基于FDS的风速对矿井火灾蔓延规律的影响研究*

2022-06-17路洁心施式亮

中国安全生产科学技术 2022年5期

李贺，田丽，曾钢，鲁义，路洁心，施式亮

(湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭 411201)

0 引言

矿井火灾是威胁矿山安全生产的五大灾害之一[1]，具有突发性强、继发性灾害多、救援难度大等特点[2]。火灾发生后产生的烟流携带大量热量及有毒气体，容易破坏井下作业设施，导致人员中毒或窒息，甚至引发瓦斯、粉尘爆炸等二次事故，严重危害矿井安全生产。矿井火灾包括内因火灾和外因火灾，我国90%的重大煤矿火灾事故由外因火灾引起，其造成的死亡人数约占总数的60%[3]。目前，对于矿井外因火灾的研究主要包括火灾实验[4-5]及数值模拟等方面，对于矿井火灾而言，现场实验往往投入大且容易造成不可估量的后果，因此，数值模拟方法在矿井火灾研究中优越性显著。

近年来，研究学者从各方面对矿井巷道火灾进行了数值模拟研究[6-8]。张辛亥等[9]提出当火源在进风巷道时，及时采取反风措施能有效控制烟气上流；张晓涛等[10]通过对比正常通风、加大通风量和开通排烟支路3种工况下的烟气浓度和温度情况，得出开通排烟支路能有效控制高温烟气逆流进入进风大巷且对工作面破坏最小的结论；齐庆杰等[11]针对矿井胶带运输巷火灾进行了数值模拟，结果表明，巷道纵向方向温度分布规律受风速影响表现不同，顶棚附近温度随风速增加而降低，距底板1.5 m高度处温度随风速增加而升高；田水承等[12]研究了不同风速对矿井火灾蔓延规律的影响，结果表明，3 m/s左右的风速最有利于井下人员逃生。上述研究仅是针对单一参数对矿井火灾演变规律的影响，没有考虑风速与火源功率共同作用下火灾发展规律的变化，难以反映现场真实的火灾情况。

鉴于此，本文将运用FDS火灾动力学软件，对不同风速及火源功率下巷道内温度、CO浓度、能见度等变化过程进行数值模拟，深入探讨井下风速及火源功率变化对矿井火灾蔓延规律的影响，从而掌握灾变时期火灾蔓延规律，为指导井下人员逃生及救援提供参考。

1 FDS软件基础

FDS是以火灾中烟气运动为主要模拟对象的场模拟软件，采用数值方法求解热驱动的低速流动N-S方程，主要通过流体力学中的控制方程求解，包括连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程组及组分方程等[13]。简化的控制方程如下：

连续性方程如式(1)：

(1)

动量守恒方程如式(2)：

(2)

能量守恒方程如式(3)：

(3)

组分方程如式(4)：

(4)

2 模型构建

2.1 工程概况

安源煤矿矿井现划分为4个水平，一，二，三，四水平标高分别为+150 m，±0 m，-150 m，-300 m，现主要集中在四水平生产。选用四水平3204采区378工作面为研究对象，该工作面位于矿井西翼3204盘区3119胶带道与3205平石门之间，走向长度为250 m，倾斜长度为80 m，工作面面积为20 000 m2，378出山复采工作面井下位置位于3119胶带道和3117胶带道之间，东边以700 m保安煤柱线为界，西边以3117补斗为界，上部有372下段采空区。其中进风巷长50 m、切眼长110 m、回风巷长30 m。井下通风线路为：新鲜风从四水平西大巷→3204液压泵房→3204上山胶带道→3117平胶带道→3119上山胶带道→3119平胶带道→3119平石门→378出山溜子道→378出山复采工作面。乏风路线为：从378出山复采工作面→378出山风巷→3117胶带道→3205绞车道→3205风桥。

2.2 网格划分

由于FDS计算区域及内部区域只能为长方体及其组合体，而巷道内部截面又多为圆形或拱形，因此，在建模时对巷道内部进行简化，将其截面等效为面积相等的矩形来建立模型[14]。根据安源煤矿378工作面实际尺寸建立全尺寸模型如图1所示，巷道截面均为2.5 m×2.5 m，于3119胶带巷及3117胶带巷各设置1个密闭风门，进风巷、切眼及回风巷均不设置风门，以保证巷道的正常通风。

图1 巷道结构Fig.1 Roadway structure

在FDS中，网格尺寸是需要设置的最关键的参数，其大小决定了计算结果的精确度和稳定程度。网格尺寸的选择还需考虑计算机性能及计算时间等因素[3]。FDS用户手册推荐了1种按式(5)进行计算的网格划分方法[15]：

(5)

式中：D*为火灾特征直径，m；Q为火源热释放速率，kW；ρ∞为空气密度，kg/m3；cp为空气比热，kJ/(kg·K)；T∞为空气温度，K；g为重力加速度，m/s2。

