鹿广利，田梦雅，周 浩

(山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛 266590)

0 引言

矿井火灾是矿井生产过程中的重大灾害之一。由于地下开采环境差，环境封闭，各个巷道工作面十分复杂，一旦发生火灾，火灾过程中产生的烟气和热量很难及时排出，且会迅速蔓延至整个巷道，从而使火灾产生的高温及毒性给矿井下工作人员的生命安全带来严重的危害[1-6]。

国内外很多学者从临界风速、巷道坡度、截面形状和火源功率等不同角度通过实验、计算机模拟等不同方式对火灾进行大量的研究[7-12]。Chow等[13]通过小尺寸隧道火灾实验得出火灾烟气流动特性；李小菊等[14]针对常见典型截面巷道通过FDS模拟软件建立模型研究，得出火灾时期温度等参数的变化规律；贾静等[1]利用模拟软件通过改变边界条件得出火区烟气在不同因素影响下的烟流逆退现象及临界风速；蔡鹏[15]根据井下防火安全要求对某一矿井的自动防火风门开关进行控制监测系统安装调试。在矿井中一般会通过风门进行反风以及阻断风流等来控制井下的通风系统[16]，但当井下发生火灾时如何通过风门控制火灾烟气流动的影响研究较少。因此本文在前人研究基础上利用火灾动力学模拟软件FDS(Fire Dynamics Simulator)探究风门开启程度对火灾烟气流动的影响。研究当风门开启1/4，1/2，3/4，全部开启4种不同开启方式下0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s 6种不同风速在巷道1.6 m高度时温度分布和井下能见度分布情况，从而得到火灾烟气蔓延对井下工作人员安全的影响。

1 数值模型

1.1 物理模型

模拟场景为某矿井生产系统中常见的水平巷道，巷道长为100 m，宽为4 m，高为3 m。巷道壁面设置为井下常见的花岗石，其热物理性质的参数见表1。巷道的左侧为进风口，右侧为自然通风口。火源位置大小为1 m×1 m，处于巷道中心位置0.5 m高度处，距进风口50 m位置处。以巷道正中心处为原点建立坐标系，矿井巷道模型如图1所示。本文以井下柴油车为火源，火源功率设为5 MW，火源反应为正庚烷燃烧。环境温度设定为20 ℃，巷道模型中风门的设置位于距离进风口右侧25 m处，风门开启程度侧视图如图2所示。模型中设置有监测火灾烟气蔓延的温度探测器，温度探测器设置在巷道1.6 m高度处，以火源中心正上方为中心的左右两侧隔2 m设置1个温度探测器，每侧各10个，由于风门设置在距离火源中心左侧位置，故在左侧多设置12个温度探测器。同时为更直观地观测火灾随时间的蔓延情况，在模型中z=1.6 m处设置烟气能见度切片。不同工况下巷道模拟达到稳定时间不同，根据计算结果显示，在200 s前后趋于稳定，因此将模拟时间设置为300 s。

表1 巷道壁面岩石物理参数Table 1 Physical parameters of rock on roadway wall

图1 矿井巷道模型Fig.1 Mine roadway model

图2 风门开启程度侧视图Fig.2 Side view for opening degree of damper

1.2 网格设置

网格尺寸是由D*/δx无量纲表达式的范围给出，D*如式(1)所示：

(1)

式中：D*为火灾特征直径，m；Q为火源功率，W；ρα为空气密度，kg/m3；CP为空气的定压比热容，J/(kg·K)；Tα为空气初始温度，K；g为重力加速度，m/s2。

δx为模型的网格尺寸；D*/δx为火焰特征尺寸，被计算网格划分的数量。D*/δx值在4～16之间时模拟结果具有收敛性。

故在计算机数值模拟中，网格尺寸大小直接关系到模拟结果的正确性和合理性。当网格较大时，模拟结果比较粗糙，可能无法体现出部分重要数据和参数变化特征；随着网格减小，模拟数据将会变得越来越接近实验值；但当网格尺寸设置较小时，对计算机要求更高、模拟时间更长。经过综合分析，在巷道采用结构化网格为：0.25 m×0.25 m×0.25 m，网格数量为76 800个。

1.3 工况设置

用数值模拟计算巷道内距离进风口位置25 m处的4种风门开启程度、6种不同风速下的巷道内火灾场景如下：①风门全开时、火源功率5 MW条件下，风速分别为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s时的火灾发生情况；②风门开启1/4时、火源功率5 MW条件下，风速分别为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s时的火灾发生情况；③风门开启1/2时、火源功率5 MW条件下，风速分别为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s时的火灾发生情况；④风门开启3/4时、火源功率5 MW条件下，风速分别为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s时的火灾发生情况。

2 模拟结果与讨论

2.1 温度分析

各个监测点的最高温度随着风速、风门开启程度变化情况如图3所示。

由图3可知，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m/s工况下各个监测点的最高温度均随着热电偶距火源距离增大而减小，由于原点处的最高温度处于火源正上方，火源燃烧一瞬间监测点温度过高。

风门的开启程度对温度的变化也有较大的影响。

图3 进风侧热电偶的最高温度随火源距离的变化Fig.3 Change of maximum temperature of thermocouples on inlet side with distance of fire source

