基于矿井三维通风的火灾模拟研究

＊田晓波

（中煤大同能源有限责任公司塔山煤矿 山西 037000）

矿井火灾是传统的煤矿五大灾害之一，煤矿一旦发生火灾，危险极大。据不完全统计，2017—2022年我国煤矿企业共发生8起井下火灾事故，死亡人员高达86人，而在矿井火灾中遇难的人员，90%以上是因CO中毒而死亡。所以准确把握好火灾时期CO气体的扩散趋势与扩散时间，及时通知井下附近工作人员正确撤离，能够保证矿井安全生产[1]。

因此模拟井下火灾，确定一定时间内CO气体的蔓延方向，从而判定井下不同位置发生火灾时的安全空间显得尤为重要。Ventsim三维通风仿真模拟软件是矿井通风及火灾研究领域使用最广泛的软件之一，包含通风风网解算及通风动态模拟等多种功能，对矿井通风调节起到重要作用。本文采用Ventsim软件对井下火灾进行模拟，对污染CO气体扩散方向与各巷道浓度进行相关研究与分析，为救援方案提供理论依据[2-4]。

1.中煤塔山三维通风系统模拟

(1)中煤塔山矿井30503工作面概况

中煤塔山矿井30503工作面走向长1869.48m，倾向长198.3m，布置在3～5#煤层，供风量为2230m3/min，盘区布置有三条大巷，分别为1045回风大巷，沿煤层顶板布置，专用于回风；1045皮带大巷，主要用于煤炭运输；1045辅助运输大巷，用于进风、运输人员、材料、设备等，三条大巷的方位角为99°25'09''。在大巷北翼，布置30503工作面。该工作面通风是全负压通风系统，采用一进两回“U”型的通风方式，即布置胶带顺槽、回风顺槽，均沿3～5号煤层底板布置。

(2)建立中煤塔山矿井三维矿井通风系统

如图1所示，通过Ventsim软件绘制了中煤塔山矿井三维立体通风系统图，然后将矿井相关参数按1:1还原中煤塔山矿的通风系统。由于矿井火灾产生的主要有害气体是CO，因此通过合理运用Ventsim软件的污染源模拟功能，以中煤塔山矿三维通风系统图为基础进行井下火灾中有害气体模拟，从而获得相关数据进行分析[5-6]。

图1 中煤塔山矿井三维立体通风系统图

2.矿井火灾模拟条件

由于井下火灾发生地点以及火灾的发展过程具有随机性，为了简化，本文根据中煤塔山矿井的实际情况，给出了以下几点模拟条件[7-8]：

(1)燃烧地点的选择

①选取采煤工作面为火灾用风研究地点，采煤工作面煤质主要为高热值煤，易发生自燃，因此选择采煤工作面为用风研究地点。

②选取回风巷道为火灾回风研究地点，矿井回风有运煤皮带，易发生火灾，因此选择回风巷为回风研究地点。

本文选择30503综放工作面及其回风巷进行研究。火灾地点选择的位置如图2所示。

图2 火灾地点示意图

(2)火灾场景假设

①假设矿井巷道无漏风，矿井中的各类装置都正常工作。

②假设燃烧产生的高温烟流在巷道内流动不再发生化学反应。

(3)燃烧参数设置

①燃烧条件设置

本文选取的研究地点为矿井采煤工作面，距离很短，所处环境极为相似，因此在对采煤工作面进行模拟时，基础数据设定为相同的值。因为火灾产生大量烟气、CO等污染气体，因此转化为污染物模拟，做稳态与线性衰减模拟。稳态模拟设置是在污染源浓度模拟设置后，各巷道按照扩散比例在一段时间内污染物浓度达到峰值的过程，而线性衰减模拟则是污染物浓度从开始增长至达到峰值再到衰减为零的过程。

井下火灾燃烧的最长时间为2500s，为了使实验数据更合理，模拟时间适当延长，取3600s。

他常常一坐就是许久，混沌的眼珠望着庭中空荡荡的一方似在想着什么，是想这原来的花呢，还是栽花的人？我总是在心里问着，为什么把花搬走了呢，看着那空荡荡的一块总觉得心里硌得慌。人来人往，没有谁停下看他一眼，人来人往，他也不曾看谁一眼，原来，沉默不是冷漠。

②污染源浓度设置

煤炭燃烧后产生的大量有害污染气体中CO是浓度最高且危害性最大的一种，因此设置实验模拟污染源处CO浓度为500g/m3、1000g/m3、1500g/m3。由于模拟结果仅CO气体浓度有差异，因此本文仅以CO浓度1000g/m3做深入研究。

