基于Ventsim 的矿井运输巷火灾风烟流应急调控技术

郝海清，蒋曙光，王 凯，吴征艳，裴晓东，邵 昊

（1.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116）

国内外死亡数十人甚至数百人的煤矿重大恶性火灾事故中，90%源于井巷火灾[1-2]。由于井下巷道空间限制、高低落差大、通风网络错综复杂等，灾后无法实时有效地实现远程自动化控风排烟，快速隔离排出有毒有害气体以满足防灾、控灾、抗灾和救灾的需要，而导致重大人员伤亡[3]。因此，快速有效的控风排烟方案是救灾的关键。

针对以上重大需求，国内外学者开发了MFire、Vent-PC、Vent-sim、矿井通风仿真系统（MVSS）、Cross Fire 等一系列灾变风烟流模拟软件，研究了火灾烟流的演化规律和破坏效应[4-9]。同时，许多学者对火灾时期的致灾特性和烟流运移规律进行分析。文虎等[10]在平巷中通过数值模拟获取风速对烟气组分分布的影响规律，不同火源强度下温度场的瞬态变化规律；张玉涛等[11]采用多维混合模拟技术对巷道火灾进行模拟，得出多维混合模拟比一维对风流参数变化更敏感，能够对火场风速、温度等参数变化进行快速响应；程卫民等[12]、张圣柱等[13]采用SIMPLE 算法模拟了火灾时期的压力、温度、污染物的分布规律，得出受灾影响区域主要为火源点下风侧的结论；李翠平等[14-15]构建了矿井烟流动态蔓延的三维仿真模型，通过现场验证揭示了烟流温度、浓度等的参数的时空演化规律。在风烟流连续调控方法及装备方面，吴兵等[16]基于监控系统研发了遥控自动风门，提出了控风排烟方案，利用MFIRE 软件验证了方案可行性及可靠性；卢新明等[17]提出矿井通风系统的全局控制方法，通过多种风量调节装置进行优化组合，实现矿井全局风量的优调优控；王凯等[18-19]、郝海清等[20]运用通风学、流体力学及燃烧学相关理论，分析了火灾蔓延速度和烟流逆退对灾变时期风烟流调控的影响，提出了灾变时期风烟流远程区域联动控制的方法，实现灾变过程中风烟流的智能调控及其可视化。

灾变时期最有效的抗灾救灾手段是实现风烟流可调可控，通过设置风烟流调控系统，应急控制灾变后烟气动向，从而创造良好的逃生条件。虽然前人已对火灾时期燃烧特性及其调控装置进行了大量研究，但目前仍没有一种快速有效的风烟流应急调控的救灾方案。为此，在对现有控风排烟方案进行深入分析基础上，研究井巷火灾风烟流扩散运移、诱导风流紊乱和风流调控机制，进一步优化风烟流调控方案，提出了同时满足灾变排烟最小风量和采区人员逃生、有害气体稀释所需风量的最佳控风排烟方案，为灾变时期应急控风排烟方案制定提供有效参考。

1 矿井运输巷火灾风烟流应急调控方法

矿井的运输巷道肩负着带式输送机运煤，电路电缆、压风、排水管路及关联设备敷设等，井下设备用电负荷大、运煤任务重等问题导致巷道内火灾风险非常高。矿井的主运输巷道大多设计在主要进风大巷中，一旦发生火灾，烟流将随主通风机产生的通风负压由运煤巷道及关联巷道内互传蔓延，进入采区巷道，随后进入工作面，最终导致整个矿井巷道网络全部被烟气污染，井下遇险矿工在无保护措施的情况下无法安全逃生。

1.1 运输巷火灾风烟流应急调控原理

矿井运输巷道发生火灾后，灾变风烟流调控的最优原则为：将烟流限制在最小区域内，并利用最短排烟路径将其尽快地导入回风巷，控制风烟流的流量和压力避免逆流产生，为灭火救援创造良好条件；同时隔离烟流，在关联巷道创造出新鲜风流区域，为遇险人员的快速逃生提供条件。基于此，中国矿业大学开发了矿井火灾远程救灾系统，采区火灾远程救灾元配置原理图如图1。

