基于FDS的矿井胶带运输巷火灾数值模拟研究.pdf

为了研究矿井火灾蔓延规律的变化，以柳湾煤矿 61122 工作面为研究对象，借助 FDS 软件构建矿井运输巷火灾模型进行数值模拟研究。结果表明：当风速增加时，火灾烟气的逆流现象逐渐降低，火源附近的温度逐渐递减。关键词 胶带运输巷；矿井火灾；风速；数值模拟中图分类号 TD75+2 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.08.039Numerical Simulation Research of Mine Tape Transportation Roadway Fire Based on FDSZhou Beiqi Zhang Menghao(College of Coal Engineering,Shanxi Datong University,Shanxi Datong 037000)Abstract:In order to study the changes in the law of mine fire spread,taking the 61122 working face of Liuwan Coal Mine as the research object,and a fire model for the mine transportation roadway is constructed using FDS software for numerical simulation research.The results indicate that as the wind speed increases,the countercurrent phenomenon of fire smoke gradually decreases,and the temperature near the fire source gradually decreases.Key words:tape transportation roadway;mine fire;wind speed;numerical simulation收稿日期 2023-01-06作者简介 周倍淇（1997），男，山西河津人，山西大同大学煤炭工程学院在读硕士研究生，研究方向：矿井灾害防治。周倍淇等：基于 FDS 的矿井胶带运输巷火灾数值模拟研究矿井火灾是威胁矿山安全生产的五大灾害之一，具有突发性强、继发性灾害多、救援难度大等特点。因此，本文针对柳湾煤矿 61122 工作面的运输巷道，采用 FDS 火灾动力学模拟软件，深入探讨了井下风速的变化对矿井火灾蔓延规律的影响，为指导井下工作人员逃生及救援提供了依据。1 火灾模拟软件 FDS 基础理论1.1 FDS 控制方程FDS 是由美国国家标准技术局所研发的火灾动力学模拟工具，是基于大涡模拟技术模拟火灾能量驱动流体流动的三维计算流体力学软件，作为数值计算在防灾减灾及建筑、消防等领域中应用的典型代表。FDS 为研究物质燃烧特性、火灾发展蔓延规律和逃生救灾等工作提供了便捷、有效的计算工具，FDS 是目前火灾研究领域应用最广泛的软件之一。FDS 计算要先建立控制方程，其定义为能够准确、完整描述某一物理现象或者规律的数学方程，即质量方程、动量方程、能量方程、组分方程及状态方程，其具体公式1如下：1）质量守恒方程 ii0utx+=（1）式中：为气体密度，kg/m3；t 为时间，s；ui为 i 方向上的速度，m/s。2）动量守恒方程 ()iiiiiijuuupgFt+=+（2）式中：p 为静压力，Pa；gi为 i 方向所受的体积力，N；g 为重力加速度，取值为 9.8 m/s2；Fi为热源引起的源项；ij为应力张量值，N。3）能量守恒方程iriiiihphuupqk ThDYtt+=+（3）式中：h 为焓，J/kg；K 为热导率，W/（mK）；qr为体积热释放率，W/m2；T 为温度，K；Yi为第 i种组分的质量分数；Di为扩散系数，m2/s。4）组分方程 ()()()iiiiiiYYuDYmt+=+（4）1202023 年第 8 期式中：mi 为单位体积内第 i 种组分的质量生成率。5）状态方程 iiYpTRM=（5）式中：R 为气体摩尔常数，J/（molK）；Mi为第 i 种组成成分的摩尔质量，kg/mol。1.2 火灾数值模拟的步骤火灾数值模拟技术是指导现代防灾减灾的科学实验成果之一，主要研究火灾的燃烧过程、蔓延规律，以及火源附近区域的温度变化、风速流向变化和烟气运移规律等。因此，火灾数值模拟技术实现了对传统火灾模型理论的跨越，在消防救援领域中广泛应用。