大气压力变化对锁风启封火区气体积聚的影响规律

黎经雷，牛会永，鲁 义，李石林，赵 蕾

（1.湖南科技大学 能源与安全工程学院，湖南 湘潭411201；2.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭411201）

矿井火灾治理过程中，火区在封闭一段时间后，对于非永久性封闭的火区来说，在火区内部环境满足规定的条件下，方可对其采取启封措施。然而，由于复杂的火灾因素和环境因素，工作人员在对火区条件的判断上易产生误判，在这种情况下启封火区易造成火区复燃，甚至有瓦斯爆炸的危险。孙若山[1]等人在分析矿井火区启封安全性的基础上，提出了在火区治理过程中的气体信息采集准则16 项和火区燃烧状态判断准则12 项。许满贵[2]等人在对高瓦斯矿井象上矿280 总回风巷进行锁风侦查的基础上，应用锁风启封法将该火区安全启封，并提出火区侦查、锁风侦查、缩小火区对于高瓦斯矿井火区的启封是非常有效的。杨小强[3]等人通过自主研发的实验系统研究了煤在多种条件下火区的复燃性及气体产物的生成规律，得出煤体温在250～260℃，即使火区内存在较高浓度的可燃性气体，启封过程中供氧也不会发生复燃。由此看出，火区启封前对火区内部及周围环境的分析极其重要。火区启封过程中受自然因素的影响较大，大气压力变化会造成防火墙内外产生压力差，引起火区内有毒气体流出或新鲜空气漏入，这对于火区启封的安全性是不利的。为此，通过对火区内外压力间相互关系的理论分析，运用数值模拟方法对火区锁风启封过程中火区内气体分布规律进行研究，分析大气压力变化对火区锁风启封的影响，以便为火区启封时减少有毒气体流出及火区复燃的可能性提供理论依据，从而提高火区启封的安全性。

1 大气压力变化对火区内气体运移作用机理

矿井下的压力变化受多种因素的影响，例如风门开与关、风机转速、矿车的移动等等[4]。相关文献显示，矿井下通风压力的变化与地表大气压力密切相关。地表大气压力的急剧升高与下降，将会引起新鲜空气渗入火区或区内气体流出，即“呼吸作用”。这对于控制火势的封闭火区来说是不利的。因此，研究大气压力对火区内气体运移的影响是有必要的。

矿井火区封闭后，火区内气压基本不受机械风压的影响，此时区的气压内主要受火风压的影响。火区内气体的变化满足理想气体状态方程：

式中：pa为火区气体压力，Pa；Va为火区气体体积，m3；pb为火区外气体压力，Pa；Vb为火区外气体体积，m3；T 为理想气体热力学温度，K；Ta为火区温度，K。

《煤矿安全规程》第248 条对于火区启封前温度的规定[5]：“火区内空气温度下降到与火灾发生前该区的日常空气温度相同”，这里可认为Ta=T；则因火区外压力变化引起火区内气体变化的状态方程为：

对时间t 求导得：

由上述假设的条件知火区内气体体积Va与时间t 的变化率就是火区内气体的涌出量Qa，即：

从式（5）可知，火区气体涌出量Qa与火区外压力的变化率有关。当地表大气压力下降时，火区外压力也下降，火区外压力的变化率为负值，从而火区气体涌出量Qa为正值，即火区气体向外涌出。当地表大气压力上升时，火区外压力的变化率为正值，火区气体涌出量Qa为负值，火区内无气体涌出。

大气压力与封闭火区气体关系图如图1。矿井内火区封闭后，基本隔绝了机械通风动力，但并不能完全停止火区内的空气流动。这时封闭区内的热风压起主导作用[6-7]，带动区内空气缓慢而絮乱流动，流动状态很大程度上取决于封闭区范围、巷道结构、标高差、着火带温度等因素。当大气压力上升时，若防火墙密闭性不够，新鲜空气将漏入火区内而增大区内的氧含量，为由热风压主导作用的风流提供氧量，这种风流继续流向着火带并形成炽热烟流，炽热风流再次进入火源则可能引发爆炸。当地表大气压力下降时，封闭区内的有毒有害气体可能流出，易引起人员中毒。

图1 大气压力与封闭火区气体关系图

2 数值模拟

2.1 动力学控制方程

1）质量守恒方程。封闭区内的气体流动满足质量守恒定律，即单位时间内流入流体微元体中的净质量等于同时刻该微元体中质量的增量。根据这一定律，可得出质量守恒方程：

式中：p0为静压，Pa；v 为速度矢量，m/s；p 为流体微元体上的压力，Pa；g 为作用于微元体上的体积力，N；F 为外部体积力，N；τ 为黏性应力张量。

2）动量守恒定律。封闭区内的流动系统也满足动量守恒定律，即微元体中流体动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上各力之和，也就是牛顿第二定律，可表示为：

式中：ui为在i 方向上的分子黏度系数；uj为在j 方向上的分子黏度系数；p0为静压，Pa；τij为应力张量；gi和Fi分别为i 方向上的重力体积力和外部体积力，N。