图1 采区火灾远程救灾元配置原理图Fig.1 Configuration principle diagram of remote disaster relief element for fire in mining area

基本原理：在主（采区）运输巷与轨道巷之间的联络巷设置救灾元（常开风门），在主（采区）运输巷与回风巷之间的联络巷设置闭锁救灾元（常闭风门）；灾变条件下通过地面中心站利用光纤通信启动井下救灾元，常开风门（FM1、FM2、FM3）关闭隔离烟流。如运输巷前段着火，则打开前端闭锁风门（FM4）根据烟流情况灭火撤人；如运输巷后段着火，则打开后端闭锁风门（FM5）根据烟流情况灭火撤人。

1.2 原控风排烟方案存在的不足及改进

通过进一步研究发现，尽管目前的运输巷火灾风烟流调控方案效果显著，能够满足很好的排烟效果，但仍存在一些不足之处：①由于矿井巷道网络火灾发生的随机性较大，发生的场景不同，在井下巷道网络中的蔓延规律和火灾烟气的污染范围会具有明显区别，故需要分别选取典型的井下不同地点的火灾发生发展过程及风烟流运移规律进行详细研究；②由于原控风方案直接将运输巷和回风巷短路进行排烟，使得运输巷排烟路径的阻力大大降低，造成运输巷的风量迅速增加，矿井大部分风量经排烟路径进入回风巷，导致采区风量骤减，对于高瓦斯矿井，这既不能满足采区人员逃生所需新鲜空气，也会引起采区的瓦斯体积分数迅速增加，易造成次生灾害的发生，故需要进一步优化控风排烟方案；③原控风排烟方案仅对运输巷和轨道巷之间的联络巷的风门关闭隔离烟流，随着运输巷风量的增加，部分烟流仍可能经运输巷蔓延至采区人员集中区域，增加了引发重大事故的风险。因此，基于以上调控需求进一步优化运输巷火灾控风排烟方案。改进的采区火灾远程救灾元配置原理图如图2。

1）针对主运输巷和采区运输巷火灾，如图2（a），根据不同火灾场景将主/采区运输巷和主/采区轨道巷之间的联络巷设置6 个救灾元（常开风门FM1、FM2、FM3、FM4、FM5、FM6），若在真实矿井中，风门FM1、FM3、FM5 分别表示在可能的火源点上风侧的任意1 个风门，风门FM2、FM4、FM6 分别表示在可能的火源点下风侧的多个风门；将主/采区运输巷和回风巷的风门改为常闭调节风门（TF1、TF2、TF3）;将主/采区运输巷分为前、中、后部3 个调控区域，在运输巷中的调节风门TF1 和TF2 的下风侧，设置2 个闭锁救灾元（防火门FM7、FM8）。相互闭锁关系为：FM1、FM2、FM7、TF1 相互闭锁，FM3、FM4、FM8、TF2 相互闭锁，FM5、FM6、TF3 相互闭锁。

2）当主/采区运输巷发生火灾，若火源点发生在主/采区运输巷前部，如图2（b），则FM1 保持常开，FM2、FM7 关闭隔离烟流，调节风门TF1 根据火源大小计算的风量参数调节至合适的风量排烟，其余风门不动作。风流路线为：主/采区运输巷和主/采区轨道巷同时进风，在火源点前侧的风流岔口处，将风流分为排烟风流和供风风流，排烟风流经联络巷汇入回风巷，供风风流经FM1 汇入主/采区轨道巷，经FM3 再进入主/采区皮带巷中部继续为采区供风，人员可沿新鲜风流快速撤离采区。

图2 改进的采区火灾远程救灾元配置原理图Fig.2 Schematic diagram of improved remote disaster relief element configuration for mining area fires