本模拟取ρ∞=1.2 kg/m3，cp=1 kJ/(kg·K)，T∞=273 K，g=9.80 m/s2，火源热释放速率分别取3，6 MW，产烟率与CO生成率均为0.1。根据式(5)计算得火灾特征直径为1.536 264，2.027 112 m。研究表明，当网格尺寸为0.1D*或0.2D*时，模拟结果能够较好地反映温度的变化趋势。考虑到计算机性能和计算时间等因素，最终确定网格尺寸为0.2D*，即网格尺寸为0.4 m×0.4 m×0.4 m。

2.3 火源及工况设置

火灾为工作面切眼处运输胶带和机电设备着火，根据式(5)计算得火源特征直径为1.536 264 m，因此，设定火源大小为1.5 m×1.5 m，地点位于切眼路段偏中上，距进风巷29.3 m，距回风巷75.7 m，见图1。矿井火灾发展过程属于t2火模型，如式(6)。

Q=at2

(6)

式中：a为增长系数，kW/s2；Q为火源功率，kW；t为时间，s。

根据t2火模型等级划分，矿井外因火灾属于快速火，a取值0.046 89 kW/s2。火源功率分别为3，6 MW。本模拟共设置6个测点，以火源为中心，每隔10 m设置1个测点，其中测点1～3在火源上风向，测点4～6在火源下风向。温度、CO浓度、能见度切片设置在人眼特征高度(1.6 m)处。巷道风流方向设置为工作面切眼纵向通风，模型不设置喷淋装置，模拟时间为900 s。

《煤矿安全规程》中规定，在运输机巷、采区进、回风巷中，最高允许风速为6 m/s，最低允许风速为0.25 m/s[16]。为研究不同风速对巷道内部火灾蔓延规律的影响，结合《煤矿安全规程》中对矿井巷道内通风安全的要求，设置8种工况，其中工况1～4火源功率均为3 MW，工况5～8火源功率均为6 MW，风速分别为0.25，1.25，2.25，3.25 m/s。除火源功率与风速，其他参数相同。

3 模拟结果分析

3.1 巷道温度演化规律

火灾发生时，烟流中携带大量热量，容易对井下人员皮肤及呼吸道造成热损伤，破坏人体的体温调节及新陈代谢，严重时会危害生命安全，同时烟雾颗粒的遮光性造成巷道内能见度下降，严重影响人的视线，影响人员逃生及救援。因此，有必要对巷道内温度变化情况进行研究。以火源为中心，每隔10 m设置1个热电偶，共计6个热电偶以观察温度变化情况。各工况下各测点温度变化如图2～3所示。

图2 火源功率为3 MW时温度随风速变化情况Fig.2 Change of temperature with wind speed under fire source power of 3 MW

图3 火源功率为6 MW时温度随风速变化情况Fig.3 Change of temperature with wind speed under fire source power of 6 MW

由图2～3可知，不同风速和火源功率对巷道内各个测点温度分布有显著影响。在2种火源功率下，巷道温度分布曲线趋势大致相同。火灾发生后产生的高温烟流沿着巷道纵向充分扩散，各测点温度在火源未达到最大热释放速率前呈二次函数升高的趋势，在火源达到最大热释放速率后缓慢升高至稳定温度。在此期间，距离火源越近，温度升高的趋势越明显，稳定温度越高。缓慢升高至稳定温度后，由于烟流逆退，温度呈二次函数迅速下降，之后再快速升高至最高温度，然后再缓慢下降至稳定温度。这是由于巷道内部燃料燃烧殆尽，受风压和周围环境的影响，巷道内部逐渐冷却，直到稳定。

相同风速下，Q=6 MW时巷道温度分布总体高于Q=3 MW时的巷道温度，即在风速不变的情况下，火源功率越大，巷道温度越高。在火源上风向，由于机械风压的作用，温度变化并不大。当火源功率为3 MW时，测点2烟流逆退时间随着风速增加而增大，在风速为2.25 m/s时达到最大，随后降低。说明当风速足够大时，由于机械风压大于火风压作用，不发生烟流逆退现象；当火源功率为6 MW时，测点1～3温度变化相较于3 MW时升高趋势明显，说明在相同风速下，火源功率越大，巷道内火源上风向温度升高越快，即火势随火源功率的增大而增长。同时还可以看出，在火源功率不变的情况下，火源上风向距离火源较近的测点2，3温度波动剧烈，峰值变化尤其明显，说明其温度变化受风速影响最大。这是由于测点2，3处于上行巷道拐角处，上升火羽流在拐角处发生风流逆转，导致高温烟流在测点2，3附近大量集聚。当v=0.25 m/s时，2种火源功率下风向，即测点4～6的温度变化相较于其他风速下变化较大，这是由于上升火羽流受风流影响扩散受阻，火势及烟气随风流向下风向移动，高温烟流在下风向大量集聚扩散，导致下风向温度升高趋势明显。

3.2 CO浓度演化规律

CO是矿井火灾产生的高温烟流中的主要有毒有害气体，大量的CO会导致井下人员窒息或中毒，严重危害生命安全。因此，探究井下火灾发生后CO浓度演化规律，有利于深刻认识矿井火灾蔓延规律。通过在同一高度设置CO浓度探测器，得出火灾发生后巷道内CO浓度的实时数据，各工况下各测点CO浓度变化如图4～5所示。

