矿井系统下行风流火灾实验与TF1M3D平台仿真研究*

李宗翔，张慧博 ，路宝生，王天明

( 1．辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2．矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 阜新 123000)

0　引言

矿井外因火灾(以下称矿井火灾)是危害煤矿安全生产的重大灾害之一，矿井火灾造成人员伤亡，多是火灾后产生的高温有毒烟流在矿井中蔓延，造成人员中毒或窒息。因此，对火灾时期矿井风流紊乱，火灾烟流在矿井巷道网域中扩散规律研究显得十分紧迫和重要。

国内外学者在矿井火灾烟流扩散、火灾热动力[1-3]等方面取得很大进展，其中文献[4-6]应用FDS，Fluent等通用软件对矿井局部巷道系统进行仿真研究。但对全矿井巷道系统下行风流火灾时期风流紊乱现象缺少系统的仿真分析研究，灾变时期风流紊乱仿真分析[7-11]成果很少。本文应用自行开发的矿井灾变时期通风仿真系统TF1M3D软件[12]，以典型矿井火灾为例，结合火灾风流紊乱相似管道实验，对矿井下行风流火灾风流紊乱问题进行分析。

1　矿井下行风流火灾风流紊乱相似管道实验

火灾风流紊乱相似管道实验结构如图1(a)所示，实验装置如图1(b)所示。主干风路由Φ44 mm的石英管件组成，并在其中布置电阻丝；旁侧支路采用Φ48 mm的金属管。实验采用抽出式通风，由多档位变压器改变风机通风能力，变压器可提供3，4.5，6，7.5，9，12 V等级电压。模拟火源按图2曲线模式实时调节。分别在不同电压等级下进行实验，实验各测点数据通过软件实时采集，得到实验数据如图3所示。电压等级超过4.5 V后，主干风路风流不发生逆转。

图1　矿井火灾风流紊乱实验装置Fig.1　Experiment device of airflow disorder

图2　电阻丝实时电压调节曲线Fig.2　Real-time voltage regulation curve of resistance wire

通过3 V与4.5 V 2组实验对比分析，在图2火源模式的作用下，随着火源强度前期快速增长，主干风路和总风量迅速下降，旁侧支路风量迅速上升，700 s左右时，各测点温度最高，火风压最强，各路风量达到极值，滞后火源最大值500 s。随着通风机能力增强(即电压等级提高)，实验管道中风量变化速率逐渐减小，其中主干风路风量极值越来越大，如图4所示。在3 V电压等级下主干风路出现风流逆退现象，旁侧支路风量超过总风量，并联管道出现内循环风流；当电压4.5 V及以上时主干风路风流衰减，但未逆退。第780 s火源熄灭后，管道才逐渐冷却恢复到火灾前状态。实验表明，通风机通风能力越强，越有利于克服主干风路风流紊乱，维持风流方向稳定。

图3　不同风机电压等级下实验测试数据Fig.3　Experiment test data for different voltage ratings of fan

图4　不同电压等级主干风路风速极值Fig.4　Wind speed extreme value of main airflow branch under different voltage level

实验研究只能是针对简单风流网路的基本分析，对全域的矿井巷道系统情况就更加复杂，可以看做是众多简单风路的集合，情况复杂，必须用仿真分析的方法来研究[11]。必须借助于仿真平台手段。

2　矿井下行风流火灾的仿真分析

2.1　TF1M3D灾变通风仿真软件简介

图5　n=260 r/min时关键时刻烟流浓度扩散云图Fig.5　n=260 r/min， smoke flow at the critical moment

矿井立体巷道网域火灾时期通风系统可视化仿真专业分析软件 TF1M3D[9-12]，能够形象、动态描述矿井火灾发展趋势，实现灾害演变过程的物理仿真。通过TF1M3D平台，能科学预测煤矿火灾的灾害和波及范围、获得灾害经验，评估矿井通风系统火灾抗灾能力，制定科学的火灾应急预案，为最大限度的减灾救灾提供决策依据。 TF1M3D是基于MATLAB开发的基于有源风网理论，可实现正常通风与灾变过程一体化计算，能够描述矿井的非稳态通风、矿井火灾、煤与瓦斯突出、反风等过程。软件不需要绘制通风网络图，实现矿井巷道网络空间结构上的真实描述。采用透视的三维图显示，并通过缩放、平移、旋转进行多视角观察。在矿井火灾仿真计算中，引入收敛效果很好的风流停滞与转向的收敛因子，同时考虑因密度变化引起的热阻力变化，以及风流紊乱导致的瓦斯积聚和浓度超限；在描述火源强度时，考虑风流氧浓度以及可能出现回燃的问题。

2.2　山家林矿典型案例火灾的仿真

山东枣庄集团山家林煤矿在1986年11月24日发生重大矿井火灾事故。火灾事故发生在井下二水平-380处的上仓皮带巷，为下行风流火灾，高温烟流形成的火风压，导致该巷道内出现风流逆退现象，造成危害范围进一步扩大。事故持续了3 d，造成了大量的人员伤亡和财产损失。