3）若火源点发生在主/采区运输巷中部，如图2（c），则FM3 保持常开，FM4 和FM8 关闭隔离烟流，调节风门TF2 根据火源大小计算的风量参数调节至合适的风量排烟，其余风门不动作。风流路线为：主/采区运输巷和主/采区轨道巷同时进风，经主/采区运输巷前部后，在火源点前侧的风流岔口处，将风流分为排烟风流和供风风流，排烟风流经联络巷汇入回风巷，供风风流经FM3 汇入主/采区轨道巷，经FM5 再进入主/采区运输巷中部继续为采区供风，人员可沿新鲜风流快速撤离采区。

4）若火源点发生在主/采区运输巷后部，如图2（d），则FM5 保持常开，FM6 关闭隔离烟流，调节风门TF3 根据火源大小计算的风量参数调节至合适的风量排烟，其余风门不动作。风流路线为：主/采区运输巷和主/采区轨道巷同时进风，经主/采区运输巷前、中部后，在火源点前侧的风流岔口处，将风流分为排烟风流和供风风流，排烟风流经联络巷汇入回风巷，供风风流经FM5 汇入主/采区轨道巷继续为采区供风，人员可沿新鲜风流快速撤离采区。

5）针对采煤工作面火灾，如图2（e），若运输巷前部着火，将中切眼联巷内的风门（FM9）打开，将烟流导入回风巷，遇险人员在工作面靠压风管路等待救援。如果运输巷后部着火，将中切眼联巷内的风门（FM10）打开，将工作面风流阻断，为工作面人员逃生创造条件，工作面遇险人员快速从回风巷疏散至新鲜风流区域。

2 矿井风烟流应急调控方案关键参数

灾变风烟流联动调控系统将矿井巷道网络分为烟流区和非烟流区，为了达到救灾过程中的风量最佳分配，需要进行排烟路径的风阻调节。从通风网络结构与矿井灾变风烟流联动控制系统的耦合关系出发，研究采取风烟流应急调控方案前后风网结构变化与风烟流演化规律。

2.1 防止烟流逆退的临界风速

矿井井巷火灾是多物理场耦合过程，火灾期间风烟流蔓延主要是由浮力效应、通风动力和自然风压共同作用的结果，弗劳德数守恒模型（Froude）能够较好表征火灾期间的流体浮力效应，结合通风效应，临界弗劳德数模型可表示为[21]：

式中：Fr 为弗劳德数；v 为风流速度，m/s；H 为巷道的特征高度，m；g 为重力加速度，m/s2；△T 为烟流与环境的温度差，℃；T 为烟流温度，℃。

在控风排烟过程中，若火灾烟流发生逆退，将随新鲜风流经进风巷道蔓延至人员集中区域，造成较大区域的风流污染，引发重大次生灾害。故防止烟流逆退的临界风速可作为控风排烟的关键参数，在水平巷道中，因高度差较小，浮力效应可忽略不计，若要防止烟流逆退，只需保证因灾变期间风烟流密度不同而引起的静压差pS等于通风动压pd，依据弗劳德数模型可推导水平巷道中的烟流逆退的距离d[22]。

式中：pS为静压差，Pa；pd为通风动压，Pa；h 为烟层高度，m；ρa为环境密度，kg/m3；Cp为环境的比热容，kJ/（kg·K）；T0为环境温度，℃；△ρ 为烟流与环境的密度差，kg/m3；ρ0为风流密度，kg/m3；QHRR为热释放速率，kW。

在烟流边界处,临界弗劳德数Fr=1 时烟流不发生逆退，故：

顶棚射流温度分布方程为：

式中：△Tmax为烟流最高温度，℃；k 为温度衰减系数；x 为烟流所处位置，m；xr为火源点所处位置，m；γ、ε 为常数，当/Fr1/3＜1.35，γ=1.77，ε=1.2，当/Fr1/3≥1.35，γ=2.54，ε=0。

