运输巷火灾烟流引流系统设计

2021-10-21朱令起刘可忻周艺婷

煤矿安全 2021年10期

朱令起，刘可忻，周艺婷

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山 063210；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山 063210）

2019 年全国原煤产量37.5 亿t，煤炭占一次能源消费比重57.7%[1]。矿井火灾严重威胁煤矿安全生产、危害职工生命安全，给社会带来巨大经济和能源损失[2]。矿井火灾事故是常见的矿井灾害之一，井下一旦发生火灾，将产生大量有毒有害气体，改变井下风流，直接或间接影响危害矿工生命与健康安全，并且矿井巷道内可燃物多，巷道距离长等特点，一旦发生火灾，有毒有害烟气将会持续扩散，将有害气体和高温热流传播到其他区域，扩大矿井受灾范围[3]。因此，针对火灾发生时，运输巷道内烟气引流系统的设计具有重要意义。

针对唐山矿T3290 运输巷道及其回风巷设计灾变风流引流方式[4]，采用风流短路法将在编风流引入专用回风巷方法。通过CO、烟雾传感器判定火灾发生信息，双向风速仪检测反向风流，最终由PLC电控柜启动风窗电机使得风窗自动开启，引导风流进入回风巷以实现烟流短路。

1 数值模拟

由于受到巷道内多种环境因素影响，发生火灾时运输巷道内烟气及CO 并非均匀分布, 将传感器设置在巷道中能够更早接触到烟气和CO 的位置可以更加及时发现灾情，通过使用Pyrosim 建模软件对火灾情况进行模拟，从而得到巷道中烟流蔓延情况，进而分析得出最佳的传感器布置位置[5-6]。

为了使得模拟效率提升，依据井下的实际状况，对火灾过程进行部分简化，忽略不必要细节，以便进行模型建立和模拟：①运输巷道内火灾产生的有害气体性质稳定，不再相互反应；②巷道内在发生火灾前温度和气流分布均匀稳定；③视烟流为理想混合气体，使用理想状态方程进行计算。

1.1 巷道模型和火源设定

为了提高对于运输巷火灾状况的模拟效率，只建立T3290 甲边眼、T3290 乙边眼、T3280 甲边眼、运输巷绕道、T3283 回风道、距T3280 甲边眼下方100 m运输巷等局部通风系统物理模型。巷道总体模型建立如图1。

图1 巷道总体模型Fig.1 General model of roadway

巷道内带式输送机中的输送带为PVC 材料，而PVC 材料具有难燃易热解的特点，因此为了使得输送带发生燃烧，初始火源释放速率设置为1 个较大值。通过参考多个有关分析矿井可燃物燃烧特性文献[7-9]，将火源总功率设定为600 kW；火源面积设置为0.5 m2。

1.2 模拟结果

分别截取火灾发生初期120 s 时，巷道距火源35、40、45、50 m 4 个巷道截面CO 体积分数模拟图片，巷道横截面CO 体积分数如图2。

图2 巷道横截面CO 体积分数Fig.2 Roadway cross section CO volume fraction

由图2 可知，此时，CO 已完全覆盖巷道顶部，数值已超过150×10-6；在接近火源的位置，受高温影响，巷道两侧CO 体积分数明显高于其他位置，随着逐渐远离火源，CO 逐渐向下沉积，CO层变厚；靠右侧CO 体积分数更高。这是由于右侧接近火源，涡流速度更快，使得CO 积聚在此。巷道轴向CO 体积分数如图3，巷道轴向2.4 m 处风速图如图4。

图3 巷道轴向CO 体积分数Fig.3 Roadway axial CO volume fraction

图4 巷道轴向2.4 m 处风速图Fig.4 Wind speed diagram at 2.4 m point of roadway axial

由于风流受到巷道墙壁约束作用，巷道墙壁表面至轴心方向风流呈层流和紊流状态。由图3 可知，在3.1～3.3 m 处，CO 体积分数等值线出现尖端，表明在此高度上，CO 将更早出现[10-11]。图4 可知，巷道的上下层表面风流速度分布均匀，说明此处风流呈现层流，且受巷道壁面的影响，风流速度稳定于0.6～0.8 m/s 之间。在高3.1～3.3 m 处，各流速线均呈现前锋间断的现象，说明同一时刻，该高度风流速度更快，烟气传播距离更远。

火灾发生之时由于受到火灾热效应，巷道壁面摩擦约束以及巷道形状等影响，高温有毒烟气聚集于巷道顶面而后向两侧蔓延。因此，设计的风流引流系统中，应将传感器置于带式输送机一侧，高3.1 m 处，此位置能够更早的捕捉到CO 及烟气信号，从而更早发现火情使得风流引流系统做出反应。

2 引流装置控制策略

得益于计算机以及通讯技术的不断发展，计算机技术逐渐开始应用于各个领域。可编辑逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）大大减少了人们对于复杂电气的控制要求。可编程逻辑控制器通过可编程的存储器，便可完成信息的存储，逻辑的运算，顺序的控制等任务及维护简单，维修时只需更换模块和部分零件即可[12]。基于其种种优点，运输巷烟流引流装置选用PLC 作为灾变时期控制系统的电气控制结构[13-14]。

对于不能独立通风的运输巷，为保证将有毒有害气体引流至回风巷内，通常采用局部风流短路的方法[15-16]。唐山矿运输巷发生火灾时，通过回风引流巷将有毒有害气体引入总回风巷内，控制总漏风量，考虑到防腐及耐风压等问题，设计在运输巷尾部回风引流巷处加装2 个铝合金卷帘调节风窗，通过PLC 控制装置，实现火灾发生时对风门的线性开启控制，起到将有害烟气引流至回风巷内的作用[17-18]。

根据上前面分析得出的最佳观测位置，在运输巷内分别设置2 个CO 传感器、2 个烟雾传感器对巷道内气体进行监控，共同判定火灾的发生，并设置双向风速传感器，作为风窗的控制辅助信号，减少风量损失。将烟雾数值和CO 体积分数预设值设定为0.05 obs/m 和24×10-6，作为判定标准输入PLC 模块，与CO、烟雾传感器实时感知信号进行比对。风窗自动控制系统如图5。

图5 风窗自动控制系统Fig.5 Wind window automatic control system

当CO 传感器监测到运输巷内CO 体积分数大于24×10-6和烟雾体积分数传感器监测到巷道内烟雾体积分数在0.05 obs/m 以上时，PLC 模块开始控制卷帘风窗1、卷帘风窗2 的电机同时转动控制卷帘上升，实现风流短路。此时双向风速传感器不断向PLC 模块反馈实时风速，当监测到反向风速达到0.2～0.5 m/s 时，卷帘风窗1 和卷帘风窗2 电机停止运转，为防止出现风窗过卷现象，设置了上下限位开关进行控制。