基于Pyrosim的风速对矿井火灾蔓延规律影响研究

田水承 窦培谦 张成镇，3

（1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安710054；2.中国劳动关系学院安全工程系，北京100048；3.长江航运公安局九江分局，江西九江332000）

矿井火灾是矿井五大灾害之一［1］。据统计矿井 火灾主要是由于运输皮带和机电设备着火导致的［2］，矿井火灾不仅会使设备设施烧毁，而且可能会引发次生灾害；另一方面，矿井巷道狭窄且相对封闭，一旦发生火灾，烟气及温度蔓延迅速，瞬间会恶化井下工作环境，引发井下矿工恐慌，甚至导致窒息事故。目前，对于矿井火灾的研究主要包括火灾原因分析［3］、风险评价［4］等，仿真模拟及实验研究较为缺少。张辛亥［5］采用火灾动力学软件（FDS）研究顶棚烟道对巷道火灾烟气流动的影响；李宗翔［6］采用实验和TF1M3D仿真平台对下行风流火灾烟气蔓延规律进行研究，通过综述发现以往矿井火灾仿真研究中火源的反应类型设置较为简单，很难反应真实的火灾情况。为此，本项目采用Pyrosim火灾仿真模拟软件构建矿井巷道模型，根据实际情况设置火源及反应类型，设置不同风速工况条件，以研究矿井在不同风速下火灾烟雾及温度的蔓延规律。

1 模型构建

1.1 矿井巷道火灾模型建立

构建一个水平的矿井巷道模型，其总体框架是50 m×3 m×3 m的矿井巷道，如图1所示，模型的左下角为模型的原点（0，0，0），模型内置材料有煤炭、石头、泡棉、松木。模型中设置有监测火灾蔓延的探测器如温度探测器、烟雾浓度探测器等，温度探测器设有6个，设置的具体位置坐标为（5，1.5，1.6）、（10，1.5，1.6）、（15，1.5，1.6）、（25，1.5，1.6）、（35，1.5，1.6）、（45，1.5，1.6），烟雾浓度探测器也设有6个，且设置位置与温度探测器相同。将探测器设置在高为1.6 m处，是因为在火灾时人员疏散逃生口鼻处的高度都接近于1.6 m［7］；同时，为更加直观观测火灾随时间的蔓延情况在模型中Y=1.5 m及Z=1.6 m平面都分别设置温度切片和烟雾浓度切片；此外，在模型X=0 m及X=50 m两平面分别设置通风口。

1.2 网格划分与火源设置

矿井巷道模型单元网格大小为0.25 m×0.25 m×0.25 m，共28 800个网格。1 m×1 m火源中心设置在（5，1.5，1）处的松木基座上，考虑到矿井外因火灾大多是由于运输皮带和机电设备着火导致故火源的反应类型为聚氨酯燃烧反应［8］。矿井火灾发展过程属于t2火模型［9］，该模型公式为Q=αt2，其中Q为热释放速率，kW；α为增长系数，kW/s2；t为时间，s。根据t2火模型等级划分，矿井外因火灾属于中速，α取值为 0.011 27 kW/s2［10］；根据典型火灾场所的最大热释放速率，矿井外因火灾的最大热释放速率为1 500 kW，依据t2火模型公式，合院式古建筑火灾360 s左右可达到最大热释放速率，火源热释放速率随时间的变化如图2所示。数值模拟时间为1 000 s，环境初始温度为20 ℃，分别设置0.5 m/s、1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s 6种不同风速的工况分别进行矿井巷道数值模拟，如图3所示。

2 矿井火灾温度蔓延规律

数值模拟结束后，对各工况下数值模拟出来的数据进行分析处理，其中各工况下各监测点温度随时间的变化情况如图3所示。由图3可知，火灾发生后各监测点的温度在火源未达到最大热释放速率前呈二次函数升高，在火源热释放速率达到最大值后各监测点温度缓慢升高直至稳定。0.5 m/s、1 m/s、4 m/s和5 m/s工况下各监测点稳定温度随监测点距离火源距离的增大而减低，但2 m/s和3 m/s工况下各监测点稳定温度不是随监测点距离火源距离的增大而减低，2 m/s工况下10 m处监测点稳定温度低于20 m处监测点稳定温度，3 m/s工况下20 m处监测点稳定温度最低，且40 m处监测点稳定温度高于30 m处监测点稳定温度。

进一步分析2 m/s和3 m/s工况下各监测点稳定温度不随监测点距离火源距离的增大而减低的原因，将各监测点数值模拟数据稳定温度阶段中900～1 000 s的温度数据取平均值进行分析，如图4所示。发现各监测点稳定温度随风速呈波动变化，随风速的增加稳定温度都具有先升后降再升的趋势，且趋势随着距离的增加而减弱；通过纵向比较各监测点稳定温度的变化，也存在一定的规律，各监测点稳定温度随风速增加而降低的最低点会随着距离的增加而增大，如5 m处最低点为风速2 m/s，10 m和20 m处最低点为风速3 m/s左右，30 m处最低点为风速4 m/s，40 m处最低点为风速5 m/s。

更进一步分析2 m/s和3 m/s工况下各监测点稳定温度不随监测点距火源距离的增大而减低的原因，所以将各工况下数值模拟数据稳定温度阶段中900～1 000 s的温度数据取平均值随距离增大的变化进行分析，如图5所示。发现在风速为0.5 m/s、1 m/s、4 m/s和5 m/s工况下各监测点稳定温度随监测点距离火源距离的增大而减低，而2 m/s风速下各监测点稳定温度随监测点距离火源距离的增大呈波动变化，3 m/s风速下各监测点稳定温度随监测点距离火源距离的增大先快速降低后缓慢升高至稳定，通过比较发现3 m/s工况下利于矿井人员逃生，稳定温度随距离火源距离的增大快速下降，下降后的温度在人的承受极限内，故最利于井下人员疏散逃生，相比4 m/s和5 m/s的风速更加经济。