对于水平巷道，逆退距离d＝x－xr，故结合式（6）和式（7）可写为：

联立式（1）～式（8）可得烟流逆退距离为：

烟烟流逆退距离d=0 时为烟流逆退的临界风速vc[22]：

式中：t 为特征时间变量，s。

在倾斜巷道中，因其高低落差大，浮力效应作用强，故易发生烟流逆退现象。当巷道中为上行通风时，浮力效应与通风作用方法相同，故不会出现烟流滚退现象，而下行通风时它们的作用方向相反经常发生烟流滚退现象。在倾斜巷道中的烟流的驱动力是静压差和浮力效应压力的总和，要防止烟流发生逆退，只需保证通风压力等于静压差和浮力效应的总压力△pt。

浮力效应产生的压力△pf为[22]：

倾斜巷道垂直高度△H=dsinθ，故总压力△pt为：

式中：θ 为巷道倾斜角，（°）。

进而得到倾斜巷道中烟流逆退距离关系式[22]：

烟流逆退距离d 随着热释放速率和弗劳德数变化而变化，而热释放速率和弗劳德数必须通过实验得到，故倾斜巷道中烟流逆退距离d 无法直接求得，前人经过大量实验证明：在倾斜巷道中防止烟流逆退的临界风速与水平巷道的临界风速的比值和倾斜角度呈线性相关性。

倾斜巷道火灾临界风速与倾斜角度的关系为[23]：

则在倾角为θ，断面积为S 的运输巷道中，防止烟流逆退的最小需风量为Qv=（θ）S。

2.2 灾变风烟流调控最佳调节值

为了计算灾变风烟流调控的最佳调节量，对灾变前后通风网络进行分析，正常时期和灾变时期通风网络结构如图3。

图3 正常时期和灾变时期通风网络结构Fig.3 Ventilation network structure in normal period and disaster period

R1为主/采区轨道巷风阻，R2为主/采区运输巷风阻，R3为工作面风阻，R4为主/采区总回风巷风阻，Rf为火区风阻，R5为运输巷与回风巷之间的联络巷捏风门的调节风阻。R3、R7、R8是1 个非常大的风阻组合，若能实现R5精准连续调节，则灾变烟流调控系统就可实现理想的风量匹配。

灾变时期，受风速和热释放速率变化的影响,火区风阻随时间动态变化，其它地点的风量与风阻因火区风阻变化而变化。根据前人经验和试验结果，火区风阻采用式（16）进行定量计算。

式中：Pf为热阻力，Pa；为热烟流速度，m/s；ρ0｜为上风侧风烟流密度，取1.29 kg/m3；为上风侧风烟流速度，m/s；l 为高温区域长度，m；λ 为巷道摩擦因数，砌碹巷道一般取0.035；D 为当量直径，m；θ0为高温区域倾角；Qv为风烟流体积流量，m3/s。

灾变时期的排烟路径为：⑥→⑦→④→⑤，采区供风路径为：①→⑧→⑨→③→④→⑤和②→⑥→⑧→⑨→⑩→③→④→⑤，设节点⑥和节点④之间的压力差为H6-4，风量为最小排烟风量Qv，则联络巷内风门应产生的阻力h1为：

式中：Rm为摩擦风阻，（N·s2）/m8；α 为摩擦阻力系数，（N·s2）/m4；L 为排烟路径长度，m；U 为排烟路径周长，m；S 为巷道断面面积，m2。

则联络巷内风门开度调节断面积S1为：

当S1/S≤0.5 时：

当S1/S>0.5 时：

式中：S1为调节断面面积，m2。

风烟流联动调控系统启动后，可对实时监测排烟路径始末节点的压力差，基于矿井风烟流应急调控方案关键参数计算公式可同步计算防止烟流逆退的排烟需风量及排烟路径的风阻调节值，地面监控中心可对控风排烟方案进行超前模拟，若能够满足应急排烟要求，可通过远程指令进行风烟流应急调控。