用TF1M3D软件搭建山家林煤矿立体仿真模型并进行仿真。模拟采用与管道实验相似的火源燃烧模型，设定火源燃烧时间为10 000 s，最高温度为1 092 ℃。3个风井的通风机转数分别为260 ，340 ，450 ，590 r/min。运行TF1M3D软件，模拟出山家林煤矿在发生上述火灾事故时，井下烟流浓度和温度的实时动态变化传播过程，如图5所示，其中图6为山加林矿局部通风系统。

火灾发生初期，火灾烟流在通风机的动力作用下沿原风流方向流动，第540 s大量火灾烟流侵入220上山和-380副巷，在220上山及-380副巷连接处形成局部火风压，对由220上山、-260副巷、223上山和-380副巷形成的回路产生逆时针的动力作用，如图6(b)所示，对220上山和-260副巷风流流动起促进作用，对223上山和-380副巷风流流动起阻碍作用。随着火灾烟流持续侵入、烟流温度逐渐增高，局部火风压逐渐增大，第1 020 s，-380副巷风流反向火灾烟流逐渐退出，第1 380 s火灾烟流经过-260副巷逆流进入223上山，第2 340 s火灾烟流进一步逆流进入-380副巷，部分烟流达到二号回风井，第10 267 s火灾烟流到达另外2个回风井，经3个回风井排至大气。

图6　山家林矿局部通风系统Fig.6　The partial ventilation plan of Shan Jialin Mine

2.3　山家林矿井火灾仿真结果分析

为考察通风机对火灾的影响，模拟了不同转速下上仓皮带巷和223上山不同时刻风量值，如图7所示。

图7　火灾时期不同转数下关键巷道上的风量变化Fig.7　Changes of air volume in the key roadway during fire period under different rotational speed

1) 从图7(a)可以看出，前期由于火区热阻力迅速增大到极值，上仓皮带巷风量快速衰减，继而平缓，随火风压增大风量逐渐减少达到最小值，其中：当n=260 r/min时，风量为8.98 m3/s；当n=340 r/min时，风量为10.26 m3/s；当n=450 r/min时，风量为10.4 m3/s；当n=590 r/min时，风量为10.6 m3/s。通风机能力越强，上仓皮带巷风量衰减到的极小值越大，即主干风路风流逆退越困难；随着火源强度降低，风流状态逐渐恢复至火灾发生前，其中：当n=260 r/min时，时间为10 140 s；当n=340 r/min时，时间为9 960 s；当n=450 r/min时，时间为9 900 s；当n=590 r/min时，时间为9 830 s。随着通风机能力提高，上仓皮带巷风量恢复至火灾发生前状态耗时变短。

火灾模拟中，采用点火源，火源强度小于实际火灾事故中的巷道线火源的强度；未出现主干风路风流逆转现象，但模拟到了上仓皮带巷(即火灾主干风路)风流的衰减变化趋势。从图7的变化趋势得出，在矿井火灾时期，提高矿井通风机能力可有效克服主干风路风流紊乱现象发生。所得到的模拟结果与下行风流火灾管道相似实验所得结果基本一致，直观揭示了矿井火灾时期，通风机能力对主干风路风流稳定性的影响。

2) 从图7(b)可以看出，矿井火灾时期，223上山风量随火源燃烧强度变化呈现出先迅速衰减，直至零点，再继续反向至最大值，最终随火源衰减、熄灭恢复火灾前风流状态。与常规现象不同，山家林矿下行风流火灾，即使在上仓皮带巷(即火源处)风流未发生逆退，仍会引起井下223上山巷道产生风流逆转现象。且223上山巷道风流稳定性并不是随通风机能力增强而提高，反而随通风机能力增强，223上山巷道风量衰减至零的时间变短，风量达到反向最大值增大，风流紊乱现象更加明显。

223上山风流紊乱状态随通风机能力提高而增强，是由于风机转速增大，巷道内风速增高，火灾烟气在风机作用为主导的动力作用下，同样时间内，在220上山巷道内传播距离更远，产生更强的局部火风压，促使223巷道风流紊乱现象加剧。

3　结论

1) 下行风流火灾时期，火源强度与火区热阻力同步增大，节流效应使主干风路风量迅速减小。在矿井大尺度的影响下，火风压最大与火源强度存在时间差或滞后效应，火风压最大是火灾烟流温度与扩散距离综合作用的结果；使主干风路风量达到极值，时间滞后于火源强度达到最大值的时间。

2) 在下行风流火灾的矿井中，通风机能力越强，主干风路风流克服火风压作用、保持原状态的能力越强；火灾结束后，风流恢复原风流状态所用的时间越短。但在某些巷道上，通风机能力增强后，发生风流紊乱幅度更加明显。

3) 在复杂矿井通风网络系统中，即使火灾主干风路风流未发生逆退，井下某些巷道内仍可能产生风流紊乱的现象，甚至在局部巷道内形成循环风流。

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