为归纳出各工况下稳定温度随距离的变化规律，本文对图5中各工况下监测点稳定温度随距离的变化曲线进行拟合，0.5 m/s时拟合曲线函数为T=144.03d-0.177，相关性系数R2=0.99；1 m/s时拟合曲线函数为T=212.11d-0.296，相关性系数 R2=0.99；4 m/s时拟合曲线函数为T=190.24 d-0.44，相关性系数R2=0.97；5 m/s时拟合曲线函数为T=156.42 d-0.373，相关性系数R2=0.97。各曲线呈幂函数分布，且拟合曲线的相关性系数R2都大于0.95，具有显著的相关性，而2 m/s和3 m/s风速下温度波动大拟合出的幂函数相关性系数为0.5左右，故在此不与讨论。将以上4种工况下拟合的幂函数（T=ad-b）系数进行进一步的拟合，其系数a拟合曲线如图6所示，拟合函数为a=-14.738v2+78.29v+125.86；系数b拟合曲线如图7所示，拟合函数为b=-0.034 8v2+0.230 7v+0.083 2。故构建出的各工况下稳定温度与风速、距离的函数公式为

温度切片可以更加直观地观察温度在平面的分布情况，如图8、图9所示，为Tecplot软件处理后各工况下Z=1.6 m平面和Y=1.5 m平面在950 s时温度的分布情况。由图8可知，在Y=1.5 m平面上随着风速的增加竖直平面内距离火源相同距离的稳定温度越低。

由图9可知，在Z=1.6 m平面上随着风速的增加水平平面内的稳定温度越低，且3 m/s风速下的稳定温度巷道两侧温度较巷道中间温度高，有利于井下人员逃生，这与数据分析的结果相吻合。

3 矿井火灾烟雾蔓延规律

为探究各工况下数值模拟烟雾的蔓延规律，数值模拟结束后，对各工况下数值模拟出来的数据进行分析处理，其中各工况下各监测点烟雾浓度随时间的变化情况如图10所示。由图10可知，在火灾热释放速率达到最大值时，各工况下各监测点烟雾浓度都开始处于稳定，故图10中只画出500 s内的烟雾浓度变化情况。对于5 m处监测点其烟雾浓度上升迅速，各工况下的稳定烟雾浓度都能接近达到100%；10 m处监测点其烟雾浓度上升也较为迅速，除3 m/s风速下稳定烟雾浓度达到80%，其他工况下的稳定烟雾浓度都能接近达到100%；20 m、30 m和40 m处监测点其烟雾浓度较前2监测点处上升较为缓慢，各监测点稳定烟雾浓度随着风速的增大而降低，而3 m/s、4 m/s和5 m/s工况下的稳定烟雾浓度变化不大，都分布在60%～80%内，所以3 m/s风速最有利于矿井人员的逃生，且相对4 m/s和5 m/s更加经济。

为更加直观观察模型内横竖平面内能见度随时间的变化情况，在此，选取2 m/s风速下的能见度切片进行观察，如图11、图12所示，为Tecplot软件处理后各时刻Y=1.5 m平面和Z=1.6 m平面在2 m/s风速下的能见度情况。Y=1.5 m竖直平面300 s内各时刻下能见度，由图11可知，相同位置随时间的增加能见度越来越低，能见度由30 m逐渐降到1 m以内，200 s左右高1.6 m处的能见度就已经降到了4 m以内。

图12为Z=1.6 m水平平面200 s内各时刻下的能见度情况。由图可知，相同位置随时间的增加能见度也越来越低，高1.6 m平面在50 s时平面内的能见度都在28 m左右，在100 s时该平面内大部分的能见度大致在15～20 m左右，在150 s时该平面内大部分的能见度大致在5～10 m左右，在200 s时该平面内大部分的能见度大致在4 m左右，这与竖直平面观察的结果相吻合。

4 结论

（1）火源及反应类型的设置能很好地反应真实的矿井外因火灾。火源设置为t2火，火灾系数α取值为0.011 27 kW/s2，最大热释放速率为1 500 kW，反应类型设置为聚氨酯燃烧反应。以上设置都较好地符合矿井外因火灾的特性，从而保证了数值模拟结果能够反映矿井外因火灾的真实情况。

（2）3 m/s风速最利于矿井下火灾人员逃生，且最为经济。对数值模拟结果温度的数据及切片分析，发现3 m/s风速下各监测点稳定温度随监测点距离火源距离的增大先快速降低后缓慢升高至稳定，温度的下降速度较其他工况下快，稳定温度巷道两侧温度较巷道中间温度高，且稳定温度与4 m/s和5 m/s工况下的稳定温度相近都在人的承受极限内；对数值模拟结果烟雾浓度的数据分析，发现3 m/s风速下稳定烟雾浓度相比于其他工况的稳定烟雾浓度低，且最经济；故通过2种方式都证明了3 m/s风速最利于矿井下火灾人员逃生，且最为经济。

（3）得出矿井火灾稳定温度函数公式，其与火源距离呈幂函数关系，且系数与风速呈二次函数关系。对各工况下监测点稳定温度随距离的变化曲线进行拟合，发现各曲线呈幂函数分布，且0.5 m/s、1 m/s、4 m/s和5 m/s风速下拟合曲线的相关性系数R2都大于0.95，具有显著的相关性。于是对拟合出的幂函数系数进行深入分析发生其系数呈二次函数分布，故得出矿井火灾稳定温度与火源距离和风速间的函数公式。