巷道火灾时期烟流参数变化规律模拟分析

刘业娇，薛俊华，袁 亮，田志超，邓东生

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司，安徽 淮南 232001；2.内蒙古科技大学矿业研究院，内蒙古 包头 014010；3.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室，河南 焦作 454000；4.安徽理工大学，安徽 淮南 232001；5.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819)

煤矿井下空间狭小、通风巷道错综复杂、供风量有限，发生火灾时井下人员的逃生避灾会受到空间环境的影响。矿井巷道火灾燃烧时形成火风压，容易引起局部风流紊乱，甚至造成整个通风系统混乱，容易造成井下人员烧伤、中毒或窒息事故，造成巨大损失。国内外研究状况表明，对矿井火灾发生发展规律的研究方法主要有理论分析、实验研究和计算机模拟三种[1-2]，这三种研究方法互相依存，互为验证。本文主要采用计算机模拟手段对巷道火灾时期烟流参数的变化规律进行分析，力求得到火灾时期烟气流动的全面模拟结果和明确发展趋势，以有效指导矿井火灾预防工作以及为开展火灾救援行动指明方向。

1 矿井巷道火灾模型的建立及网格划分

1.1 矿井巷道火灾模拟实验系统的建立

为研究火灾时期矿井巷道烟流参数的变化规律，按照流体相似原理，选取内蒙古鄂尔多斯市某煤矿N401工作面进风系统中的主运顺槽、辅运顺槽以及联络巷为原型，并进行适当的简化，按照1∶20比例构建实验模型。实验系统中主运顺槽和辅运顺槽长度为8.6 m，联络巷长度为1 m，所有巷道的断面宽度为0.25 m，断面高度为0.175 m，断面积为0.045 m2，火区位于主运顺槽左端距离入口0.775 m处。实验系统总体结构如图1所示[3-4]。

单位：mm图1 实验系统总体结构图

1.2 矿井巷道火灾物理模型的建立

本文主要研究矿井巷道火灾时期烟气对下风侧巷道风流的影响及其灾变规律，不考虑火灾燃烧的具体过程及后续反应，因此，只将火源简化为一个固定体积的稳态高温热源。通过煤类火灾材料的热释放特性实验和煤类火源总放热量的实验数据，火源释放能量取432 kJ，烟气成分主要是CO和CO2。根据建立的“矿井巷道火灾模拟实验系统”，在GAMBIT中建立相应的几何模型，生成三维模型[5]。

在对火灾烟气流动数值模拟时，为方便计算，进行以下假设[6-7]：①火灾火源的热释放速率值为一定值，生成的烟气成份主要为CO和CO2，并且生成物的质量生成率为固定值；②火灾产生的烟气视为不可压缩流体，遵循理想气体状态方程；③火灾烟气在所研究巷道中的流动为均相、无化学反应的流动；④实验模拟巷道为矩形，巷道壁面干燥无渗透，且火灾期间保持恒温；⑤火灾烟流为充分发展的紊流流动；⑥不考虑采空区漏风以及工作面瓦斯的影响。

1.3 网格划分

要对火灾时期巷道烟流参数(温度、速度、密度和压力)的分布情况进行模拟，必须对三维巷道物理模型进行离散化，即网格划分。利用GAMBIT软件先对巷道模型的各个边划分网格，划分时Spacing的Intervel count根据需要取值；然后对各个面(包括巷道模型的左右面、前后面等)采用Quad-Map方法划分网格，并对巷道模型底面采用Quad-Pave方法划分网格，巷道模型顶面无需划分网格；最后对整个三维巷道模型采用Hex/Wedge-Cooper方法进行体网格划分。划分好的三维巷道模型网格类型主要为六面体网格单元，也包括在适当位置的楔形网格。整个实验装置的三维物理模型及网格划分结果如图2所示。

2 初始、边界条件的设定及计算模型的选取

在矿井巷道火灾三维物理模型中，Inlet1是速度入口(VELOCITY-INLET)，进口物质为烟气(CO、CO2和空气的混合物)，巷道入口初始速度分别取vin为0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s、3.5 m/s、6.5 m/s、8 m/s，速度方向为X轴正方向，温度为500 K。Outlet设置在模型巷道出口处，其边界条件是自由出流(outflow)。巷道壁面设置为壁面(wall)，且壁面是无滑移、绝热的固壁，温度为283 K。巷道顶板和底板设定为煤壁，巷道两帮设定为混凝土壁面，巷道壁面具体参数的设置如表1所示[8-10]。

