不同火源位置对封闭火区气体分布的影响规律

2021-08-17吴佳平牛会永鲁义李石林

工业安全与环保 2021年8期

吴佳平牛会永鲁义李石林

(1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭 411201；2.煤炭安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭 411201)

0 引言

当煤矿火区发生事故时，如果火情非常严重无法快速扑灭，为了防止着火区域的扩大和人员的伤亡，通常采取封闭火区的方式进行处理[1]。许多学者对封闭火区内的气体变化情况进行了研究。张九零等[2]研究了在封闭火区内，封闭顺序、热力作用以及外部压力等因素对气体运移的影响。邓存宝等[3]通过对CO、O2在煤层和封闭墙之类的多孔介质中进行扩散的机理进行研究，对有效扩散系数的计算公式进行了推导，并根据公式对火区从封闭到启封的时间进行计算。曹胜[4]通过实验的方法，对封闭火区内气体的变化规律进行了研究，优选出最适合指示出封闭火区熄灭情况的指标气体。段玉龙等[5]研究了呼吸效应对矿井封闭火区氧浓度的影响。陆冬冬[6]通过对封闭火区及火灾指标的分析，利用火灾指标的值随时间的变化趋势及各种火灾气体成分在变化中的相互关系建立了新的封闭火区状况评价体系。但均未对封闭火区火源位置对气体运移的影响进行研究。本文针对火源在封闭火区中的不同位置，对甲烷、O2的分布规律进行研究，通过数值模拟来展示封闭火区中各种气体的浓度分布，从而判断出火区瓦斯爆炸危险性，为进风侧防火墙位置的选取提供帮助。

1 封闭火区瓦斯爆炸危险性分析

瓦斯爆炸有3个基本条件：①瓦斯体积分数5%～16%；②引燃瓦斯的最低温度在650～750 ℃；③O2的体积分数大于12%。

瓦斯实质上是指以甲烷为主的可燃气体，其主要成分十分复杂，是一种无色无味的气体。瓦斯的密度为0.716 kg/m3，比空气密度小，所以瓦斯一般聚集在巷道上方。瓦斯虽然为无毒气体，但含量较高时会导致人员窒息。封闭火区内，由于气体无法流通，瓦斯便会在巷道内积聚，因此，一旦巷道内氧气体积分数超过了12%，发生瓦斯爆炸的可能性就很大。

能够引燃火源的最低温度称为引火温度，铁制工具撞击和摩擦产生的火花或者矿井中出现明火，都有可能达到引燃瓦斯的最低温度。在瓦斯浓度不同的情况下，所需的引火温度也不同，但并不是瓦斯浓度越高，引火温度就越高。根据资料显示，在瓦斯爆炸的浓度范围内，瓦斯最容易被点燃的体积分数为7%～8%。

封闭火区的环境对瓦斯爆炸的可能性也有较大的影响：①当火区内的火势较大时，燃烧为富氧燃烧，由于燃烧产生火风压，导致火源下风侧烟流紊乱，烟流温度高，对火区封闭更为不利，在封闭火区时导致瓦斯爆炸的危险性更高。②封闭火区往往并不是那么的“密闭”，一般都会存在漏风的现象，当漏风量增大时，进入火区内的新鲜风增多，氧气体积分数下降到5%所需的时间延长，增加了瓦斯爆炸的危险性。

火区封闭后，由于新鲜风的涌入受到限制，火区内的氧气浓度快速下降，而甲烷浓度有上升的趋势，当两种气体皆符合爆炸条件且温度够高时，易发生瓦斯爆炸事故。而封闭顺序不同，对封闭后火区内的气体浓度和分布的影响也不同。当采用“先进后回”的封闭顺序时，进风侧封闭后，由于新鲜风无法进入，巷道内的火源还未熄灭，消耗氧气的量较大，同时进入火区内的气体大幅度减少使火区内的压力迅速下降，造成火区内的瓦斯浓度升高；同时，新鲜风消失后火区内只存在火风压的作用，易造成风紊乱从而引起瓦斯爆炸事故。当采用“先回后进”的封闭顺序时，机械风压并不会立即消失，但由于回风侧已经封闭，火区内的压力开始缓慢增加，可以减少煤岩层中瓦斯的渗出，封闭完成后，由于机械风压突然消失，瓦斯又开始渗出，并且此时火区内的氧气浓度仍处于较高的水平，极易引发瓦斯爆炸，因此在矿井救灾中一般不选用此方法。当采用“进回同时”的封闭方法时，瓦斯浓度较封闭前略高，氧气浓度显著降低，这种方法所需的救灾时间最短，且火区封闭后，火区内的瓦斯通过通风孔漏出，火区内的瓦斯浓度降低，瓦斯爆炸的危险性下降，是矿井救灾中最常用的方法[7]。

采取合适的封闭措施后，因封闭火区内火源位置不相同，封闭火区内危险状态也不相同，且对后续灭火措施以及启封影响较大，因此对封闭火区内不同火源位置情况下的氧气和瓦斯浓度分布进行研究，并在此基础上对封闭火区内的危险性进行分析，为实际情况下后续灭火措施和火区启封增加安全性。

