自燃火灾巷道烟流的数值模拟及安全评价.doc

自燃火灾巷道烟流的数值模拟及安全评价1引言矿山火灾是矿井重大灾害之一，它对井下人员的生命安全、矿井设备、矿产资源以及地表环境都会产生很大的危害。在所有的矿井火灾中，自燃火灾约占70%以上；尤其在煤矿中，煤炭自燃引起的火灾占煤矿火灾的90%以上。因此，研究自燃火灾巷道烟气流动的规律以及对火灾后巷道内空气质量的安全评价，对于自燃矿山的火灾防治有着重大的意义。对于矿井火灾时期烟气流动的速度场、温度场、浓度场分布研究，目前已取得一些成果。戚宜欣以化学流体力学理论为基础建立了火灾烟流流动的微分方程组；王省身、蒋军成建立了火灾巷道烟气流动的场模型并进行了数值模拟计算；刘剑、贾进章建立了火灾时期数值模拟的数学模型；张兴凯用现场火灾实验得出了温度场分布规律等。他们对火灾巷道中烟流运动的各种场分布规律进行了深入的研究，但对自燃火灾发生后，巷道内的空气质量评价却涉及不多，更没有考虑到人的热舒适度指标。笔者在前人研究的成果基础上，以广西铜坑矿自燃火灾为实例，依据空气流动所遵循的控制方程组，对速度场、温度场等进行数值模拟计算。该数值模拟的方法具有结果直观、可视化强；可以帮助研究人员减少盲目性，增强目的性，并且可以节约时间和经费，可有效地预测火灾蔓延趋势及流场分布情况。在模拟和评价中，最后突出了以人为本，考虑矿工劳动环境的舒适问题，采用预计热舒适指标(PredictedMeanVote,PMV)和预计不满意百分比(PredictedPercentDissatisfied，PPD)两个衡量人体热舒适感诸多因素最全面的指标，对火灾巷道中的空气质量进行了安全评价，为自燃矿山火灾的防治提供了科学依据。2烟气流动的基本守恒方程组在矿井自燃后的火灾巷道中，高温烟气流动为非定常流动及传热传质过程，应遵循以输运定律或有关的守恒、平衡定律出发而建立起来的化学流体力学基本方程组：1)连续方程2)动力方程3)能量守恒方程4)组分方程(不考虑化学反应生成率Si)式中，组分气体i的质量分数。3烟气流动场的控制方程烟气流动场模拟的控制方程组包括连续性方程、动量方程、能量方程、组分方程、紊流动能方程和紊流动能耗散率方程，所有这些方程都满足下列通用形式的方程：式中，密度；V速度失量：某一通用物理量；不稳定态项；对流项；扩散项；S源项；通用物理量的有效输运系数。所自的控制方程，S如下表所示。式中，u,v速度分量；eff有效紊流扩散系数；t紊流粘性；k紊流动能；紊流动能耗散率；Gb紊流动能浮力产生项；Gk紊流动能平均速度梯度产生项。4初始及边界条件4.1火源的处理不考虑矿石自燃的具体燃烧过程，只简单地将火源处理成一高温定温区，核心温度为150，不断地向周围释放热量和烟气。高温烟流在巷道内流动过程中不再发生化学反应，产生的高温烟气中主要考虑组分SO2，浓度为77.41O-6。4.2边界条件入口处风流速度Vin=1.5m/s，温度20，紊流动能动能耗散率系数CD=1.0。出口边界条件采用局部单向化假设，即认为出口截面上的节点对第一个内节点无影响，离散化方程系数aE=0。在巷道壁面，假定烟流不可渗透，气密性好，在壁面处扩散通量为0，粗糙度取0.03m，壁面温度等于巷道围岩冷却带的温度为20。5工程实例5.1工程背景华锡集团公司铜坑矿细脉带矿体属高温一中温热液交代型矿床，矿体含硫量高达13.3%，如暴露在通风好的情况下极易氧化而引起自燃，产生的高温以及SO2等有毒气体，对井下生产及地面环境造成了严重的影响。