教授，主要从事建筑节能与通风研究方面的工作。