3 现场应用

3.1 矿井概况及模拟参数设置

羊场湾煤矿现开采6 号煤层属于以自燃煤层。矿井采用中央并列抽出式通风，由4 条进风井，1 条回风斜井，2 个采煤工作面，7 个掘进工作面组成。矿井现有通风设施中永久风门69 组，其中电动光控自动风门5 组，采用光控就地控制，永久密闭54 道。主运和采区运输巷负责全矿井的煤炭运输任务，带式输送机全年较大负荷运转，主运和采区运输巷存在发生运输巷火灾的风险。故利用Ventsim 软件对羊场湾煤矿通风系统进行三维可视化建模，利用VentFire 模块分别模拟主运、采区、工作面运输巷前、中、后部发生火灾后的烟流随风流扩散运移规律，以及采取原控风排烟方案和改进后方案的控风排烟效果及风流分配情况。

为简化火灾的复杂性，作出如下假设：燃烧产生的高温烟流在巷道内流动过程中不发生其他化学反应，发生火灾前的风流为充分发展的紊流，风流中的温度为20 ℃，并且均匀分布，风流及火灾产生的烟流遵循理想气体状态方程，巷道断面为半圆拱，火源点处的巷道倾角均为25°，断面积均为20 m2。火灾模拟参数设置为：在VentFire 模块选取70%的PVC橡胶＋10%干木材＋20%高热值煤作为火源燃料。火灾模拟参数设置见表1。

表1 火灾模拟参数设置Table 1 Fire simulation parameters settings

由式（1）～式（15）计算可得，火灾模拟过程中最低排烟风速不少于1.2 m/s，排烟风量不低于1 440 m3/min。利用Ventsim 软件对羊场湾煤矿通风系统进行建模，羊场湾煤矿通风系统三维可视化建模如图4。

图4 羊场湾煤矿通风系统三维可视化建模Fig.4 3D visualization modeling of ventilation system in Yangchangwan Coal Mine

3.2 Ventsim 软件模拟结果

利用Ventsim 软件中的VentFire 模块分别模拟火源点位于主运输巷斜井、采区运输巷前、中、后部、以及工作面运输巷的风烟流扩散运移规律，由于不同火源点的模拟结果较多，故仅以火源点位于采区运输巷前部的情况进行模拟调控方案的排烟效果及风流分配情况。不同场景火灾未采取控风排烟措施模拟结果图如图5。采区运输巷前部发生火灾采取原控风排烟方案模拟结果图如图6。采区运输巷前部发生火灾采取改进的控风排烟方案模拟结果图如图7。

由图5 可知，火灾发生后，由于供氧量充足燃料迅速燃烧，大量浓烟随着风流经采区运输巷和轨道巷等主要进风巷道蔓延至采区人员集中区域，之后经采区回风上山和主回风大巷排出。运输巷发生火灾期间，污染范围主要包括火源点下风侧的所有巷道区域，若火源点越靠近进风流，烟流污染范围越广，人员集中区域烟流持续时间越长，致灾性越大。如果采区人员无特殊保护措施很难逃生。

图5 不同场景火灾未采取控风排烟措施模拟结果图Fig.5 Simulation results of different fire scenarios without wind control and smoke exhaust measures

由图6 可知，若监测火灾发生后，迅速采取原控风排烟方案后，由于火源点下风侧的采区运输巷和采区回风巷之间联络巷的风门打开，大部分的风烟流经联络巷导入回风巷，进而排出至地面，但由于采区皮带巷风流短路，导致风量大量增加，火源点下风侧仍有部分风烟流沿着采区运输巷道蔓延至采区皮带巷的中、后部，存在烟流进入采区人员集中区域的风险，故原控风排烟方案存在不足之处。

图6 采区运输巷前部发生火灾采取原控风排烟方案模拟结果图Fig. 6 Simulation results of original air control and smoke exhaust scheme when a fire occurs in front of belt lane in the mining area