3.模拟结果

经过Ventsim软件的污染物模拟，得到了污染气流的扩散数据，对火灾发生地点至总回风CO浓度数据进行分析。

(1)稳态模拟下CO浓度分析

稳态下模拟如图3所示，当30503采煤工作面发生火灾时，污染气体扩散沿进风方向至总回风浓度逐渐降低，产生的大量污染气体CO首先通过30503回风顺槽回风上山进入1045水平回风大巷。在1075水平回风大巷与1045水平回风大巷联络巷处CO气体分流，同时进入南北回风巷。由于工作面处火灾产生的污染气体压强大于进风气体压强，导致污染源处（火灾发生点）气体出现短时逆流。

图3 稳态模拟CO气体扩散示意图

污染源CO浓度设置1000g/m3时，因为气体随风流流动，因此只需考虑火灾污染源回风各巷道CO浓度，根据模拟数据统计如表1所示。

表1 火灾污染源回风巷道CO数据统计

由表1可知，火灾发生后回风顺槽CO浓度最高，1000g/m3，危险性最大。

(2)线性衰减模拟下CO浓度分析

线性衰减模拟下，当30503采煤工作面发生火灾时，污染气体扩散沿进风方向至总回风浓度逐渐降低，产生的大量污染气体CO首先通过30503回风顺槽回风上山进入1045水平回风大巷。在1075水平回风大巷与1045水平回风大巷联络巷处CO气体分流，同时进入南北回风巷。由于工作面处火灾产生的污染气体压强大于进风气体压强，导致污染源处（火灾发生点）气体出现短时逆流。

①线性衰减动态模拟下30503综采工作面回风顺槽CO气体浓度变化如图4所示。

从图4可以看出，当30503综采工作面发生火灾时，回风顺槽CO气体浓度增长与时间成一定的线性关系，且气体扩散较快。回风顺槽CO气体浓度变化情况如下：在0～150s达到峰值（设定值1000g/m3），即984g/m3；随后线性衰减，直到3720s时衰减为0。

图4 30503综采工作面回风顺槽CO气体浓度变化图

②线性衰减动态模拟下30503综采工作面回风顺槽联巷CO气体浓度变化如图5所示。

图5 30503综采工作面回风顺槽联巷CO气体浓度变化图

从图5可以看出，当30503综采工作面发生火灾时，回风顺槽联巷CO气体浓度增长与时间成一定的线性关系，且气体扩散较快。回风顺槽联巷CO气体浓度变化情况如下：在0～200s达到峰值（设定值1000g/m3），即862g/m3；随后线性衰减，直到3742s时衰减为0。

③线性衰减动态模拟下总回风巷CO气体浓度扩散变化如图6所示。

图6 总回风巷CO气体浓度变化图

从图6可以看出，当30503综采工作面发生火灾时，总回风巷CO气体浓度增长与时间成一定的线性关系，且气体扩散较快。CO气体浓度变化情况如下：在 0～300s时，CO气体尚未到扩散到此处，因此浓度为0，在300～500s时急剧上升达到峰值（设定值1000g/m3），即411g/m3；随后线性衰减，直到4032s时衰减为0。

4.结论

（1）随着30503采煤工作面火灾进入熄灭阶段，污染气体扩散沿进风方向至总回风浓度逐渐降低，产生的大量污染气体CO首先通过30503回风顺槽回风上山进入1045水平回风大巷。在1075水平回风大巷与1045水平回风大巷联络巷处CO气体分流，同时进入南北回风巷，最终汇入总回风巷。

（2）用风地点的CO浓度与火灾危险性远远大于回风地点和进风地点。

（3）从CO气体扩散模拟结果来看，一旦在采煤工作面发生风流火灾，在火源上风侧，由于火风压和机械风压相反，工作面处火灾产生的污染气体压强大于进风气体压强，导致污染源处（火灾发生点）气体出现短时逆流，逆流的烟气到达工作面的进口处，继而进入采区进风巷。

（4）火灾应急措施：采煤工作面及其回风巷发生火灾后，首先立刻向调度室进行汇报，同时若火势较小，周围工作人员应立即利用灭火器材进行灭火。若当发现火情已经较大或者已经无法控制时，需要由班组长或者有经验的工作人员立即组织撤离。撤离及灭火过程须预防一氧化碳中毒。当人员撤离必须过火灾烟流时，应戴自救器在救护人员带领下迅速穿过。若无自救器，应用湿毛巾堵住嘴鼻弯腰匍匐迅速穿过，并力求一氧化碳溶于水，减少对人体的伤害。