火灾动力学模拟求解步骤2如下：先建立控制方程组、确定初始和边界，确定区域离散、节，然后建立离散，对方程进行求解数值方。在此基础上判断是否收敛，若收敛则分析计算，若不收敛则修改，重新进行判断，如此循环往复处理。2 矿井胶带火灾模型2.1 工况概述柳湾煤矿隶属于汾西矿业集团有限责任公司，矿井东北距离山西省孝义市城区 18 km，井田大部位于山西省孝义市境内，西南跨入交口县西逻、李家坡一带，南部至灵石县东逻、金庄一带。柳湾煤矿 61122 工作面的运巷采用矩形断面，净宽 4.5 m，净高 3.2 m，净断面积 14.4 m2，掘进宽4.7 m，掘进高 3.4 m。运巷断面如图 1。图 1 运巷断面（mm）2.2 模型建立由于煤矿井下环境比较复杂，其模拟场景将简单化，特作假设条件3-4：当燃烧发生时，火灾烟气在巷道扩散的过程中其物理性质和化学性质均稳定，不会产生任何反应；火灾产生的烟气均视为多组分理想气体，遵循理想气体状态方程；巷道中的侧壁温度属于冷却带温度，火灾发生期间始终处于恒温状态。胶带运输巷物理模型如图 2。该模型的尺寸为40 m3 m3 m。数值模拟中采用大涡湍流模型，用聚氨酯模型模拟燃烧。在巷道的左侧设置进风口和引火源，进风口的尺寸为 3 m3 m，引火源的尺寸为 1 m2 m。由材料库导入质量分数为 1.0 的混凝土作为巷道的侧壁、地板及顶板，巷道侧壁和地板的尺寸均为 40 m3 m，巷道顶板的尺寸为 3 m3 m40 m。当模拟开始运行的时候，引火源处于燃烧状态，进风口有气流产生。图 2 物理模型从进风口的位置开始算起，热电偶设置在火源正上方的 1.5 m 处，主要记录火源附近产生的烟气温度变化情况。2.3 网格划分及工况设置FDS 对胶带运输巷火灾模拟计算之前应进行网格敏感性分析，目的是寻找符合巷道模型的合理网格。网格尺寸是 FDS 设置的重要参数，也是决定计算的准确性以及计算时间的关键因素。如果网格过大，会导致结果出现较大的计算误差；如果网格过小，会导致时间步长缩短，模拟计算时间增大。因此，网格尺寸的经验值为特征火焰直径的 1/41/16 最为合适，特征火焰直径 D*计算公式5如下：25*0P0QDC Tg=（6）式中：Q为火源热释放速率，kW；0为环境密度，kg/m3；Cp为定压比热，kJ/（kgK）。由式（6）计算可得，网格尺寸的最小单元划分为 0.05 m、0.10 m、0.15 m、0.20 m 来进行模拟。网格敏感性分析如图 3 所示，网格单元尺寸为 0.15 m 和 0.20 m 时，在 5 s 后模拟温度起伏变化比较大。网格单元尺寸为 0.05 m 和 0.10 m 时，在 5 s 后的模拟温度均趋于稳定，但是 0.05 m 的网格前期处于不稳定状态，0.10 m 的网格始终处于稳定状态。因此，最终确定的网格尺寸为 0.1 m0.1 m0.1 m。据煤矿安全规程规定的风速范围，选取胶带运输巷内风速分别为1.0 m/s（工况1）、1.5 m/s（工1212023 年第 8 期周倍淇等：基于 FDS 的矿井胶带运输巷火灾数值模拟研究况 2）、2.0 m/s（工况 3）；模拟中火源热释放速率为 1200 kW/m2，模拟时间持续为 50 s，各工况运行时间接近 5 h。图 3 网格敏感性分析3 模拟结果分析3.1 烟气运移规律燃烧 50 s 时 3 种工况下的烟气分布如图 4。工况 1 的烟气刚开始向下风侧扩散，主要受浮力效应的影响使得烟气全部集中在胶带运输巷的上部。由于火源不断地燃烧，工况 1 的烟气出现下沉现象并向上风侧转移，巷道中的风流紊乱以烟气逆退的形式出现。上风侧的烟气逆退距离为 5 m，此后的时间内巷道烟气持续动态稳定。为了测得风速对胶带运输巷火灾烟气的影响，将风速提高到 1.5 m/s（工况 2）、2 m/s（工况 3）进行模拟计算。工况 2 的巷道内烟气出现逆退现象，距离 10 m。工况 3 暂未出现烟流逆退现象，烟气全部位于下风侧。（a）风速 1.0 m/s 的烟气分布（b）风速 1.5 m/s 的烟气分布（c）风速 2.0 m/s 的烟气分布图 4 燃烧 50 s 时 3 种工况下的烟气分布图通过对比模拟结果，火灾烟气在运输巷内扩散和流动表现出移动速度不稳定的特征。在燃烧初期，火源产生的烟气由于受到浮力效应的影响而处于上升阶段，沿着巷道顶板呈现出束状流动向两端扩散。随着火源不断地燃烧，火灾烟气出现分层贴附态势并逐渐向下部流动，与未受污染的空间出现明显的分界线。但是由于时间的推移这种界限不再清晰，风流紊乱使火源的下风侧已完全充满烟气，结果造成巷道中形成大范围的高浓度烟气危害区。