模拟时将巷道风流视为不可压缩风流，计算模型选用RNGk-ε两方程湍流模型，选择能量方程，采用SIMPLE算法。入口湍流动能系数kin及湍流动能耗散率εin分别按照式(1)和式(2)进行计算。

(1)

(2)

当vin分别为0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s、3.5 m/s、6.5 m/s、8 m/s时，得出入口湍流动能系数kin及湍流动能耗散率εin的数值，见表2。

图2 实验装置三维物理模型及网格划分示意图

表1 巷道壁面参数

参数煤壁混凝土壁面密度/(kg/m3)6002 551定压比热容/(J/(kg·K))1 1001 500导热率/(W/(m·K))0.231.74传热系数/(W/(m2·K))0.250.58壁厚/m0.0150.013

表2 不同入口速度条件下kin和εin数值

另外，由于巷道火灾火源设定为稳态固定热源，因此只进行矿井巷道火灾烟流参数的稳态模拟，模拟时参数“time”设定为“steady”。

3 火灾时期烟流参数稳态模拟结果分析

根据巷道风流入口速度(vin)的不同，采用FLUENT软件模拟分析矿井火灾燃烧稳定阶段时烟流温度场、速度场、密度场和压力场在巷道内的变化规律和分布情况。取不同截面进行分析，X方向取0.45 m、1.1 m、2.6 m、4.35 m、6.05 m、7.75 m，即实验模型中各测点所对应的断面1～12；Y方向取0.125 m、0.8 m、1.4 m，即在实验模型的主运顺槽、联络巷和辅运顺槽中各纵向取一个截面；Z方向取0.025 m、0.15 m，即截取紧贴巷道底部和顶部的断面。

由于当vin≥2.5 m/s时，巷道烟流温度、速度、密度和静压的分布情况都分别大致相同，所以在做不同截面处的烟流参数数值模拟云图时，只选取当vin为0.5 m/s和2.5 m/s时的情况进行分析。但在对火灾时期巷道烟流参数的分布情况进行汇总分析时，为了更全面和更直观，选取的是当vin分别为0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s、3.5 m/s、6.5 m/s、8 m/s时的有关数值模拟数据。

3.1 火灾时期巷道烟流参数变化规律的数值模拟云图分析

3.1.1 火灾时期巷道烟流温度场的分布情况

当巷道风流入口速度vin取不同值时，火灾巷道烟流温度场的数值模拟结果如图3所示。

从图3(a)可以看出，当vin=0.5 m/s时：巷道底部(z=0.025 m)只有主运顺槽的左半部分受到火灾烟流影响，主运顺槽的右半部分、辅运顺槽、联络巷1和联络巷2基本上还未受到火灾烟流侵袭；巷道顶部(z=0.15 m)烟流温度开始升高，主运顺槽顶部烟流在与联络巷1的交叉口处同时向断面3到断面5方向和联络巷1中蔓延；辅运顺槽顶部烟流温度呈现出在与联络巷1交叉口处对称分布的现象，交叉口处最高，左右两侧逐渐降低；但此时烟流仅蔓延到断面9处。

从图3(b)可以看出，当vin=2.5 m/s时：火灾烟流已蔓延到整个巷道(主运顺槽、辅运顺槽、联络巷1、联络巷2和巷道出口位置等)，并且巷道各个地点温度均达到最大值；主运顺槽温度由左到右虽然有逐渐降低的趋势，但降低幅度不大，基本维持在490 K左右；此时辅运顺槽与联络巷1交叉口处温度已不是对称分布，而是交叉口处温度最高；辅运顺槽中位于交叉口左部温度最低，大约为346 K，辅运顺槽中位于交叉口右部温度从交叉口开始向右逐渐降低，最低处约377 K，在巷道出口处温度反而又略微升高，约为428 K。

从图3可以看出，火灾发生后，不管巷道风流入口速度取值多少，巷道烟流温度的变化总体上具有以下规律：烟流扩散范围逐渐增大，先由主运顺槽扩散到联络巷1，然后蔓延到辅运顺槽，最后蔓延到联络巷2；主运顺槽烟流温度从左到右逐渐降低；主运顺槽烟流温度要高于辅运顺槽烟流温度；联络巷1烟流温度要高于联络巷2烟流温度；巷道顶部(z=0.15 m)烟流温度要比底部(z=0.025 m)烟流温度升高的快。

