避难硐室通风模拟及有毒有害气体控制技术

2022-05-16梁娟娟

山东煤炭科技 2022年4期

梁娟娟

（山西中能华信矿业技术有限公司，山西太原 030031）

煤炭企业在井下采掘过程中会产生大量的有毒有害气体，存在较大的危险性[1]。紧急避难硐室的作用在于煤矿井下发生事故后，为无法达到地面的井下工作人员提供安全避灾空间[2]。避难人员进入硐室后难免会携带一定量有害气体，同样在硐室避难过程中人体代谢也将产生一定量的CO2、CO、H2S，威胁硐室内人员的生存。笔者在对避难硐室内部环境和人体代谢产生气体分析后，建立了模型，并对不同供风工况进行了模拟，研究结果可为避难硐室的建设及排污提供参考。

1 避难硐室的环境分析

避难硐室需具备压缩氧自救器、水、食物、通信、照明等装备，并为避险人员提供新鲜空气，具有温度、湿度的调节功能，可以对有毒有害气体及时净化[3]。避难硐室属于高温潮湿环境，如果气体含量、温湿度超过规定标准会破坏人体热平衡，使避难人员出现烦躁情绪，甚至会发生呕吐、眩晕、胸闷等症状。理想的矿井避难硐室的气候环境为：O2体积分数为18. 5%～23. 0%，CO2平均体积分数≤1. 0%，瓦斯体积分数≤1. 0% ，CO 体积分数≤0. 002 4%，气温控制在26 ℃以内，相对湿度在85%以内[4-5]。

2 人体代谢产物中有害气体及对人体影响

人体物质和能量的代谢是引发避难硐室在密闭后环境恶化的主要原因。当室内空气中CO2平均浓度达到3%时会使人快速出现头疼症状。CO 的体积分数临界值为5×10-5，超过该值后会影响避难人员的视线和生命体征，是具有代表性的有毒有害气体。H2S 主要破坏的是人的视觉神经，不得超过1×10-5。其他有毒有害气体还有如甲醇、NH3等，会具有不同程度的麻醉、刺激作用。

3 避难硐室载人试验实测

本次载人试验所选取的避难硐室实验室与井下配置相同，尺寸为长9.0 m，宽4.0 m，高3.0 m，可容纳40 人紧急避险。该硐室共有两道密闭门与外界相隔绝，通过压缩氧气瓶为室内提供氧气，并配备有空气净化装置。

3.1 试验初始状态与测点布置

试验共选择40 名身体健康的男性人员作为试验对象，以有毒有害气体的浓度、环境温度为主要测试内容。根据文献，避难硐室内人均生成CO、CH4、NH3气体的速率分别为 20～25 mg/d、41～60 mg/d、2～3 mg/d。为直观对比各送风工况下避难硐室环境控制的效果，将在室内布置4 组测点，初始温度每组测点将对温度、CO 和CO2浓度进行监测，布置图如图1。

图1 避难硐室测点布置图

3.2 试验过程

将试验避难硐室的温度调至25 ℃，待系统稳定后40名测试人员进入硐室，随后关闭硐室密闭门，开启供氧系统，速度为40 L/min。先后测试不同供风能力下硐室温度和有害气体的分布，并开启净化设备进行空气调节，根据4 组测点收录有毒有害气体的变化规律。

4 避难硐室载人的模拟

4.1 初始条件的设置

利用Fluent 进行避难硐室有害气体的数值模拟，选取Realizablek-ε为湍流模型进行计算，设定人体表面为32 ℃恒温的边界条件，室内初始温度为25℃，人体呼吸气体主要有O2、CO2、N2、水蒸气，设定其占比为16%、78%、4%、2%，被定义为恒温边界条件，其温度为32 ℃，释放速率为0.5 L/（min·人）。压风进风口被定义为 velocity-inlet 入口，先后设定风量为200 m3/h、400 m3/h、800 m3/h、1000 m3/h，排风出口被定义为outflow，模型壁面被定义为绝热边界。

4.2 模拟结果与试验结果的对比

现场压风供氧试验共进行了2 种供风工况，工况1 供风量为200 m3/h，工况2 供风量为400 m3/h，两种工况试验时长均为60 min。最终4 个监测点的温度、CO2和CO 体积分数的实测值和模拟值对比见表1。结果表明，两种计算方式所得的数据误差均控制在15%以内，模拟结果和试验结果吻合度较高，说明本文选取的模型计算方法较为合理。

表1 实测值和模拟值对比表

4.3 通风及余热排放效率

图2 为模拟不同送风工况下，CO2平均体积分数、平均温度、通风效率和余热排放效率的变化趋势。结果表明，硐室内的温度和CO2浓度随供风量的增大而降低，但是通风效率和余热排放效率却呈现出先降低后稳步上升的态势。分析认为这是由于避难硐室生存区回风口排风能力有限的原因，导致新鲜风流无法完全展现出排污能力。当供风量设置为400 m3/h 时为合理的气流状态，有利于通风效率的提高和余热排放。