因此，要充分认识烟气分层流动以及扩散缓慢的特点，有利于井下人员最大限度地利用剩余宝贵时间避险，对火灾逃生及救护抢险工作具有重要意义。3.2 温度分布变化在三种工况作用下，火源中心线平面可以表现出运输巷内最高温度的变化特征。因此，在巷道中心设置 X=1.5 m 的温度切面，用来记录巷道下风侧火源温度的变化情况。为了便于观察巷道温度，设定 smokeview 温度条的最大显示温度为 100。燃烧 40 s 时 3 种工况下的温度分布如图 5。工况 1 在燃烧 40 s 时，位于火源附近的热电偶测得温度为 59.73，而工况 2 的温度为 21.96，工况 3的温度为 21.13。因此，风速越大，火势越小，火源附近的温度越低。由于风速对附着在胶带上的遗煤引燃时间影响不大，但是风速过大会散去大量的热量，从而阻挡了遗煤的燃烧。同时还可以观察到，烟气由火源沿着巷道纵向蔓延的过程与温度较低的侧壁面进行热对流交换，与周围的环境发生能量交换，距离火源区域越远，则温度越低。（a）风速 1.0 m/s 的温度分布（b）风速 1.5 m/s 的温度分布（c）风速 2.0 m/s 的温度分布图 5 燃烧 40 s 时 3 种工况下的温度分布图（下转第 125 页）1252023 年第 8 期高常华等：深井自然风压及采空区流场动态演化规律研究自然风压与主通风机共同作用时，帮助矿井通风。实际情况下，通过主扇的风量已经超过矿井要求风量，主扇特性曲线调整为（或比稍大）可以达到省电的目的。3）基于自然风压变化的相关措施制定 合理选择开采方式和通风方式瓦斯涌出量大以及工作面自然发火期长的区域，上行通风或俯采是最优选择。自然发火期短，瓦斯涌出量小的区域，采煤工作面采用仰采的方式。自然风压反向风流的控制在自然风压重点影响区域井巷中安设硐室型空气幕。当自然风流出现反向时，可在巷道内安装硐室型空气幕，引射风流，改变风流方向。开采过程中，及时关闭矿井上部中段的采空区和废弃旧巷道，避免大量自然风流通过采空区和废旧巷道漏入井下，影响风机通风效果和下部污风的排出。合理安排矿井反风演习此外，每年在不同季节和不同月份进行反风演习，并按照有关规定进行。这样可以评估自然风压在不同季节对矿井反风能力的效果。4 结论通过对新河煤矿实测以及数值模拟，对采空区内部流场规律和深部矿井自然风压的变化规律进行了分析，研究过程中得出以下结论：1）大气压力较低时，密闭内外呈负压，大气压力较高时，密闭内外呈正压，自然风压的变化导致压能和密闭内外压能差的变化，表明自然风压的确对采空区内部流场规律造成影响。2）数值模拟结果与所分析的规律接近，在进风巷道处风流速度大，其所影响的采空区范围要比回风侧所影响的采空区范围大，采空区前端风流运动较为剧烈。3）针对煤矿实际情况，制定了选择开采方式和通风方式、基于矿井自然风压的风压风机匹配、自然风压反向风流的控制、合理安排矿井反风演习等相关措施。【参考文献】1 张杰，张建辰，刘清州，等.浅埋综采工作面覆岩裂隙发育及漏风规律研究 J.煤炭工程，2021，53（03）：118-123.2 秦波涛，高远，史全林，等.近距离煤层复合采空区煤自燃综合防治技术 J.工况自动化，2021，47（09）：1-6+17.3 刘昆轮，常博，马祖杰，等.自然风压作用下工作面采空区漏风特征研究 J.工况自动化，2020，46（09）：38-43.4 王刚，王锐，武猛猛.火区下近距离煤层开采有害气体入侵灾害防控技术 J.煤炭学报，2017，42（07）：1765-1775.5 余志剑，彭涛，彭斌.矿井自然风压与主扇变频系统匹配节能技术研究 J.中国矿业，2015，24（S1）：324-328.6 辛嵩，齐晓峰，赵文斌.资源整合时期自然风压变化规律及影响研究 J.煤炭技术，2015，34（01）：185-187.（上接第 121 页）4 结论1）胶带运输巷发生火灾时，增大风速，可以减缓火源的上游区域受到火灾烟气的影响，降低火势沿着巷道横向发展的趋势。2）火灾产生的高温烟气在巷道内发生热分层现象，随着风速的增加，火源附近的热量被驱散，从而温度不断下降。【参考文献】1 苏墨.矿井胶带火灾灾变规律数值模拟及自动灭火系统设计研究 D.太原：太原理工大学，2017.2 文虎，张铎，郑学召.煤矿平巷火灾数值模拟及其特征参数研究 J.煤炭科学技术，2017，45（04）：62-67.3 张睿.矿井火灾灾变时期风流控制技术研究 D.青岛：山东科技大学，2011.4 张圣柱，程卫民，张如明，等.矿井胶带巷火灾风流稳定性模拟与控制技术研究 J.煤炭学报，2011，36（05）：812-817.5 郭军，刘荫，金永飞，等.矿井胶带火灾巷道环境多参数时空演化规律 J.西安科技大学学报，2019，39（01）：21-27.