由图7 可知，若监测火灾发生后，迅速采取改进的控风排烟方案后，首先打开火源点上风侧采区运输巷-轨道巷之间的联络巷风门分流风量，关闭火源点下风侧的采区运输巷-轨道巷之间的联络巷风门隔离烟流，关闭火源点下风侧采区皮带巷的风门防止烟流蔓延至采区人员集中区域，同时调节采区运输巷-回风巷之间的联络巷风门至适当阻力，使得排风路径满足最小排烟风量，剩余风流经联络巷进入采区运输巷，绕过火灾区域后再次进入采区运输巷继续为采区用风区域供风，风流路径如图7中标红巷道所示，此方案可实现既满足排烟风量又保证灾变期间采区仍有大量风量供人员逃生所需和有害气体的稀释。能够大大提高运输巷道火灾灾变期间的供风安全保障能力，降低次生灾害的发生的风险。

图7 采区运输巷前部发生火灾采取改进的控风排烟方案模拟结果图Fig.7 Simulation results of improved air control and smoke exhaust scheme when a fire occurs in front of belt road in mining area

采区运输巷前部发生火灾后，烟流控制过程中关键巷道的仿真风量分配见表2。

由表2 可知，无论采取哪种调控方案，矿井主要进风巷和回风巷的风量变化不大，而采区运输巷、轨道巷以及各采面工作面的风量存在较大波动。当采区运输巷前部发生火灾后，采取原有方案后，由于采区运输巷和采区轨道巷之间的联络巷比较多，采区运输巷风流短路，排烟路径上的风阻大大降低，部分采区轨道巷的风流也经联络巷流入采区运输巷，导致运输巷的风量由3 530 m3/min 增加至5 302 m3/min，而采区轨道巷风量由2 848 m3/min 减少至1 850 m3/min，排烟路径的风量达4 523 m3/min，达到采区运输巷风量的85%左右。020603 工作面和020604 工作面的风量分别降低至343 m3/min 和449m3/min，即采取原有方案会导致采区风量骤减。此情况对于高瓦斯矿井，存在瓦斯体积分数超限的风险。

表2 烟流控制过程中关键巷道的仿真风量分配表Table 2 Simulated air volume distribution table of key roadways in smoke flow control process

若采取改进的控风排烟方案后，对排烟路径的风阻进行适当调整，风量达到1 589 m3/min，能够满足防止烟流逆退的最低排烟风量；采区运输巷略高于未采取烟流调控时期的风量，采区轨道巷风量也达到2 380 m3/min，且各工作面风量也可保持在原有风量的80%左右，能够满足人员逃生和有害气体稀释的风量要求。因此，可进一步证明改进后的控风排烟方案能够实现灾变时期最佳的风烟流调控效果和风量分配。

4 结 语

1）通过对原控风排烟方案的优化改进，提出不同火灾场景下的最佳风烟流调控方案。通过适当调节排烟路径的风门开度，可将风流分为排烟风流和供风风流，排烟风流通过联络巷快速将烟流导入回风巷，而供风风流可绕过火区排烟巷道继续为采区供风，可实现既满足控排烟路径最小风量，也能保障采区人逃生及稀释瓦斯最低所需风量。

2）基于弗劳德数守恒模型（Froude）分析倾斜巷道中火灾风烟流达平衡的临界条件，得到了防止烟流逆退的临界风速，量化了最小排烟风量。分析了灾变时期采取烟流调控方案前后的通风网络结构变化前后的风阻分布与风烟流演化规律，得出了控风排烟方案关键参数的计算方法。

3）建立了羊场湾煤矿的三维可视化通风网络模型，并模型了不同火源位置场景的风烟流蔓延规律，结果表明：未采取控风排烟方案会导致大量有毒烟流污染整个火源点下风侧人员集中区域，人员无法安全撤离；采取原有风烟流调控方案将会导致采区风量骤减，存在引发次生灾害的风险；若采取改进后的控风排烟方案，能够既满足控排烟路径最小风量，也能保障采区人逃生及稀释瓦斯最低所需风量，进一步完善了灾变风烟流应急调控方案。