通过分析风速为0.5，1.0 m/s下工况监测点的温度图可知，当风速等于或低于1.0 m/s且风门全部开启时，巷道内最低温度约为100 ℃，远高于井下初始环境温度。因此，巷道内烟气、高温有毒有害气体已充满整个巷道。风门关闭时会阻挡巷道部分风流，导致风门前部分巷道内的温度升高，同时也阻碍烟气、高温有毒有害气体继续向后蔓延，风门开启1/2，3/4时风门后位置的巷道温度稍有下降，但火源到风门之间的温度过高，处于200 ℃以上。根据文献[17]，人体在环境温度70 ℃时可忍耐1 h；环境温度达到110 ℃时，可忍耐15 min；当环境温度达到140 ℃时，只能忍耐5 min。由于火源到风门前的巷道温度都偏高，人员需在有限的时间内快速向风门位置处移动，因此综合来看，风门开启1/4时，最有利于人员疏散逃生。此外，当井下巷道风速为1.5 m/s时，风门开启1/2时矿井巷道中的温度较低，最有利于人员的逃生。当风速较大时，即风速为2.0，2.5，3.0 m/s且风门全开启时，巷道内距离火源5 m外的温度与初始温度相同，说明烟气无逆流现象，不会对此处井下工作人员造成影响，最有利于人员的逃生。

风门全开启时不同风速下在巷道高度为1.6 m时的各个监测点温度随进风侧热电偶距火源中心水平距离变化情况如图4所示。若矿井巷道发生火灾时可及时调节风速的大小，进一步分析风门全开启时不同风速下的巷道内温度。由图4可知，当风速为0.5，1.0 m/s时巷道内每个位置监测点的温度均高于初始温度，说明火灾发生后由于风速过小巷道内产生烟气逆流现象；当风速为1.5 m/s，在距离火源位置22 m处监测点温度突然下降，此时风速影响烟气蔓延达到一定位置不再继续向前蔓延；当风速为2.0，2.5，3.0 m/s时，监测点的最高温度在距离火源位置2 m处便达到室温，且2.5 m/s和3.0 m/s的火源正上方温度最低，达到临界风速。通过比较可知，当风门全开启时，风速2.5 m/s工况下最有利于井下人员逃生，相比于3.0 m/s风速更加经济。

图4 风门全开启时不同风速下的各个监测点温度Fig.4 Temperature at each monitoring point under different wind speeds when damper was fully open

2.2 能见度分析

由于巷道风速较大时可开启全部风门，因此选取矿井下风速较低时的数值模拟数据，为探究风速为0.5，1.0，1.5 m/s时风门不同开启程度下烟雾蔓延时的人员逃生情况，在人员逃生时眼鼻大致所在高度1.6 m处设置能见度切片。由于烟雾在200 s前后趋于稳定，故选取200 s时不同风门开启时的数据，Tecplot软件处理后能见度切片如图5～7所示。

图5 0.5 m/s风速下风门不同开启程度时的能见度Fig.5 Visibility under different opening degrees of damper at 0.5 m/s wind speed

图6 1.0 m/s风速下风门不同开启程度时的能见度Fig.6 Visibility under different opening degrees of damper at 1.0 m/s wind speed

图7 1.5 m/s风速下风门不同开启程度时的能见度Fig.7 Visibility under different opening degrees of damper at 1.5 m/s wind speed

由图5可知，当风速为0.5 m/s时，风门全开启巷道内逃生段能见度处于2 m左右，并且能见度长时间处于4 m以下。当风门开启3/4时，能见度有所提高但仍不足6 m；风门开启到1/2时，火源附近25 m处能见度偏低，不足6 m，风门后方能见度提升10 m，风门的关闭障碍阻挡烟气的同时也阻挡部分风流导致烟气紊乱，但能见度显著提升；当风门开启1/4时，距离火源附近25 m处能见度高于风门开启1/2时，能见度达到6 m以上，风门后方的位置，风门关闭阻挡烟气的流动，能见度28 m，对人员逃生无任何影响，因此火灾发生且风速较小时，风门左右开启1/4最适合井下人员逃生。

由图6可知，当风速为1.0 m/s时与图5的风速为0.5 m/s类似，风门开启1/4时最有利于人员的逃生。

由图7可知，1.5 m/s风速下，风门开启1/4，1/2时能见度最高，但风门开启1/4时风门前方5 m处能见度突然降低且烟雾弥漫范围较开启1/2时大。因此，在巷道内风速1.5 m/s时风门开启1/2最有利于人员逃生。

3 结论

1)当风速较小时，风门开启1/4～1/2最适合人员的逃生。当风速低于1.5 m/s时，风门开启1/4时巷道烟雾温度、能见度最适合人员逃生；风速1.5 m/s时，风门开启1/2时最有利于人员逃生；当风速高于1.5 m/s时，在人员逃生时风门应全部开启，风门的关闭阻碍通风对烟气流动的抑制作用，造成烟气逆流。当人员逃生至一定位置后关闭风门可阻碍烟气、高温有毒有害气体继续蔓延。

2)当风速较大时，风门全开启最有利与人员逃生。随着风速增大，烟气逆退距离缩短，超过临界风速后烟气逆退现象消失。2.5 m/s风速下各监测点最高温度随着火源距离的增大先快速降低后趋于室温最终稳定。