由图4～5可知，在2种火源功率下，巷道内CO浓度分布曲线趋势大致相同。火灾发生后测点CO浓度在火源未达到最大热释放速率前呈二次函数升高，在火源达到最大热释放速率后CO浓度缓慢升高至稳定浓度。当火源达到最大热释放速率后，沿巷道方向CO浓度随着距火源中心距离的增大而减小。受风流的影响，火源下风向距离火源分别为10，20，30 m的测点4，5，6最先检测到CO，上风向距离火源10 m的测点1随后检测到CO。说明在风流的影响下，火灾蔓延趋势发生变化，火源下风向火灾发展速度比上风向快。相同风速下，随着火源功率的增大火灾发展变快，CO浓度增加速率也随之变快。相同火源功率下，4种风速的工况下CO浓度变化趋势基本一致，其趋势都是先迅速增加后波动至稳定状态。随着火灾的发展，上风向测点1处CO浓度值迅速增加，但随着风速的增大，火源下风向距火源最近的测点4处CO浓度增加速率快于上风向测点1处，且风速越大，测点4处CO浓度增加速率越快，说明风速的增加促进了火灾的发展。

图4 火源功率为3 MW时CO浓度随风速变化情况Fig.4 Change of CO concentration with wind speed under fire source power of 3 MW

图5 火源功率为6 MW时CO浓度随风速变化情况Fig.5 Change of CO concentration with wind speed under fire source power of 6 MW

所有工况下，测点4最先达到《金属与非金属矿山安全规程》的规定值(30 mg/m3)。火源功率为3 MW，v=2.25 m/s时火源上风向的测点2达到整个模拟过程中的最大CO浓度值0.007 9 kg/m3；火源功率为6 MW，v=1.25 m/s时测点2同样达到模拟过程中的最大CO浓度值0.008 3 kg/m3。所有监测点稳定后的CO浓度值均高于规定值30 mg/m3，整个切眼巷道内存在中毒的危险。

3.3 能见度演化规律

火灾发生之后，燃烧生成的烟粒子对可见光有遮蔽作用，浓烟扩散会阻碍光传播，降低矿井内的可见度，影响井下工作人员的逃生[17]。火灾时期，风速对烟气蔓延时矿井能见度有较大影响。数值模拟结束后，对各工况下数值模拟出来的数据进行处理，在此选择2种功率下火源达到最大热释放速率时的时间来观察能见度变化情况，根据式(6)计算得2种火源功率下达到最大热释放速率的时间分别为253，358 s，即选择253，358 s时观察其能见度变化情况。其中各工况下火源达到最大热释放速率时各测点的能见度变化如图6～7所示。

图6 火源功率为3 MW，253 s时能见度随风速变化情况Fig.6 Change of visibility with wind speed at 253 s under fire source power of 3 MW

图7 火源功率为6 MW，358 s时能见度随风速变化情况Fig.7 Change of visibility with wind speed at 358 s under fire source power of 6 MW

保证安全疏散的最大能见度距离称为极限视程，当熟悉周边环境，极限视程为5 m；当不熟悉周边环境时，极限视程为30 m[1]。考虑到工作人员对井下环境比较熟悉，在此选择极限视程为5 m。当巷道内能见度下降到5 m以下，根据通行难易程度系数及当量长度计算公式得出巷道可通行性安全系数为无穷大[18]，则计算得出的巷道当量长度也为无穷大，此时该巷道为绝不可通行巷道。

由图6～7可知，火灾发生后，巷道内工作面切眼路段能见度迅速降为零，且距火源中心距离越近，能见度越先降为零。火源功率为3 MW，253 s时，工作面切眼路段在4种风速下能见度均下降到5 m以下，所以该路段为绝不可通行巷道。而3119胶带巷路段只有部分路段能见度下降到5 m以下，且随着风速的增大，3119胶带巷能见度下降到5 m以下的路段长度越短。说明随着风速增加，3119胶带巷火灾区域减小，即相同火源功率下，风速越大，火源上风向火灾发展速度越慢，上风向巷道内能见度降低的趋势越慢。这是由于进风巷为火源上风向，该路段风流方向与火羽流方向相反，风流有效减缓了火势的蔓延，且风速越大，火源上风向火灾发展速度越慢，上风向火灾区域越小，抑燃效果越明显。而回风巷及3205上山路段则随着风速的增加火灾区域不断扩大，这是由于回风巷及3205上山路段均为下风向，风流方向与火羽流方向相同，风速的增加加速了火灾的燃烧，且风速越大助燃效果越明显。当火源功率为6 MW时，整个回风巷路段均为不可通行巷道，相同风速下，进风巷及3205上山路段的火灾区域均大于3 MW时的火灾区域，说明相同风速下，火源功率越大，火源达到最大热释放速率时巷道内能见度越低，能见度下降为不可通行巷道的火灾区域越大，火势燃烧越快，火灾蔓延速度越快。