3.1.2 火灾时期巷道烟流速度场的分布情况

当巷道风流入口速度vin取不同值时，火灾巷道烟流速度场的数值模拟结果见图4。

图3 火灾巷道烟流温度场的数值模拟云图

图4 火灾巷道烟流速度场的数值模拟云图

从图4(b)可以看出，当vin=2.5 m/s时：巷道顶部和底部烟流速度变化趋势基本相同，均是主运顺槽从左到右逐渐降低；辅运顺槽烟流速度只在与联络巷1和联络巷2的交叉口处略有增大，其他地点无变化；巷道出口处烟流速度要高于联络巷和辅运顺槽中烟流速度，但低于巷道入口处烟流速度。

从图4可以看出，火灾发生后，不管巷道风流入口速度取值多少，巷道烟流速度的变化总体上具有以下规律：主运顺槽烟流速度从左到右逐渐降低；巷道出口处烟流速度略低于巷道入口处烟流速度，但要高于巷道其他地点烟流速度；辅运顺槽烟流速度只在与联络巷1和联络巷2的交叉口处略微升高，其他地点基本无变化；巷道顶部(z=0.15 m)与底部(z=0.025 m)烟流速度分布大体相同，变化梯度不大；联络巷1与联络巷2烟流速度分布基本相同，且联络巷1和联络巷2分别与主运顺槽和辅运顺槽的交叉口处烟流速度要明显低于巷道入口和出口烟流速度。这是因为在交叉口处存在局部阻力，巷道火灾产生节流效应，使烟气流动受到阻碍，降低了烟流速度。

3.1.3 火灾时期巷道烟流密度场的分布情况

当巷道风流入口速度vin取不同值时，火灾巷道烟流密度场的数值模拟结果见图5。

从图5(a)可以看出，当vin=0.5 m/s时：主运顺槽烟流密度从左到右逐渐增大，巷道风流入口风流密度处最低，巷道出口处烟流密度最高；巷道顶部辅运顺槽在与联络巷1交叉口处烟流密度呈对称分布，交叉口处略低，两侧略高；巷道底部联络巷1、联络巷2和辅运顺槽烟流密度都很大，这是由于巷道风流入口速度太低，导致这几处的烟流无法很快被稀释或吹散。巷道底部烟流密度要高于巷道顶部；联络巷1中烟流密度要低于联络巷2。

从图5(b)可以看出，当vin=2.5 m/s时：主运顺槽中巷道顶部烟流密度基本无变化，巷道底部烟流密度也很小；辅运顺槽中巷道顶部烟流密度明显低于巷道底部，与联络巷1交叉口处烟流密度对称分布现象消失，但最左端烟流密度仍然高于右半部分；联络巷1中烟流密度要低于联络巷2。

硫磺回收装置烟气中SO2的主要来自净化尾气中的含硫化合物，主要包括H2S和有机硫[4]。改造前后排放的尾气中有机硫变化如图2所示，在改造前，净化尾气中有机硫（主要是COS和CS2）的含量（79.30mg/m3，平均值）明显高于改造后的有机硫含量（27.60mg/m3，平均值），改造后有机硫脱除率在69.71%，这也是降低烟气中SO2的主要原因。

图5 火灾巷道烟流密度场的数值模拟云图

从图5可以看出，火灾发生后，不管巷道风流入口速度取值多少，巷道烟流密度的变化总体上具有以下规律：主运顺槽烟流密度从左到右逐渐增大，巷道风流入口处烟流密度很小，巷道出口处烟流密度高于入口处烟流密度，但要低于辅运顺槽各地点烟流密度；辅运顺槽烟流密度明显大于主运顺槽烟流密度，并且随巷道风流入口速度的增大，巷道烟流密度逐渐降低，但是辅运顺槽最左半部分烟流密度一直很大，这是因为经过此处的风速较小，通风情况不好造成的；巷道顶部烟流密度要小于巷道底部烟流密度，这是因为巷道顶部烟流温度升高较快，造成其密度减小；联络巷1与联络巷2烟流密度均随巷道风流入口速度的增大逐渐减小。

3.1.4 火灾时期巷道烟流压力场的分布情况

当巷道风流入口速度vin取不同值时，火灾巷道烟流静压场的数值模拟结果如图6所示。

从图6(a)可以看出，当vin=0.5 m/s时，火灾巷道烟流静压总体较低，变化不大。主运顺槽在巷道顶部压力从左到右逐渐降低，在巷道底部压力从左到右逐渐升高，巷道顶部压力高于巷道底部。辅运顺槽在巷道顶部压力从左到右逐渐降低，在巷道底部压力变化不大，保持在0.35 Pa左右，巷道顶部压力略低于巷道底部。联络巷1在巷道顶部压力略高于巷道底部；联络巷2在巷道顶部压力略低于巷道底部。在巷道顶部，巷道出口处压力低于巷道风流入口处压力；在巷道底部，巷道出口处压力略高于巷道风流入口处压力。