3）能量守恒定律。煤矿火区气体流动过程中的热交换系统也必须满足能量守恒定律，即流体微元体中能量的增率等于流入该微元体的净热流量与微元体受体积力和表面力所做功之和，也是热力学第一定律，可表述为：

式中：cp为混合气体的比热容，J/（kg·K）；T 为温度，K；k 为流体的传热系数，W/（m2·K）；ST为黏性耗散项；v 为速度失量，m/s。

2.2 物理模型与参数

2.2.1 物理模型

锁风启封火区法适用于发火面积大，难以判断区内火源是否完全熄灭的情况。其步骤就是在原防火墙外建立1 个临时的风门，待工作人员进入防火墙观察火区情况后再将原防火墙清除，由外到内向火源位置逐段移动防火墙的位置，最后在火区封闭的状态下进入着火带，实现全部启封。忽略建立临时风门的步骤，研究防火墙逐渐向火源推进的过程。

依据唐山矿T1493 巷道尺寸建立物理模型（图2），火区长100 m，横截面为4 m×2.2 m 的圆弧形墙体，火源简化为R=1 m 的半球面且位于巷道中心位置,火源中心点坐标为（0 ，0 ，0）。新鲜空气从左侧防火墙漏入火区，右侧防火墙设为自由出流口（Outflow），顶板和两帮不断有瓦斯渗入火区。将火区内原有氧气的浓度设为2%。

图2 火区物理模型

2.2.2 参数设置

根据唐山矿T1493 实测数据[8]，即对大气压力值与瓦斯浓度值的实测。整理所得的大气压力与瓦斯浓度变化对比见表1。

表1 大气压力与瓦斯浓度对比表

假设火区启封时段在9：00—13：00，由表1 数据对模拟基本参数进行设置，边界条件见表2。

表2 边界条件

3 结果分析

在锁风启封火区时，工作人员在进入封闭区域内后便开始监测封闭区内气体状态（有无爆炸性）并判断是否能进行下一步的启封工作。启封过程中封闭区内的温度基本不变，可视为等温过程。

3.1 锁风启封前火区状态分析

启封前封闭火区中心纵截面氧气分布图如图3。左侧进风端氧浓度最高，顺着风流的方向氧浓度逐渐减低。由于新鲜空气的漏入和火风压的作用，着火带附近的氧浓度在3%～5%之间。正常通风状态下，巷道内的气流流动方向由左自右，顶板和两帮的瓦斯流动方向除了垂直于顶板向外涌出外，还会顺着风流向右移动[9]。火区纵截面上的瓦斯体积分数呈较规则的分层分布（图4），瓦斯气体主要积聚在火源附近且靠近出风口一侧的瓦斯浓度较大，下风侧瓦斯浓度在0.7%以上。瓦斯体积分数由顶板向底板逐渐降低，因为瓦斯除了垂直于顶板和两帮向外涌出外，同时也受到新鲜风流的稀释作用。

图3 启封前封闭火区中心纵截面氧气分布图

图4 启封前封闭火区中心纵截面瓦斯分布图

在此状态下启封火区时，由于封闭区域内基本不受机械风压的影响，这时封闭区内的气体流动很大程度受大气压力变化的影响[10]。大气压力压力上升时预示着更多新鲜空气可能漏入火区，下降时预示着封闭区内的有毒有害气体可能流出[11]。封闭区域内的气体无爆炸性，可继续进行启封工作。

3.2 全部启封火区后的计算结果分析

对封闭火区实施全部启封，即把巷道物理模型由左至右减少40 m 后进行计算。新鲜风流逐渐充满整个巷道，全部启封火区后中心纵截面氧气分布图如图5。顺着风流方向氧浓度逐渐降低，下风侧及顶板处的氧浓度相对较低。这是因为原封闭区域内即使火源已熄灭，但下风侧还是存在一定程度的节流效应从而短暂地抑制新鲜风流的流动，随着通风时间的增加巷道内的氧气分布也会和火灾前巷道内的情况大体一致。巷道内的瓦斯主要积聚在下风侧且浓度相对较低，全部启封火区后中心纵截面瓦斯分布图如图6。瓦斯的分布顺着风流流动方向分层分布，下风侧瓦斯浓度在0.1%～0.48%之间。这是由于巷道内新鲜风流的突然涌入，带着启封前封闭区域内的瓦斯向下风侧流动，新鲜风流在流动的同时也大幅度地稀释了瓦斯气体的浓度[12-14]。

图5 全部启封火区后中心纵截面氧气分布图

图6 全部启封火区后中心纵截面瓦斯分布图

4 结 论

1）在大气压力对火区内气体运移作用机理的基础上，通过对锁风启封前封闭火区内流场状态的分析，对封闭区内气体浓度场的变化进行理论分析，得出了封闭火区内气体浓度场变化的数学模型。

2）锁风启封前火区进风侧存在较高浓度氧气，瓦斯主要积聚在火源下风侧，随着进入火区氧量的增大其瓦斯浓度也相应地降低。

3）在大气压力变化平缓时启封火区危险性较小。矿井实际锁风启封工作时，应根据实际情况合理选择启封时机，时刻监测封闭区域内空气组分和气压的变化，同时作业人员还需与救灾中心时刻保持联系，提高启封作业的安全性，最终完成火区全部启封。