近年来，随着开采活动的继续、民采的盗采矿柱等，隔火矿柱和密闭墙遭到了严重的破坏，导致火区“活化”，矿岩重新发生自燃而引起火灾，产生的SO2气体窜到井下作业面，引起井下作业人员的中毒或窒息，严重威胁着矿山的安全生产。因此，对地下火和毒气蔓延的控制已刻不容缓。5.2数值计算与安全评价选取一中段水平巷道为模拟对象，长度为60m，高度为2.8m，自燃发火区位于巷道顶板处，距巷道入口处的距离为15m。烟气流动的速度矢量图、温度分布图如图1、图2所示。从图1中可以看出，*近火源区域的风流速度要比远离火源区域的风流速度慢，这是因为矿井发生火灾后，巷道内风流受到高温的加热作用，密度发生变化，在重力场的作用下诱发对流，此时的风流流动主要由浮升力和主要通风机的风压所控制。在*近火源的区域，气体受热后膨胀，能对气体的流动产生一定的阻止作用；而由于入口处的风速较大，烟气上浮的趋势明显地被高风速所抑制，所以烟流在巷道中并没有产生逆流现象，而是沿着巷道的轴向方向蔓延。由图2的温度分布图可以看出火源处的温度随着风流不断向巷道轴向方向扩散，并且逐渐地降低，温度曲线呈下滑状。断面烟流温度分布也不均匀，*近巷道顶板的烟流温度高，而*近底板或壁面烟流温度低。温度场分布的情况与文献中的实际巷道火灾实验结果一致，因而用该数值模拟方法所得出的结果是可*的。由图3可知，在入口至火源的区域内的PMV较低，人体感觉适中，并未出现闷热的现象。其原因是入口处的风流速度较大，抑制了高温的扩散。而火源至出口之间的巷道内热舒适度值都很高，说明了烟流气体均被排至该段巷道中去了，而前段巷道中的风流则为新鲜风流，通过图4中的空气龄指标也表明了上述现象。经计算，整个模拟区中的预计热舒适指标值为：min=-2.3148，max=3，mean=1.12。经计算，整个模拟区中的预计不满意百分比值为：min=5.00，max=99.12，mean=84.73。从图5可以看出，PPD先逐渐变小，后又逐渐增大，笔者认为，入口处的风速较大，在离火源区较远处出现了人体感觉“偏冷”的现象，而随着气流不断接近火源区，吸收了火源区所扩散出来的温度，气流得到了升温，人体感觉逐渐地由冷至适中，所以在一定范围内PPD值得到了减小。在火源区附近，由于各处的温度不同，浮升力大小不均匀，驱动着气体上浮流动，即出现巷道下部的烟气流动速度要比上部快，上部的高温烟气得不到有效的扩散，在巷道上部区域出现了“聚集”，从而使PPD值逐渐的增大，并且下部区域的PPD值始终比上部的要低。6结论1)得出了自燃火灾巷道中高温烟流的速度场、温度场分布规律。为矿山制定出行之有效的安全预案及准确的救援决策信息，包括高温、有毒有害气体大量涌出时的安全应急方案、人员撤退路钱的选择、风机的布置、避险硐室位置的确定等提供了技术依据。2)当巷道入口处的风速Vin=1.5m/s时，火灾巷道中的烟气并没有出现逆流现象，说明当矿石自燃发生火灾时，采用该风速可以满足巷道内通风排烟的要求。3)采用数值模拟的方法，可以帮助研究人员减少盲目性，增强目的性，并且可以节约时间和经费，可有效地预测火灾蔓延趋势及流场分布情况，对矿山的安全生产有很强的指导意义。4)在建立模型中，对边界条件作了一定的假设和初始化，作为进一步研究，可考虑加入更复杂的边界条件，使之与工程实际更接近，以便能得出更为精确的模拟结果。第 7 页 共 7 页