2 封闭火区模型的建立以及边界条件

2.1 物理模型的建立

本文不考虑封闭火区内浮力效应的影响，因此选择的巷道模型为水平巷道。如图1所示火区为总长100 m，横截面为4 m×2.2 m的拱形墙体，火源简化为R=1的半球面，分别位于巷道中心以及距离中心左、右30 m处，具体坐标为左侧(0，0，30)、中间(0，0，0)、右侧(0，0，-30)，运用Geometry建立的巷道立体三维模型如图1所示。

图1 不同火源位置的巷道三维物理模型示意

本文所研究的巷道是一段连通型的巷道空间，对模型采用六面体主导的网格划分方法，整个模型共划分46 095个网格，划分完成后的网格如图2所示。

图2 巷道模型网格划分

2.2 边界条件及初始条件的确定

入口条件设为压力入口，压力为20 Pa，入口物质是温度为300 K、体积分数为21%的O2，壁面条件为绝热无滑移壁面，壁面温度为300 K，火源是位于巷道底部半径为1 m的半圆球，表面释放一定质量流的CO气体，右侧防火墙上的小孔设为压力出口，顶板和两帮不断有瓦斯渗入火区，质量流率为8.9×10-8kg/(m3·s)。

进行数值模拟计算之前需要先进行初始化，给定流场的初始条件，O2体积分数21%，CH4、CO2、H2O均为0，温度300 K。

2.3 封闭火区流场模型

矿井火灾中的物理化学反应十分复杂，因此实现真实的火灾模拟过程十分困难，对巷道内的复杂条件进行如下简化：

(1)忽略封闭区域内高温烟流与其他物质之间的化学反应；

(2)流体为均匀重力场体积内密度为定值的流动，即不可压缩流；

(3) 巷道壁面采用无滑移的边界条件，且巷道壁绝热，与风流和高温烟流不存在换热；

(4)模拟过程中不考虑巷道内瓦斯向外涌出，即瓦斯不会沿密闭墙涌出。

由于顶板和两帮内不断有瓦斯渗入封闭区域，渗入封闭区内的瓦斯遇到足够的氧气和高温会发生化学反应，本文忽略其复杂的反应机理，将CH4的燃烧简化为以下简单化学反应：

CH4+2O2=CO2+2H2O

2CO+O2=CO2

由上述简化方程可知，封闭火区内的气体组分主要包含CH4、O2、CO、CO2、N2和水蒸气等，因此将模拟封闭火区的流场模型视为甲烷与空气(methane-air)的混合燃烧模型。

3 不同火源位置对封闭火区内气体分布的模拟结果及分析

3.1 左侧火源位置巷道纵截面场分布

取巷道中心纵截面(yz平面，x=0 m)上的甲烷、氧气的浓度分布云图，见图3、图4。

图3 左侧火源位置甲烷浓度场分布

图4 左侧火源位置氧气浓度场分布

如图3所示，整个巷道内的甲烷浓度都比较低，但也呈现较规则的分层分布，由于甲烷密度小于空气密度，所以甲烷较多地分布在巷道的上层，顺着漏风风流方向，巷道内甲烷浓度越来越高，在距离巷道进风侧防火墙最远处的甲烷浓度最高，大约为0.42%；火源点附近的甲烷浓度相对较低，大约为0.17%～0.21%。

如图4所示，防火墙漏风导致新鲜风流进入，漏风端的氧气浓度最高，顺着风流方向，氧气浓度越来越低。由于火源点释放一定质量流的CO，CO与O2反应，导致火源点附近的氧气浓度下降。火源上风侧的氧气体积分数为15.4%～21%，火源点处的氧气体积分数大约为14%，氧气体积分数大于12%的区域长度大约为22 m。

3.2 中间火源位置巷道纵截面场分布

中间火源位置甲烷、氧气浓度场分布云图见图5、图6。

图5 中间火源位置甲烷浓度场分布

图6 中间火源位置氧气浓度场分布

如图5、图6所示，和火源位置在左侧时相比，火源位置在中间时，火区内甲烷、氧气浓度在这两种位置时差别不大，整体甲烷浓度还是比较低。甲烷多聚集于巷道的右上方，氧气则多聚集于巷道的左下方。火源位置处的瓦斯体积分数为0.29%～0.34%，比火源位置在左侧时高；氧气体积分数为8.1%～9.9%，比火源位置在左侧时低，火源处的氧气浓度和甲烷浓度均未达到瓦斯爆炸标准，氧气体积分数大于12%区域的巷道长度大约为32 m，比火源位置在左侧时长。

3.3 右侧火源位置巷道纵截面场分布

右侧火源位置甲烷和氧气浓度场分布云图见图7、图8。

图7 右侧火源位置甲烷浓度场分布

图8 右侧火源位置氧气浓度场分布

如图7、图8所示，当火源位置位于巷道右侧时，火区内整体瓦斯浓度有略微的提升，最高瓦斯体积分数为0.45%，整体氧气浓度有略微的下降，最低氧气体积分数为1.49%，但整体变化幅度较小。封闭巷道内整体氧气浓度偏低的范围较大，火源位置处的甲烷体积分数为0.41%～0.45%，氧气体积分数为3.4%～7.3%，未达到瓦斯爆炸标准，发生瓦斯爆炸的危险性较小。氧气体积分数大于12%的区域长度大约为34 m。

对图4、图6、图8进行对比可知，火源位置距离进风侧防火墙的距离越远，火区内氧气体积分数高于12%的区域就越大，满足瓦斯爆炸条件的区域也越大，越不利于后续火区的灭火和启封。