从图6(b)可看出，当vin=2.5 m/s时，主运顺槽在巷道顶部和底部压力分布基本相同，均在与联络巷1和联络巷2交叉口处突然升高。辅运顺槽在巷道顶部和底部压力分布也基本一致，但左侧压力要高于右侧。联络巷1中烟流压力略低于联络巷2。巷道出口处压力要低于巷道风流入口处压力。

从图6可以看出，火灾发生后，不管巷道风流入口速度取值多少，巷道烟流压力的变化总体上具有以下规律：随着巷道风流入口处速度的增大，巷道各个地点烟流静压总体升高；巷道出口处烟流压力最低；主运顺槽与联络巷1交叉口处烟流压力突然升高；辅运顺槽与联络巷1交叉口处烟流压力突然降低。

3.2 火灾时期巷道烟流参数变化规律汇总分析

为了更全面和更直观地分析火灾时期火区下风侧巷道烟流温度、速度、密度和压力的变化情况，取vin分别为0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s、3.5 m/s、6.5 m/s、8 m/s时的数值模拟数据，可得出火灾时期主运顺槽、辅运顺槽、联络巷1和联络巷2中心线处烟流在不同vin条件下温度、速度、密度和压力的分布情况。由于巷道火源设定在了主运顺槽最左端，实验模型中主运顺槽下风侧巷道风流受火灾影响最严重，因此只选取不同vin条件下主运顺槽中心线上沿X轴烟流的温度、速度、密度和静压进行汇总分析，具体见图7。

图6 火灾巷道烟流静压场的数值模拟云图

图7 不同vin条件下主运顺槽中心线上沿X轴的温度、速度、密度和静压分布

从图7(a)可以看出，随巷道入口风流速度(vin)的增大，主运顺槽中心线上烟流温度整体逐渐升高。当vin=2.5 m/s时，主运顺槽烟流温度基本上达到最高值，之后尽管vin增大，但巷道烟流温度升高却不快，甚至还下降，例如当vin=3.5 m/s时的烟流温度分布曲线要整体低于当vin=2.5 m/s时的烟流温度分布曲线值。但在同一vin条件下，主运顺槽烟流温度均是从左到右逐渐降低，在其最右端达到最低值。

从图7(b)可以看出，主运顺槽中心线上烟流速度随着vin的增大而逐渐增大，并且升幅均匀；但在同一vin条件下，主运顺槽烟流速度均是从左到右逐渐降低，在其最右端达到最低值。

从图7(c)可以看出，vin越大，主运顺槽中心线上烟流烟流密度整体就越低，当vin=2.5 m/s时，主运顺槽烟流密度基本上达到最低值，之后尽管vin增大，但巷道烟流密度却不再下降，甚至还出现上升的现象，例如当vin=3.5 m/s时的烟流密度分布曲线值要整体高于当vin=2.5 m/s时的烟流密度分布曲线值。

从图7(d)可以看出，当vin≤3.5 m/s时，主运顺槽中心线上烟流静压变化不大，仅在-0.5～1 Pa之间浮动；当vin≥6.5 m/s时，主运顺槽中心线上烟流静压变化范围较大，最高值达5 Pa，最低值只有-3 Pa。

4 结 论

1) 按照流体相似理论，以实际煤矿采区进风系统为原型，建立“矿井巷道火灾模拟实验系统”，通过实验可以研究火灾时期巷道烟流温度、速度、密度和压力的分布情况，能够确定烟气蔓延的范围，反映矿井实际巷道火灾中火区及其对通风网络的影响，为井下防火和救援工作提供技术指导。

2) 采用GAMBIT软件建立实验系统的物理模型并进行网格划分，利用FLUENT软件对矿井巷道火灾时期烟流温度场、速度场、密度场和压力场进行稳态模拟和分析，为划定火灾烧伤、有毒有害气体中毒或窒息以及瓦斯或煤尘爆燃或爆炸的空间范围提供科学依据。

本文仅对水平巷道中固定火源位置和火源规模的火灾烟流参数进行了稳态模拟和分析，在下一步的研究工作中可以对倾斜巷道不同倾角、不同火源位置以及不同火源燃烧规模情况下的火灾烟流参数进行稳态和非稳态模拟分析，以力求得到更加全面和准确的矿井火灾时期烟气发展和运移规律。